低电流TIG电弧辅助MIG高速焊咬边缺陷抑制机理及措施的研究

基于温度场、流场、熔滴过渡以及电弧形态检测,开展低电流钨极氩弧焊(Tungsten inert gas welding,TIG)辅助熔化极惰性气体保护(Metal inert gas welding,MIG)高速焊工艺试验。从传热、传质以及受力等角度分析低电流TIG辅助电弧对高速MIG咬边缺陷的抑制机理,并分析各工艺参数对最终焊缝成形的影响。相比常规MIG高速焊,低电流TIG辅助电弧能有效降低MIG高速焊前部熔池边缘的温度梯度,延长熔池存在时间,促进液态金属向焊缝边缘填充。电弧力和熔滴冲击力是影响高速焊咬边缺陷的主要作用力,低电流TIG辅助电弧对MIG熔滴冲击力改变较小,但两电弧耦合后,电弧静、动压力明显降低,可有效地抑制MIG高速焊中咬边缺陷的产生。此外,正交工艺试验显示,丝-极间距和焊枪倾角是影响复合焊工艺的重要参数,而钨极距工件距离和TIG焊接电流则对咬边缺陷的影响较小,通过对丝-极间距和焊枪倾角的调节能快速实现该复合焊工艺参数的优化,抑制咬边缺陷。     

薄壁不锈钢管列置双TIG电弧高速焊接工艺

单钨极惰性气体保护焊(Tungsten inert gas,TIG)是目前工业用薄壁不锈钢管主要生产工艺,但其存在生产效率低的问题。针对高速TIG焊出现的驼峰焊道、咬边等焊缝表面成形缺陷产生的原因,提出列置双TIG电弧高效节能焊接新工艺。试验结果表明,采用双TIG电弧高效焊接新工艺,48 mm×1.2 mm和42 mm×1.5 mm两种规格的409L铁素体不锈钢管在获得良好焊缝成形的条件下焊接速度分别可达5.1 m/min和3.2 m/min;与单TIG焊接生产工艺相比,生产效率分别提高了240%和140%,能耗也分别降低44%和29%。两种规格铁素体不锈钢管膨胀率分别达到14.1%和33.7%,高于单TIG电弧焊的11.2%和21.4%,满足生产要求。分析表明,辅助TIG电弧加热主TIG电弧熔池后部堆积的液态金属,从热和力两方面延长熔池存在时间、促使液态金属回流填平主TIG电弧产生的熔池凹陷,从而有效抑制驼峰焊道和咬边的产生,在高速焊接条件下获得良好的焊缝成形,实现薄壁不锈钢管优质高效节能的焊接生产。     

高氮钢激光-电弧复合焊接熔池表面流动行为

焊接熔池流动行为是影响焊缝成形和接头质量的关键因素之一,其特征难以直接获取。试验采用ZrO₂颗粒作为示踪粒子,利用高速相机观察示踪粒子运动轨迹,开展高氮钢激光-电弧复合热源焊接熔池表面流动行为的研究。研究结果表明：单独激光焊接时,其熔池的流动主要受匙孔尺寸变化的影响;单独电弧焊接时,其熔池的流动则主要受电弧压力和熔滴进入熔池时所产生的冲击力的影响;而激光-电弧复合焊接时,其熔池的流动既受电弧压力和熔滴进入熔池时所产生的冲击力的影响,同时,匙孔的存在也会影响其熔池的流动。在激光-电弧复合焊接过程中,示踪粒子的直线移动距离随着焊接电流和电弧电压的增加而增加;而激光功率的改变对其直线移动距离的影响并不显著。研究结果揭示了不同焊接工艺及其参数对高氮钢焊接熔池表面流动行为的影响规律,为高氮钢焊接工艺的选择提供了理论依据。     

2219铝合金变极性等离子横焊接头缺陷机理研究

通过对厚度为8 mm的2219铝合金横焊过程中的高速摄像观察及典型接头金相分析研究,阐述了横焊接头典型咬边及气孔缺陷成形机理。结果表明,横焊过程中,小孔熔池形成过程中受力的平衡与稳定,是焊缝成形的前提与基础;焊缝背面受力失衡且金属流动性差是造成背面咬边缺陷的原因;在电弧力及熔池重力的共同作用下,金属湿润铺展受到阻碍是焊缝正面咬边缺陷的成因;重力向下,浮力向上,熔合线附近冷却速度较快,导致气孔来不及逸出而在焊缝上侧聚集。     

外加磁场对高速GMAW电弧和熔池行为的主动调控效应

在熔化极气体保护焊(Gas metal arc welding,GMAW)过程中,当焊接速度超过临界值后,焊缝成形变差,出现咬边和驼峰焊道,无法满足生产要求。研究证明,熔池中动量很大的后向液体流是产生驼峰焊道的主要原因。自主研发外加磁场发生装置,向熔池施加横向电磁力,对后向液体流进行主动干预,并调控熔池流态,从而抑制驼峰焊道的形成。在Q235低碳钢板上开展焊接工艺试验,获得了不同磁感应强度下的焊缝表面成形;采用高速摄像技术,拍摄焊接过程中的电弧和熔池图像,分析外加磁场对电弧形态、熔池流场和焊缝成形的影响规律,初步揭示外加磁场抑制驼峰焊道的机理。试验结果表明,外加横向磁场能明显调控熔池流态,减小后向液体流的动量,并能有效抑制驼峰焊道和咬边等缺陷,显著改善焊缝成形,提高临界焊接速度。     

激光-电弧复合焊过程的熔滴过渡特征与受力分析

利用高速相机对高氮钢激光-电弧复合焊接过程的熔滴过渡、熔滴形态、等离子体形态进行采集与分析。采用图像处理与数学计算相结合的方法给出熔滴在电弧空间飞行时的受力大小和加速度。初步计算激光产生的金属蒸气对熔滴的反冲力的大小和分布。结果表明:熔滴呈现颗粒过渡的临界焊接电流为180 A附近;熔滴呈现射滴过渡的临界焊接电流200 A附近。激光的加入对电弧具有明显的压缩作用,在熔池表面这种压缩作用更为剧烈。通过观测和计算给出电弧焊和激光-电弧复合焊时熔滴刚脱离焊丝的加速度分别达到70 m/s~2和50 m/s~2。在实际复合焊接过程中,当熔滴落入熔池位置与激光匙孔间距为3 mm时,从激光匙孔喷发的金属蒸气对熔滴的反冲力非常小。激光的加入主要改变了电弧形态,近而改变熔滴上下表面的压力差,使得熔滴在接近熔池表面发生合并和过渡频率减慢。     

面能量对激光—电弧复合焊接焊缝及熔滴过渡的影响

引入面能量的定义,从激光功率、电弧参数和焊接速度等方面来研究面能量的变化对焊缝熔深、熔宽、焊缝成形系数和熔滴过渡的影响,试图建立激光能量与电弧能量之间的最佳配比关系以及面能量与熔深的定量关系。采用高速摄像系统观测熔滴过渡模式和等离子体形态的变化,并采集焊接过程中的电弧和熔滴图像;利用激光共聚焦显微镜观察焊缝形貌,并测量焊缝熔宽、熔深等数据。试验研究发现:激光与电弧两热源之间存在最优匹配范围;电弧电压与焊接电流之间存在U(15 1)0.05I的关系式;焊接速度的降低与焊缝熔深的增加并非线性关系,可选择的焊接速度是一个区间,该区间内存在一个最佳的焊接速度,并对应一个最佳的面能量。因此,在具体的激光—电弧复合焊接中,需要根据板厚、接头形式等确定激光与电弧的能量参数,选择合适的面能量。     

焊接用保护气体的最新进展和应用技术

在任何电弧焊过程中如果不加保护，大气中的氧气和其他气体会侵入电弧和熔池，与熔化的金属反应产生缺陷，影响焊接效果。焊接保护气的主要功能是保护熔化金属免受大气的污染。除了它的保护功能，每种焊接保护气都有其独特的性能，对焊接速度、焊缝熔深、焊缝成形、焊接烟尘、电弧稳定性及焊缝力学性能等产生相应的影响。     

双频调制脉冲TIG打底焊电弧-熔池行为分析

为提高中厚板核容器焊接制造效率、质量稳定性及满足无衬板打底单面焊双面成形的工艺新要求,设计小角度、大钝边Y型坡口平板对接焊接结构,建立双频调制脉冲TIG焊接试验控制系统,开展多组低频脉冲和双频调制脉冲焊接工艺对比试验,获得坡口角度60°、钝边5mm的试板对接可靠打底单面焊双面成形焊缝。进一步研究分析双频调制脉冲电弧、熔池动态行为变化及熔池表面温度场的演化规律,探究讨论双频调制脉冲电流作用下焊缝熔深增加的原因。结果表明,双频调制脉冲电弧因高频脉冲电磁压缩作用具有更高的能量密度和更强的电弧穿透力,使熔池底部极易形成液态金属薄膜并穿透形成熔孔;同时,双频调制脉冲电弧减弱了熔池顶底部液态金属能量波动,增强熔池热惯性,有效降低熔池凝固速率,增加了焊缝熔深,为熔池单面焊双面成形提供良好的热力动态平衡条件。     

高氮钢激光-电弧复合焊接气孔控制方法研究*

为了掌握高氮钢复合焊接气孔控制的有效方法,研究电弧能量、激光能量和振动频率对焊缝气孔的影响。从气孔率方面分析焊缝气孔的产生原因,并从电流和电压波形及熔滴过渡方面分析其对焊接过程稳定性的影响。熔池流动与焊缝气孔具有一定的关联性,并从熔池流动状态方面分析其对气孔的影响。激光匙孔的形成需要一定的阈值能量,匙孔穿透状态对气孔率有直接影响,依据激光匙孔底部受力情况,分析匙孔状态对焊缝气孔率的影响。结果表明：气孔率随电弧能量或激光能量的增加而呈先升后降的变化趋势,电弧能量4 800 J(I=200 A,U=24 V)时,气孔率最低,仅为0.49%;而激光功率为2.8 kW时,气孔率降为最低,仅为0.14%;施加振动后焊缝气孔率均明显减小,气孔率随着振动频率的增加而先降后升。适当的电弧能量或激光能量可有效抑制焊缝内气孔数量,振动频率为35 Hz时抑制气孔效果最好。     

铝合金LB-VPPA复合焊接热源模型

激光-变极性等离子弧(Laser beam-variable polarity plasma arc,LB-VPPA)属双高能束新型复合焊接热源。采用Y4-S2型高速摄像检测了LB-VPPA复合焊接热源形态,在理论分析复合热源产热机理的基础上,利用Fortran语言对SYSWELD软件热源模型进行二次开发,建立能够实现正、反极性循环加载的LB-VPPA复合焊接热源模型。经与实际焊接熔池形状对比研究发现,熔池上部采用双椭球体热源,下部采用三维锥体热源,同时在小孔根部植入圆柱体热源的组合式热源模型与实际LB-VPPA复合焊接热源吻合。从模拟6 mm厚7A52铝合金板的VPPA焊和LB-VPPA复合焊接温度场分布结果发现,LB-VPPA复合焊能量更为集中,可以在平焊位置下实现穿孔型焊接。经实际焊接工艺试验验证了上述模拟结果的准确性。因此建立精确的LB-VPPA复合焊接热源模型对开展厚板铝合金LB-VPPA复合高效焊接提供强有力的理论支持。     

新型柔性变极性等离子弧铝合金横焊技术研究

针对中厚板铝合金横向焊接的技术需求和瓶颈问题,开展变极性等离子弧穿孔横焊技术的研究。以8 mm厚铝合金板为研究对象,进行常规变极性等离子弧穿孔横焊试验,发现横焊穿孔熔池很难建立。通过横焊穿孔熔池受力计算、熔化金属流动分析,探究问题产生的原因。推导出熔池背面小孔临界半径与表面张力、电弧力和重力之间的关系式。当受力状态满足关系式时,小孔熔池才能闭合、形成焊缝。依据上述理论,提出柔性变极性等离子弧。该电弧在保证穿孔前提下,通过降低电弧压力,增大小孔临界半径,促进了穿孔熔池的稳定建立。利用该技术实现了8 mm板厚2219铝合金的穿孔横向焊接,接头成形优良。焊前预热和表面氧化膜刮削可大幅度降低横焊接头气孔缺陷。     

高强钢厚板激光-GMAW复合双面同步横焊特性研究

针对30 mm厚船用高强钢10Ni5Cr Mo V对接接头横焊应用需求,开展激光-熔化极气体保护电弧(Gas metal arc welding,GMAW)复合双面同步横焊特性研究。研究结果表明,针对横焊位姿因重力、非对称坡口对熔滴、电弧的影响,利用激光对电弧的吸引和收缩作用,通过减小光-丝间距,有效地抑制了电弧侧壁燃弧,熔滴在电磁力和等离子流力的作用下,稳定过渡到熔池中,实现了熔滴过渡稳定性控制,解决了激光-GMAW复合横焊位姿电弧偏离和熔滴下落等过程控制难题与侧壁未熔合问题;厚板激光-GMAW复合双面同步横焊包括打底层和填充层焊接,其中打底层焊接是保证接头焊接质量的关键;采用激光-GMAW复合双面同步横焊新方法,4道焊接完成了30 mm厚船用高强钢10Ni5Cr Mo V横焊位姿的高强、高效连接。焊缝表面成形良好,无裂纹、未焊透和侧壁未熔合等缺陷。接头的抗拉强度高于母材,且其–50℃冲击吸收能量为57.3 J。     

10kW级光纤激光厚板焊接表面塌陷的试验研究

针对12mm厚的SUS 304不锈钢板的大功率光纤激光焊接过程中,焊缝表面容易出现塌陷的问题,利用高速相机及“三明治”焊接方法拍摄了熔池的流动状况。讨论了焊接位置和焊接速度以及底部驼峰的形成对表面塌陷的影响,研究了塌陷产生的原因。结果表明:从水平焊接位置到竖直焊接位置的过程中,表面塌陷平均深度逐步减小。焊接速度越小,小孔前沿孔壁上“凸台”越大,表面塌陷越严重。底部驼峰的形成,导致熔池熔融金属不足,形成表面塌陷。     

Porosity in fiber laser formation of 5A06 aluminum alloy

The mechanism of porosity formation and its suppression methods in laser formation of aluminum alloy have been studied using a 4kW fiber laser to weld 5A06 aluminum alloy with SAl-Mg5 filler. It was found that the porosity formation is closely related to the stability of the keyhole and fluctuation of the molten pool in the laser welding aluminum alloy. The filling wire increased the instability of the keyhole and weld pool, thus further increasing the amount of gas cavities in the joint. Prefabrication of a suitable gap for the butt joint can provide a natural passage for the flow of the liquid metal, which can weaken, and even completely eliminate the disturbance of the filling wire on the formation of keyhole. The gap can also provide a passage for the escape of the bubble. Thus, this method can greatly decrease the sheet’s susceptibility to porosity. Moreover, for a thin sheet, if the power of the laser is sufficient to form a keyhole with stable penetration through the weld sheet, a weld bead without porosity can also be obtained because closing the keyhole is almost impossible.     

Investigation of melting dynamics of filler wire during wire feed laser welding

In order to investigate the mechanism of stability for the wire feed laser welding process, systematic experiments are carried out in this study for 5A06 aluminum alloy. By using high speed camera, the melting dynamics of filler wires with different feed positions and feed rates are studied. The results indicate that these two factors mainly influence the characteristics of the filler wire melting dynamics and determine the stability of the welding process. The melting dynamics of filler wire can be generally characterized by three different forms: explosion, big droplet and molten metal bridge. When the filler wire melts and transits to the molten pool in the forms of explosion or big droplet, the stability of the welding process is strongly disturbed, resulting in an undesirable weld quality. In contrast, when it is in molten metal bridge form, the welding process is more stable and a uniform weld bead is achieved.     

CHARACTERISTICS OF DROPLET TRANSFER IN CO_2 LASER-MIG HYBRID WELDING WITH SHORTCIRCUITING MODE

LF6 aluminum alloy plates with 4.5 mm thickness are welded in this experiment.Welding is carried out by using the CO2 laser-MIG paraxial hybrid welding in flat position. The experimental results indicate that the inherent droplet transfer cycle time of conventional MIG arc is changed due to the interaction between CO2 laser beam and MIG arc in the short-circuiting mode of laser-MIG hybrid welding. Because of the preheating action of CO2 laser to electrode and base material, the droplet transfer frequency of MIG arc is increased in the hybrid welding process. When laser power is increased to a certain degree, the droplet transfer frequency is decreased due to the effect of laser-induced keyhole. Furthermore, through analyzing the MIG welding current and arc voltage waveforms and the characteristics of droplet transfer in the hybrid welding process, the effect of laser energy and the action point between laser beam and arc on the frequency of droplet transfer and weld appearance is investigated in details.     

Effect of gap on plasma and molten pool dynamics during laser lap welding for T-joints

The aim of the present research is to discuss the effect of gap on plasma plume, keyhole, and molten pool dynamics during laser lap welding for T-joints. The authors observe plasma plume, keyhole opening, and molten pool images by high-speed camera in different gaps during CO₂ laser overlap welding of T-joints. The results show that gap causes beam energy fluctuations in the keyhole and leads to the instability of welding process. In laser spot welding, zero-gap and small gap greatly affect the stability of plasma and keyhole, which causes the formation of cavities in the weld metal, while a proper gap can help prevent porosity formation. In laser continuous welding, the disruption and closure of front keyhole wall at the gap periodically changes with the gap, which causes the formation of plenty of porosities at the gap. The instability of keyhole is closely related to dynamics of plume and molten pool, which gives an insight into the mechanism of porosity formation during laser overlap welding.     

短路过渡CO2焊接熔滴形状数值模拟与控制

为了进一步提高短路过渡CO2气体保护电弧焊的工艺性能和焊接质量,根据高速CCD摄像获得的熔滴及其短路过渡图像,分析了熔滴与熔池短路前的形状对熔滴与熔池的短路、熔滴在熔池中的铺展及液桥缩颈形成的影响.采用熔滴静力平衡模型研究了电磁力(燃弧电流)、表面张力、重力与熔滴形状的关系,并通过对燃弧电流的精确控制实现了对熔滴形状的有效控制.当熔滴与熔池短路前为细长形状时,短路过渡过程稳定柔顺,而当熔滴为扁平形状时,则不利于熔滴的短路过渡,甚至产生瞬时短路.燃弧阶段的熔滴形状体现了各种力对熔滴的作用,而电磁力(燃弧电流)是决定熔滴形状的主要因素.根据燃弧电流对熔滴形状的影响规律,提出了采用前期大、后期小的燃弧电流控制原则,以在燃弧的不同阶段获得不同的熔滴形状.试验结果表明该控制方法获得了良好的适合于熔滴短路过渡的短路前熔滴形状,短路过渡过程柔顺稳定,消除了瞬时短路以及由此导致的飞溅,改善了熔滴的短路过渡行为,短路过渡结束后焊丝端部的残余液态金属具有良好的一致性.