低功率脉冲激光-电弧复合热源高效焊接过程中的“匙孔”行为研究

激光-电弧复合热源焊接技术由于具有焊接熔深大、效率高、质量好等优点而受到广泛关注。采用低功率脉冲激光-钨极惰性气体保护(Tungsten inert gas,TIG)焊电弧复合热源技术进行镁合金板材的焊接,研究激光脉冲作用消失之后的等离子体行为和激光"匙孔"行为。在上述试验结果的指导下优化工艺参数,对比研究采用单独激光焊、TIG电弧焊和复合热源焊这三种方法实现镁合金板材对接焊相同效果时焊接效率的差异。研究结果表明,激光"匙孔"和"匙孔"等离子体的形成是实现复合热源高效焊接的前提条件,恰当的工艺参数可以使得激光"匙孔"维持稳定的开口状态,这种状态提高了电弧的稳定性和能量密度,延长了镁等离子体的恢复时间,因此能够提高复合热源的焊接效率。达到相同焊接效果时复合热源的焊接效率分别达到单独激光焊接效率的7.14倍和单独TIG电弧焊接效率的4.29倍。     

Nd:YAG激光+脉冲MAG电弧复合热源焊接参数对焊缝熔深的影响

试验研究Nd:YAG激光 脉冲MAG电弧复合热源焊接过程中焊接参数对焊缝熔深的影响.研究结果表明,复合热源焊缝熔深随电弧功率和激光功率的增大而增大,随焊接速度的增大而减小,并且在相同参数下,复合热源焊缝熔深稍大于激光焊缝熔深而显著大于脉冲MAG焊缝熔深.对于不同焊接电流,光丝间距在0～3 mm内复合热源焊缝取得最大熔深,且取得最大熔深的光丝间距与焊接电流大小有关;复合热源焊缝熔深在离焦量为2 mm时取得最大值.试验结果分析表明,在激光 电弧复合热源焊接过程中激光功率不仅决定复合热源焊缝熔深,而且可以极大地提高焊接速度:MAG电弧也可提高Nd:YAG激光焊的热效率.     

激光功率对CO2激光-MAG电弧复合焊电弧与熔滴行为的影响

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,利用电弧分析仪记录电弧信号,通过试验深入研究激光功率对CO2激光-熔化极活性气体保护焊(Metal active gas,MAG)电弧复合焊接的电弧形态、焊接稳定性、熔滴过渡频率的影响。研究表明,焊接电流的增加减小了实际热源间距,并且实际热源间距在2 mm附近效果最佳;带电粒子在主辅导电通道内的运动产生扰动或漂移、焊接模式的跳变和过渡模式的改变是电流、电压波形出现紊乱和尖角波形的主要原因;激光的加入降低了熔滴过渡频率和过渡稳定性;焊接电流为160A、180 A时,激光-电弧复合焊接的熔滴过渡频率均随着激光功率的增加而先减小后增大,但其过渡频率介于160 A和180 A电弧焊接时熔滴过渡频率之间。     

汽车行业焊接技术现状及需求（下）

（3）激光一电弧复合焊接技术由于激光焊接成本较高,因此以激光为核心的复合热源焊接技术应运而生。现在研究最多、应用最广的是激光一电弧复合热源焊接技术,主要目的是有效利用电弧热源,在较小的激光功率条件下获得较大熔深,同时提高激光焊接对焊缝间隙的适应性,实现高效率、高质量的焊接过程。哈尔滨焊接研究所在该方面的研究做了大量的工作,这一新型焊接技术,     

低功率激光诱导电弧复合焊接钛合金薄板工艺研究

采用低功率脉冲YAG激光诱导非熔化极惰性气体保护(Tungsten inert gas,TIG)焊电弧复合热源实现了1 mm厚TC4钛合金薄板的优质焊接,研究激光诱导电弧复合焊接过程中热源能量匹配、热源间角度、对接间隙对焊缝成形的影响规律。结果表明,钛合金薄板低功率脉冲YAG激光诱导TIG电弧复合热源焊接过程中,激光能量与电弧能量之间的相互匹配将显著影响焊缝的表面成形。相对于电弧功率的变化,焊缝成形对激光功率变化的敏感度更高。随着热源间角度减小,激光诱导电弧复合热源传热能力增强;由于复合焊接速度快、热输入小、焊接试板横向变形小,当对接间隙为0~0.5 mm范围内时均能获得良好的焊缝成形。为了使焊缝成形均匀连续,焊接过程中需要对焊缝背面采用氩气进行保护,当保护气体流量为5~8L/min时获得最佳焊接接头。     

不同波长激光对激光—MAG电弧复合焊接熔滴行为的影响

通过计算分析了金属对Nd：YAG激光和CO2激光的吸收率;以8.0mm厚高强钢板为试验材料,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.建立脉冲MAG焊接熔滴力学模型,从熔滴受力角度分析了不同波长两种激光YAG激光和C02激光在激光—MAG焊接中对熔滴过渡形式和熔滴过渡频率的影响.结果表明,Nd：YAG激光和CO2激光输出特性存在差异,金属表面对YAG激光的吸收率约为CO2激光的3倍多;在焊接电流180A、焊接电压26V、光丝间距3mm的相同条件下,YAG激光—MAG电弧复合焊接熔滴过渡频率高于CO2激光—MAG电弧复合焊接的熔滴过渡频率,且熔滴过渡频率均随着激光功率的增加而降低,但是增加等量的激光功率,YAG激光—MAG电弧复合焊接熔滴过渡频率下降幅度更大;CO2激光—MAG电弧复合焊接过程中,熔滴的过渡形式由射滴过渡转变为颗粒过渡,在YAG激光—MAG电弧复合焊接过程中,熔滴过渡形式主要为射滴过渡.     

在两种不同工艺下激光与电弧复合焊接研究

分别研究较高功率密度的CO2激光-电弧复合焊接和在含1％CO的密闭室中低激光功率密度的CO激光-电弧复合焊接。研究表明,前者能获得比单用激光焊接更大的熔深,后者相对单个电弧焊接方法的焊接能力大大增强。这两种激光-电弧复合焊接方法各自在某些领域能得到良好的应用,具有很好的发展前景。     

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。     

激光+双丝脉冲MAG复合焊的焊接稳定性

研究激光和Ar+He混合气体中He气体体积分数对激光+双丝脉冲MAG复合焊焊接稳定性的影响。搭建激光+双丝脉冲熔化极活性气体保护(Metal active-gas, MAG)复合焊焊接系统,利用LabVIEW信号采集系统采集焊接电流和电弧电压波形,借助高速摄像系统同步拍摄电弧形态和熔滴过渡过程,实时监测焊接过程。观察后丝短路和前丝断弧情况并对前丝电弧电压进行单因素方差分析,研究Ar+He混合气体中He气体体积分数对焊接稳定性影响;比较焊接过程中激光的有无对熔滴过渡的影响,分析激光对焊接稳定性影响。结果发现随着He气体体积分数增大,后丝对应短路次数增多,当He气体体积分数为50%时,前丝出现断弧现象,大于50%,断弧时间随之增加,焊接稳定性变差;激光+双丝脉冲MAG复合焊和双丝脉冲MAG复合焊相比,加入激光可稳定电弧,为熔滴提供一附加力,该力促进熔滴过渡,使熔滴过渡尺寸减小,加大过渡频率,改善熔滴过渡,提高焊接稳定性。     

高功率CO2激光＋电弧复合焊技术在船舶制造业中的应用

激光复合焊技术作为一种快速高效的焊接方法,具有焊缝深宽比大、焊接变形小等优点,在船舶制造业中有着广阔的应用前景。本文分析了高功率CO2激光＋电弧复合焊技术的特点,采用高速摄像法对光致等离子体与电弧的交互过程进行了观察分析,开展了16mm和12mm厚国产船用低合金高强钢激光复合焊对接和T形接头的工艺研究。     

激光-电弧复合焊接头研究进展

简述了当前国内外激光-电弧复合焊接研究的现状,对典型的激光-电弧复合焊接头做了详细对比,并根据不同的复合方式分别介绍了旁轴及同轴复合2种结构,给出了各种复合结构的优点与不足。最后介绍了自行研制的旋转双焦点激光-电弧复合头,并验证了旋转双焦点激光-电弧复合焊的优点。     

高氮钢激光-电弧复合焊焊缝成形多元非线性回归模型

基于响应面法设计方法,进行Nd:YAG激光-熔化极活性气体保护焊(Metal active gas welding,MAG)复合焊高氮钢的平板堆焊试验,获得焊缝熔深、熔宽、余高数据,采用逐步回归法筛选出对焊缝形貌影响显著的因子,建立多元非线性数学回归模型,通过方差分析和回归分析得出该回归模型的R2分别如下:熔深H为0.932,熔宽W为0.915,余高A为0.910,PF值均小于0.001。模型分析结果表明激光功率、焊接电流、电弧电压和热源间距四个因素的主效应和交互作用对焊缝形貌有着很大的影响,其中对熔深影响最大的主效应是激光功率,交互效应是激光功率与电弧电压;对熔宽影响最大的主效应是焊接电流和电弧电压,交互效应是焊接电流与热源间距、电弧电压与热源间距和激光功率与电弧电压;对余高影响最大的主效应是焊接电流,交互效应是电弧电压与热源间距。试验验证结果表明模拟结果和试验结果相吻合。     

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。     

YAG激光与GTAW复合焊接铝合金

研究了YAG激光、GTAW电弧复合焊接铝合金时各种规范参数对焊缝成型的影响规律 ,探讨激光与电弧的复合作用机理。结果表明 ,采用YAG激光 +GTAW复合工艺焊接铝合金具有焊缝成型美观、热影响区小等优点 ,与GTAW焊接相比 ,焊速显著提高 ,可以显著增加熔深 ,达到采用小功率激光焊机实现铝合金的焊接目的 ,Laser、GTAW是铝合金焊接理想的工艺方法。     

铝合金激光-电弧双面焊接激光稳定、压缩电弧的机制分析

为了阐释铝合金激光-电弧双面焊激光稳定、压缩电弧的物理机理,采用对比试验的研究方法和红外测温、电弧光谱分析的技术手段,分析激光对电弧作用的物理本质.结果表明,在激光匙孔未穿透条件下,激光形成的大梯度温度场为电弧提供阳极斑点是铝合金激光-电弧双面焊电弧稳定、收缩的根本原因,高能量密度的激光热源和高热导率的材料二者不可或缺;而在激光匙孔穿透条件下,光谱分析显示常规钨极惰性气体保护(Tungsten inert gas arc,TIG)焊电弧的Ar谱线强度最高,不锈钢激光-电弧双面焊电弧次之,而铝合金激光-电弧双面焊电弧Ar谱线最弱,这表明铝合金较高的饱和蒸汽压使得激光在匙孔底部产生较多的激光等离子体,为电弧提供了更加容易的导电通道,因而电弧弧根作用于此.     

铝及铝合金激光焊接特性

概述了以激光为热源的铝及铝合金激光焊接技术特性.包括铝及铝合金激光焊接稳定性的影响因素和激光焊接缺陷(气孔、裂纹、焊缝不规则等)及改进措施,并介绍了铝及铝合金激光-电弧复合焊接方法和双光束激光焊接方法.     

激光-电弧复合焊接的坡口间隙桥接能力

为推动激光-电弧复合焊接的工程应用,对其接头间隙桥接能力进行了系统研究.结果表明:激光-电弧复合焊接具有很强的间隙桥接能力,板厚4mm时最大可焊间隙量为1.8mm,板厚6mm时最大可焊间隙量为2.8mm;存在获得良好焊缝成形的接头间隙范围,板厚4mm时接头间隙范围为0.5～1mm,板厚6mm时接头间隙范围为0.6～1.2mm;电弧电流能够同时改变电弧压力、熔池重力、母材和填充材料熔化数量及坡口间隙两边熔化母材的熔合状况,是提高复合焊接可焊间隙量的关键因素;在相同焊速下,较高的电弧电流有利于厚板可焊间隙量的提高,薄板则需要相对较低的电弧电流来提高可焊间隙量.     

激光-MIG双丝复合焊电弧特性与熔滴过渡研究

利用搭建的激光-熔化极惰性气体保护(Metal inert-gas,MIG)双丝复合焊接系统进行焊接试验。在试验中,主要研究激光功率、送丝速度、光丝间距和离焦量等几个主要变量对复合焊接稳定性、电弧特性和熔滴过渡的影响规律。分别选取电弧电压变异系数、电弧偏转角、熔滴过渡方式及过渡频率作为评价参量对稳定性、电弧特性和熔滴过渡进行分析。研究发现,随着激光功率增加,电弧偏转角先减小后增加,在1 000 W附近偏转角最小,焊接过程最稳定。引导丝熔滴始终为粗滴过渡,而跟随丝熔滴为粗滴过渡+少量短路过渡,熔滴过渡频率呈现先增加后下降的趋势。在送丝速度为4 m/min时引导丝和跟随丝的电弧稳定性最好,电弧偏转角先减小后增加最终趋于稳定。在离焦量为–1 mm时,引导丝和跟随丝熔滴过渡频率均达到最大值,分别为8.6Hz和6.3Hz。     

活性激光电弧复合焊接法研究

为了进一步提高激光电弧复合焊接的熔深,提出活性激光电弧复合焊接法。在氧气的保护下,用小功率光纤激光在待焊焊件表面进行预熔处理,使表面熔化生成一层氧化层,然后用激光电弧复合焊接覆盖氧化层,达到增加熔深的目的。结果表明,激光预熔后进行激光电弧复合焊接,电弧明显收缩,熔深增加1.5倍左右,表面成形良好。激光预熔后,焊缝含氧量增加,熔池表面张力温度系数由负变正,使得复合焊接熔深增加。研究工艺参数对焊缝熔深和熔宽的影响,随着激光预熔功率的增加,熔深增加熔宽减小;随着电流的增加,熔深熔宽都增加,但激光预熔后的焊道增加更快。随着复合焊接速度的增加,熔深和熔宽都减小。随着复合焊接中激光功率的增加,熔深增加,对熔宽的影响较小。利用活性激光电弧复合焊接法,可以得到较为细小的焊缝组织,提高焊接接头的抗拉强度,能达到母材抗拉强度的95%,且面弯和背弯180°后未出现裂纹,表明接头具有良好的韧性。     

光谱法水下焊接电弧温度的研究

利用等离子体光谱诊断法对水下焊接电弧温度进行了比较系统的研究，对水下湿法焊接与干法焊接的电弧温度进行了对比分析，讨论了水的冷却作用及水压力对水下电弧温度的影响。探讨了焊接规范、焊条药皮中铁粉和铝热剂的质量分数等因素对水下焊接电弧温度的影响，获得的研究成果对水下焊接电弧物理及焊接冶金的研究有参考价值