铝合金及其焊接件激光冲击强化抗环境损伤工艺与机理研究

铝合金及其焊接件激光冲击强化抗环境损伤工艺与机理研究7075铝合金具有比强度高,易于加工等优点而广泛应用于航空航天、轨道交通、航海工程等行业的结构件中,焊接是其被制成结构件主要的连接方式之一。

在实际工作中,所有结构件都是要与周围环境相互作用的,如飞机与潮湿的大气
环境、轮船与海水环境、发动机叶片与高温环境等等。

这些环境介质与7075铝合金及其焊接头的相互作用会造成破坏和损伤,影
响结构的使用性能和寿命,导致整个产品失效。

大多数的损伤和破坏都是从表面发生的,因此表面处理与改性是提高7075铝合金抗环境损伤的重要手段。

激光冲击作为一种新型的表面改性技术具有热影响小、效率高、可控性强,绿色无污染等优点。

但国内外激光冲击铝合金强化技术的研究主要集中在力学性能的研究,而且是常温下性能测试研究的比较多。

对于7075铝合金及其焊接头激光冲击后抗腐蚀性能和耐高温性能提高的机理目前还没有统一的认识,因此研究激光冲击强化技术对7075铝合金抗腐蚀(尤其是卤环境)耐高温等性能提高的工艺和机理具有重要的价值和实践意义。

本文根据7075铝合金的静态屈服强度,通过计算分析,结合GAIAR型Nd:YAG纳秒高功率激光器参数范围,通过对比测试冲击后的表面完整性,对激光冲击参数进行优化。

根据优化参数(光斑直径3mm、能量为9J、搭接率60%、脉宽10ns)对7075
铝合金进行冲击强化处理,借助现代测试分析手段对冲击后的物相、微观组织等进行分析,研究激光冲击细化晶粒、诱发高密度位错的机理。

测试激光冲击前后7075铝合金的抗环境损伤能力的变化,主要包括电化学腐蚀测试、应力腐蚀测试、蠕变测试和高温疲劳测试。

采用等离子弧对7075铝合金进行焊接,制作了专用焊接夹具减小其焊接变形,获得具有工程实用级别的焊接头。

利用优化的冲击参数(光斑直径3mm、能量为6J、搭接率60%、脉宽12ns)对其激光冲击处理,使焊接头表面获得0.3mm层深(1次冲击)的残余压应力层,焊缝区中心线处由50MPa残余拉应力转化为
-25MPa的残余压应力。

对于本身为压应力的热影响区,1次冲击后残余压应力增大1倍。

接着对冲击前后7075铝合金焊接头的微观组织进行分析,研究其残余应力转换的微观机理,测试激光冲击后7075铝合金焊接头的抗环境损伤能力的变化,主要包括电化学腐蚀测试、应力腐蚀测试、蠕变测试。

通过对7075铝合金及其焊接头的上述实验研究和机理分析,获得了以下创新成果：(1)确定了激光冲击7075铝合金诱导孪晶结构的工艺参数范围。

建立了激光冲击后晶粒尺寸、晶格显微畸变和位错密度的数学计算模型,该模型精确地描述了激光冲击次数对7075铝合金微观组织结构的影响规律,为激光冲击强化工艺参数的优化选择提供理论支持。

(2)在激光冲击强化提高7075铝合金及其焊接头抗电化学腐蚀能力方面获得了丰富的实验数据和工艺参数,发现了激光冲击在提高7075铝合金抗电化学腐蚀方面的优越性：不仅能使试样自腐蚀电位和点蚀电位正移,而且能使试样极化曲线上出现电位范围至712.9 mV的阳极钝化区间,钝化电阻比冲击前提高了近30倍,从而大大提高7075铝合金的抗腐蚀性。

(3)摸索出了一套正确可行的激光冲击实验参数与方法,利用其可以有效抑制应力腐蚀裂纹萌生,阻止裂纹扩展,提高7075铝合金及其焊接头的抗应力腐蚀能力,使其伸长率、到达断裂的时间、静强度与冲击前相比提高11.13%、20%、100%,把7075铝合金焊接头的腐蚀敏感指
数由13.6%降为8.25%。

(4)研究了激光冲击提高7075铝合金耐高温性能的机理和工艺参数,研究表明：激光冲击强化可使7075铝合金蠕变断裂寿命提高2倍左右,在一定范围内有效抑制了7075铝合金对温度的敏感性；测试了不同冲击工艺参数下7075铝合金稳态结束时的时间、应变和应变率,为铝合金结构件工程应用检修和蠕变时效成形提供了重要的理论参考。

(5)利用激光冲击的方法延长了7075铝合金高温疲劳寿命,使其寿命增长率最高达76.41%,建立了高温残余应力释放模型,有效解释了激光冲击提高7075铝合金耐高温性能的原因,为激光冲击改善铝合金高温疲劳实践应用提供了理论支持。