脉冲电弧对激光脉冲电弧复合焊熔滴过渡与飞溅的影响

采用高速摄影技术、宏观金相和焊接电信号采集对激光脉冲电弧复合焊焊缝成形形貌、熔滴过渡和焊接飞溅进行了研究。结果表明:采用激光脉冲电弧复合焊能改善焊缝成形,同时明显改变了焊接电流、电弧电压以及熔滴过渡模式。激光非脉冲电弧复合焊的熔滴和熔池以及熔滴和焊丝之间形成的液桥在过大电磁收缩力的作用下发生爆炸,此外,熔池表面的熔滴在电弧力和内部气体膨胀的作用下发生爆炸,从而产生飞溅。而采用激光脉冲电弧复合焊接工艺能明显降低焊接飞溅,这主要是因为脉冲电弧降低了短路过渡时的电流以及熔池的震荡。     

6061-T6铝合金激光-电弧复合高速焊气孔形成及控制机制

采用激光-钨极氩弧焊(TIG)复合热源对6061-T6铝合金进行了高速焊接,研究了焊接电弧电流、激光脉宽及脉冲频率等工艺参数对气孔形成的影响规律。结果表明,在6061-T6铝合金高速激光-TIG复合焊中,焊接速度的提高使得熔池冷却速度加快,焊缝组织出现细小的等轴晶,热影响区的软化区宽度减小。熔池冷却状态的变化造成"匙孔"稳定性降低并容易坍塌,焊缝中极易形成气孔。随着激光脉宽的增大,焊缝中的气孔数量减少,尺寸减小;随着激光脉冲频率的增大,焊缝中的气孔数量先减少后增加;当电弧电流从180A增大到200A时,焊缝中的气孔数量明显减少。     

激光-电弧复合焊焊缝合金元素分布的研究

激光-电弧复合焊接相对激光焊接的优势之一是通过焊接材料的添加,调整焊缝的合金元素成分,改善焊缝组织与性能。焊接材料添加的合金元素在焊缝中的均匀分布是体现激光-电弧复合焊接这一优势的关键。然而,对于窄而深的激光-电弧复合焊焊缝,实现合金元素的均匀分布是非常困难的。研究了焊接工艺参数对CO2激光-熔化极气体保护(GMA)复合焊焊缝合金元素分布的影响规律,并讨论了熔池流动行为与合金元素分布均匀性的关系。结果表明,随着焊接速度的减小,CO2激光-GMA复合焊焊缝合金元素的分布趋向于均匀分布;随着坡口间隙的增大,焊缝合金元素均匀程度越高。焊接方向为激光在前时,激光-电弧复合焊接熔池流动为内向流动时(即熔池表面从熔池后部向小孔流动,并且小孔后沿液体向下流动),焊缝合金元素分布较均匀,其均匀性高于焊接方向为电弧在前时的情况。焊接方向对焊缝合金元素分布的影响规律主要取决于电弧拖拽力和熔滴对熔池冲击力的方向。当焊接方向为激光在前时,电弧拖拽力和熔滴对熔池冲击力指向小孔方向,促进了熔池内向流动。     

不同波长激光-MAG电弧复合焊接焊缝成形与熔滴过渡特征研究

以5.0 mm厚高强钢板为实验材料, 采用高速摄像拍摄及汉诺威分析仪, 对比研究了CO2激光-MAG电弧旁轴复合焊接与Nd∶YAG-MAG激光电弧旁轴复合焊接在不同的激光功率下的焊缝形貌、熔滴过渡形态、工艺稳定性及电信号差异。结果表明, 在焊接电流I＝180 A, 电流电压U＝26 V, 焊接速度v＝1.2 m/min时改变激光功率发现, 相同激光功率比较Nd∶YAG-MAG激光电弧复合焊的焊缝面积与热影响区面积明显更大且表面飞溅较少; Nd∶YAG-MAG激光电弧复合焊熔滴过渡频率更高, 过渡形式基本为射滴过渡; 采集的电信号也显示Nd∶YAG-MAG激光电弧复合焊更加稳定。     

X70钢管道全位置激光-MAG电弧复合根焊焊缝成形试验研究

针对X70钢管道全位置激光-熔化极活性气体保护(MAG)电弧复合根焊焊接过程中,管道焊接3~6点位焊缝背面易出现内凹,开展了管道全位置激光-MAG电弧复合根焊焊缝成形试验研究。试验结果表明,激光-电弧复合焊接能量输入、焊枪角度对焊缝背面内凹影响较大;焊缝背面内凹可能是由于熔池液态金属重力作用导致焊缝熔融金属下淌所致。通过变参数能量输入方法,从3点位到6点位逐渐降低激光-电弧复合焊接功率;并向上倾斜焊枪角度使激光和焊缝切线方向成80°时,可利用保护气吹力和电弧力"托住"熔池,有效抑制内凹缺陷,改善焊缝成形。此外,发现焊缝背面有无内凹对静载拉伸性能基本无影响,有内凹管道的抗拉强度可达到596 MPa以上,但焊缝背面内凹大幅降低了管道疲劳性能。     

铝合金激光-短路过渡熔化极惰性气体保护焊复合焊焊缝成形改善

铝合金短路过渡熔化极惰性气体保护焊(MIG)焊缝成形较差、熔深浅。利用高速摄像与电信号同步采集系统,研究了铝合金MIG焊短路过渡时的熔滴过渡特性,解释了铝合金采用短路过渡焊接时焊缝成形差的原因。采用激光与电弧旁轴复合焊接形式,发现激光的加入改变了铝合金短路过渡的熔滴特性,当激光功率在某一临界值以下时,熔滴过渡稳定,焊缝成形得到显著改善;当激光功率超过临界值时,熔滴过渡不稳定,焊缝成形改善效果不明显。对比传统MIG和激光-MIG焊在采用短路过渡焊接铝合金时的焊缝宏观形貌,激光的加入使熔滴铺展良好,余高降低,熔深增加。研究表明,激光的加入,将工程上焊接铝合金时不常应用的短路过渡MIG焊接形式变得有实际应用价值。     

不锈钢激光-电弧双面焊接头熔化特征分析

在4 mm厚不锈钢激光-电弧双面焊接试验的基础上,研究了激光功率、电弧电流对接头形貌特征和接头特征量的影响规律,并对熔化效率进行了分析。结果表明,在较小的能量匹配下,双面焊接头呈现出激光焊与电弧焊的混合特征,随着热输入的增大,混合特征消失;增大激光功率,可使激光侧焊缝熔宽增加,而电弧侧焊缝熔宽减小,增加电弧电流,可使电弧侧焊缝熔宽增加,而对激光侧焊缝影响很小;激光功率和电弧电流增加都对焊缝中部最小熔宽有明显的增加;中部最小熔宽的深度随激光功率增加而增加,而电弧电流则起到相反的作用。在非熔透条件下,激光对电弧焊的熔化效率影响很明显,而电弧对激光焊的影响很小;在熔透条件下,增加激光功率、电弧电流对激光电弧双面焊的熔化效率都有显著的提高。     

高强钢激光-MIG复合焊对接间隙下的焊缝成形机理

采用光纤激光-熔化极稀有气体保护(MIG)复合焊对不同对接间隙下的3 mm厚低合金高强钢进行焊接。在焊接速度恒定的条件下,研究了不同对接间隙下焊缝的成形过程,并与零间隙下相同工艺参数的激光-MIG复合焊的焊缝形貌进行对比。结果表明:在有对接间隙时,焊缝及其热影响区的上下宽度基本一致(呈U形),而在零间隙下,焊缝及其热影响区的宽度均呈上宽下窄(Y形)的形态。焊缝成形机理如下:在激光-MIG复合焊进行有对接间隙的焊接时,电弧等离子体的形态有三种不同的变化(与任一侧试板起弧燃弧形成的"分叉电弧"以及与两试板同时起弧燃弧形成的"十字电弧"),电弧的三种形态不断变化,形成"摆动"态;"摆动"态电弧等离子体的作用是预热和熔化工件侧壁,激光热源作用在熔池上起到加大熔深、稳定电弧和消除电弧热源导致的侧壁未熔合的作用;对接间隙下电弧热源作用的范围较大,使得母材受热更加均匀;与零间隙焊缝相比,有间隙下的焊缝组织更均匀。     

热源角度对6A01铝合金激光-MIG复合焊成形及气孔的影响

采用激光-MIG复合焊接对轨道交通铝合金型材进行焊接研究,从焊接成形、气孔缺陷和熔池行为等方面研究了热源与焊接方向的夹角对于焊接特性的影响。结果表明,增大激光与焊接方向的夹角可使熔深、熔宽降低,当激光夹角从82.5°增加至110°时,熔深下降了50%,熔宽下降了25%,增大热源角度有利于焊缝中气孔逸出,当激光角度由82.5°增大至97.5°时,焊缝气孔率由3%下降至0%,增大电弧角度也有利于减少气孔。不同热源角度下熔滴过渡方式均为射滴过渡,增大激光和电弧与焊接方向的夹角会促使熔池变长。Fluent模拟结果说明热源夹角影响能量传播,增大激光角度会减弱能量向深度方向的传播,增大电弧角度会扩大其加热范围,进而增加熔池长度,提升熔池存在时间,有利于气孔排除。     

热源顺序对HG785D高强钢激光-电弧复合焊耦合机理与接头性能的影响

采用激光-电弧复合焊的方法焊接了HG785D高强钢,研究了不同热源顺序下激光功率和送丝速度对焊接过程的影响。观察了复合焊过程中等离子体的动态变化,并获取了不同热源顺序下等离子体的电子温度和电子密度,揭示了焊接过程热源耦合机理。结果表明,随着激光功率的增大,焊缝熔深先减小后增大;随着送丝速度的增大,焊缝熔深逐渐减小。相较于电弧先导,激光先导等离子体的体积较大且电子温度较高,焊缝熔深较大,同时接头的抗拉强度较大,但塑性较弱,且接头各区域的显微硬度较大。     

激光-电弧复合焊接工艺参数对焊缝形貌及焊接稳定性的影响

以150 mm×30 mm×8 mm的高强钢板为试验材料,采用YAG激光-熔化极活性气体保护焊(MAG)电弧复合焊接方法,研究了各参数(主要包括激光功率P、光丝间距DLA、电流I、电压U等)对焊接熔深、熔滴的过渡特征和焊缝的截面形貌的影响。结果表明:在改变焊接熔深时, 激光功率起到主导的作用, 同时激光与电弧间存在最佳的能量匹配值, 当激光功率约为电弧功率的2/3时, 焊接熔深的增加最为显著; 激光功率P与光丝间距DLA对熔滴过渡的受力有很大的影响, 从而决定了熔滴的尺寸大小与过渡频率, 而电弧能量对熔滴的过渡模式起主导作用; 在焊缝截面形貌中, 激光功率P主要影响熔深及熔深面积, 电弧能量主要影响焊缝宽度及余高面积, 且各参数的改变, 余高的变化量均很小, 而热影响区(HAZ)宽度及面积与总的热输入量成正比, 热输入量越大热影响区(HAZ)越大。     

焊接速度对激光-电弧复合焊接焊缝成形和低温冲击韧性的影响

开展了440 MPa级船用高强钢激光-电弧复合焊接试验,研究了焊接速度对焊缝成形和低温冲击韧性的影响规律。结果表明,焊接速度对焊缝成形具有较大影响：焊接速度较小时,焊接热输入较大,熔池易塌陷;焊接速度较大时,由于激光能量密度不足,激光小孔熔透不稳定,焊缝底部易形成驼峰。随着焊接速度增大,440 MPa级船用高强钢激光-电弧复合焊接焊缝的低温冲击韧性呈先增加后降低的趋势：当焊接速度低于1.0 m/min时,焊缝的-40℃冲击吸收功较低,小孔型气孔是主要影响因素;当焊接速度为1.2 m/min时,气孔倾向小,焊缝的冲击吸收功达到了175 J;当焊接速度增加到1.5 m/min以上时,贝氏体含量较大,焊缝的低温冲击吸收功下降。     

铝合金CO2激光电弧复合焊保护气体影响研究

为了研究保护气体对铝合金CO2激光-熔化极惰性气体保护电弧复合焊的焊缝成形和熔深等的影响,采用不同流量的He和Ar混合保护气体在5052铝合金板上进行激光-熔化极电弧复合焊工艺试验的方法,进行了理论分析和实验验证,取得了焊缝成形、熔深、焊接电压等数据。结果表明,复合焊时采用单He气会造成熔化极惰性气体保护焊的电弧电压增大,电弧稳定性变差,从而影响铝合金CO2激光-熔化极惰性气体保护焊复合焊的熔深,少量的Ar气加入有利于改善焊缝表面质量和稳定电弧,提高焊缝熔深的效果,当V(Ar):V(He)=5:25时,熔深最大,但He气中加入大量的Ar气会降低焊缝熔深,甚至抑制激光深熔焊接;当采用纯Ar气作为保护气体时,虽然焊缝成形美观,但焊缝熔深很小。这一结果对铝合金CO2激光-熔化极惰性气体保护电弧复合焊焊缝成形质量分析具有较好的理论和工艺指导意义。     

有限元仿真激光焊接亚微米尺度一维氧化锌

采用ANSYS有限元软件仿真激光对接焊直径从200~1000 nm、长5 μm的一维氧化锌材料,得到了温度和熔池分布。针对500 nm的一维氧化锌材料,若在焊缝处形成不同深度的熔池,焊接时间每降一倍,激光功率需提高0.5倍。以熔池达到接合处截面面积的50%为仿真目标,对不同直径的一维氧化锌材料和聚焦光斑离焦量进行了仿真,随着材料直径的增大,焊接时间近似呈指数增大,而激光功率近似呈指数衰减;无论正负离焦,随着离焦量的增大,所需激光功率在氧化锌直径减小时急剧增加;当负离焦时,随着离焦量的增大,所需激光焊接时间在氧化锌直径增大时显著降低,但正离焦时,变化不显著。     

细管径侧吹气体流量对光纤激光中厚板焊接的影响

在细管径侧吹气体的辅助下,对SUS 304不锈钢试样进行了光纤激光焊接,使用高速摄影设备配合背景激光光源对匙孔、熔池以及金属蒸气的行为进行了观察,并对焊缝熔深和焊缝成形进行了分析。结果表明:在激光功率、焊接速度、离焦量、喷嘴位置与角度等参数一定的情况下,焊缝熔深随着细管径侧吹气体流量的增大而增加。细管径侧吹气体可以明显打开匙孔并维持匙孔稳定性,并扩大熔池面积。气体流量大小对焊缝成形有较大影响。当无细管径侧吹气体时,飞溅较大,焊缝成形均匀;当气体流量较小时,飞溅较小,且焊缝成形均匀;当气流量过大时,飞溅较小,但焊缝成形较差。     

激光-MIG复合焊接熔滴过渡对焊缝表面成形的影响

熔滴过渡特性对于保证激光-电弧复合焊接成形质量十分重要。利用高速摄像机采集激光-熔化极惰性气体保护焊(MIG)复合焊接过程中的熔滴过渡图像,通过图像信号处理方法提取电弧感兴趣区域(ROI区域)面积、熔滴速度、熔滴过渡周期等特征,分析熔滴过渡特征与焊缝成形的关联;利用短时傅里叶变换和谱熵对电弧ROI面积进行时频分析,研究功率谱谱熵与熔滴过渡稳定性之间的规律。结果表明：熔滴过渡频率与熔滴速度有一致的变化趋势,稳定的熔滴过渡能提高焊缝成形的均匀性;功率谱谱熵能表征焊接过程的稳定性,当熔滴过渡失稳时,短时对数功率谱变得紊乱,瞬时谱熵增大,焊缝熔宽减小,表面铺展性降低。     

激光-电弧复合焊在坡口中的等离子体耦合行为

研究了在坡口中进行复合焊时激光和电弧的耦合行为,结果表明:当光丝间距为2 mm时,激光和电弧能够持续耦合,但熔池表面波动剧烈,焊接飞溅较大,表面成形较差;当光丝间距为4 mm时,激光和电弧等离子体出现周期性耦合,熔池表面波动较小,焊缝表面成形较好。出现周期性耦合主要是因为焊丝熔化后先填充坡口,造成电弧下方液体堆积,激光作用区域和电弧作用区域的高度不在同一水平面上,使得实际光丝间距大于4 mm,激光和电弧不耦合;当堆积液体达到一定高度后,在重力和表面张力作用下液体向激光作用区域流淌,液面趋于水平,实际光丝间距接近4 mm,激光和电弧等离子体连接在一起,再次发生耦合。当光丝间距大于6 mm时,激光和电弧不发生耦合。     

窄间隙条件下激光-电弧复合焊接稳定性研究

相对于当前的厚板焊接方法,激光-电弧复合焊接有很多优点。为了使激光-电弧复合焊接技术应用于厚板焊接,本文采用4 KW光纤激光器针对16 mm厚低碳钢板进行激光-电弧复合焊接打底焊接工艺研究,探究了坡口尺寸、电流值、速度等规范参数对激光-电弧打底焊接稳定性的影响,通过金相观查焊缝横截面形貌。结果表明:坡口尺寸、电流以及焊接速度是影响激光-电弧复合焊接过程稳定性的主要工艺规范。通过电弧电流等工艺规范的匹配,激光-电弧复合焊实现5 mm钝边,12°类Y型坡口的熔透打底焊接。     

CO2激光-MIG复合对接焊熔透工艺

在有坡口间隙对接焊时，焊缝根部成形状态是衡量复合焊搭桥质量及其适应能力的重要指标。因此研究了CO2激光惰性气体金属弧焊(MIG)复合焊接3 mm厚不锈钢板时激光功率、电弧电流、激光-电弧距离、焊接速度、坡口间隙等工艺参数对根部熔宽的影响，并通过CCD摄像机对焊接过程中的等离子体进行了观察。研究表明，随着焊接参数的变化，CO2激光-MIG复合焊存在四种熔透状态，对某一间隙范围，选择合适的激光功率、电弧电流、激光电弧距离与焊接速度可以获得“适度熔透”的良好根部成形。激光功率、电弧电流过小，速度过大则会产生“未熔透”或“不稳定熔透”，反之则“过熔透”。间隙较大时，激光功率对熔透的影响较小。另外还研究了不同激光电弧距离对等离子体形态及其对熔透的影响。     

14 mm厚EH36高强钢光纤激光-MAG复合焊工艺及接头组织性能

利用光纤激光-MAG复合焊工艺焊接了14 mm厚的EH36高强钢,研究了激光功率、焊接速度和焊接电流对焊缝成形的影响,并分析了优化工艺下焊接接头的组织和性能。结果表明,随着激光功率的增大,焊缝的熔深增大,熔宽基本不变;随着焊接速率的增大,焊缝的熔宽减小;随着焊接电流的增大,焊缝的熔宽基本不变。最佳焊接工艺下得到的焊缝成形良好且无焊接缺陷存在;焊缝及热影响区的组织主要由板条马氏体组成;焊缝金属的硬度大于母材的;拉伸试样断裂位置在母材;焊缝横向侧弯试验后,拉伸面没有出现裂纹;焊缝冲击试样断面为准解理断口形貌。