填丝CO_2激光焊的焊缝成形研究

利用自行设计的填丝激光焊系统,研究了大功率ＣＯ_２激光填丝焊接工艺参数对ＨＡＺ尺寸及焊缝成形的影响。实验确定了最佳的送丝角度范围,发现填丝激光焊的焊缝形状近似呈“Ｘ”形。     

工艺参数对激光填丝搭接焊成形的影响

介绍了镀锌钢板激光填丝搭接焊接的方法及设备,对1.0mm镀锌钢发现板与0.7mm普板的搭接接头进行光纤激光填丝焊接。研究了不同焊接参数下焊缝的外观形貌、焊缝宏观截面以及显微组织。发现在合适的工艺条件以及参数下能获得美观的焊缝接头。焊缝显微组织主要为铁素体、珠光体以及贝氏体,填丝焊热影响区比单激光自熔焊要大,其主要组织为粗大铁素体。实验结果显示随着激光功率的增大焊缝熔深熔宽均增大,随着光斑远离焦距位置,焊缝熔宽增大,熔深略减小。随着焊接速度的增大,焊缝熔深减小,熔宽也呈减小趋势。     

激光填丝焊接焊缝成形质量控制系统研究

研究了激光填丝焊接中相关的工艺参数对焊缝成形质量的影响。比较了对接间隙宽度发生变化时控制送丝速度或焊接速度两种情况下获得焊缝成形的质量。结果表明,间隙较小时调节送丝速度较好,间隙宽度较大时则调节焊接速度为佳。针对高精度焊接条件下焊缝成形质量控制要求,设计了一套以80c51单片机为核心的双单片机系统,该系统在焊接过程中可根据坡口间隙宽度选择性地实时调节送丝速度或焊接速度,以保证激光填丝焊接全过程获得良好的焊缝成形质量。     

摆动工艺对钛合金窄间隙激光填丝焊缝成形及气孔率的影响

本文探索了光束摆动对TC4钛合金窄间隙激光填丝焊缝成形和气孔率的影响。研究结果表明,无摆动时,焊缝表面起伏不连续,横截面窄而深,增加光束摆动之后,表面成形连续均匀,横截面相对变得宽而浅。当采用垂直或圆形摆动方式,摆动幅度为1.5～2 mm,摆动频率在20～100 Hz之间时,获得了焊缝表面和横截面成形良好的焊接接头。当采用圆形摆动,摆幅为2 mm,摆动频率在100～200 Hz之间时,获得的焊缝无明显气孔。采用该工艺进行了20 mm厚TC4钛合金窄间隙激光填丝焊接,焊接接头呈银白色,焊缝均匀连续,接头拉伸性能测试表明,其最大抗拉强度达930 MPa,接头强度与母材等强,断裂方式为韧性断裂,拉伸试样断裂在母材。     

铝合金激光填丝焊焊缝成分不均匀性研究

为了研究铝合金激光填丝焊接头组织及焊缝成分分布情况,分别对ZL114A铝合金及工业纯铝1A90进行了激光填丝焊接,并利用光学显微镜、扫描电镜、能谱等实验方法分析了焊接接头的组织特点,并讨论了成分分布规律.结果表明,铝合金激光填丝焊接接头成形良好,焊缝组织细小,热影响区窄,焊缝成分有明显不均匀性,在焊缝上部和底部靠近熔合区的位置熔质浓度较高,而焊缝中心位置熔质浓度低.     

单/双光束激光焊接熔池行为及焊缝成形特性比较

以不锈钢为研究对象,对比研究了单、双光束激光焊接过程中的熔池形态和焊缝形貌,建立了二者之间的相关性。结果表明,单、双光束激光焊接具有不同的熔池形态演变过程,光斑间距会影响双光束激光焊接熔池尺寸及焊缝形貌。双光束焊接过程中匙孔之间的相互作用垂直于双光斑连线方向,形成强烈的熔体流动,而单光束焊接熔体向匙孔周围均匀流动。熔体流动方式的不同是导致单、双光束焊缝形貌差异的关键。     

304L不锈钢扫描激光搭接焊熔池流动与焊缝成形研究

针对MARK III型液化天然气(LNG)船围护系统中的304L不锈钢波纹板搭接接头进行了圆形扫描激光焊接工艺研究。对于圆形扫描激光焊接的搭接接头,其下板焊缝边缘存在咬边,且在较大扫描幅度和较高扫描频率下咬边现象尤其明显。通过高速摄影发现,焊接过程中圆形扫描轨迹内部存在未熔化区域。激光斑点除自身的扫描运动外还叠加了沿焊接方向的移动,随着扫描路径的重复叠加,在扫描激光焊接熔池的内部,未熔化区域逐渐减小,最终达到稳定状态。当扫描幅度或频率提高时,单位长度母材吸收的激光能量减小,熔池温度降低,当前扫描周期下形成的熔池前沿快速凝固,从而导致未熔化区尺寸无法进一步缩小。当扫描幅度降至1.5 mm或者扫描频率降至50 Hz时,未熔化区域较小甚至完全消失,咬边现象也随之消失。     

2195-T8铝锂合金激光填丝双面焊熔池行为与接头力学性能研究

铝锂合金以其质轻、高强、耐腐蚀等优势成为新一代航空航天应用材料,与其他铝锂合金相比,2195-T8铝锂合金焊接性能最优。基于液体火箭贮箱连接处的焊接需求,采用激光填丝双面焊接可以获得质量较好的接头。针对焊接过程中熔池内流体流动与温度的变化,建立了热-流耦合数学模型,通过数值模拟的方法对2195-T8铝锂合金焊接过程进行了研究,而后开展了接头轴向拉伸强度测试实验,阐明了焊接速度与填丝速度对熔池成形、流动与热输入的影响,并得到了不同焊接工艺参数下的最高接头强度。研究结果表明：4组不同焊接工艺参数下,第一面焊接与第二面焊接的熔池内流体流动趋势基本一致,主要为熔池左侧的顺时针涡流与右侧的逆时针涡流;提高焊接速度或填丝速度可以改善熔池成形质量,降低熔池热输入,细化焊缝熔合区中以柱状晶为代表的晶粒,进而有效提升接头力学性能;通过对4组不同焊接工艺参数的数值模拟与实验结果进行对比分析,最终得到熔池成形质量最好、热输入最小的焊缝,其接头轴向拉伸强度高达426.4 MPa,为母材强度的72.6%,对应的焊接速度与填丝速度分别为50 cm/min、1.8 m/min。     

焊接速度对高速激光焊熔池流动行为的影响

高速激光焊的多种典型缺陷形成都与熔池流动有关,深入了解熔池流动行为有助于理解高速焊缺陷的形成机理。采用光纤激光进行高速焊接试验,分别研究在功率和热输入一定的条件下焊接速度对熔池流动行为的影响。采用高速摄像实时观察熔池表面的流动行为,通过Ti示踪元素考察熔池内部的流动行为。结果表明,焊接速度提高,熔池表面液态金属向熔池尾部流动的距离增加,熔池内部的中心部位液态金属向熔池底部和尾部流动的距离增加,熔池内部边缘处液态金属流动受焊接速度的影响较小。提高焊接速度,金属蒸气喷出方向与熔池表面的夹角减小,金属蒸气对小孔后沿冲击力的水平分量增大,导致熔池表面液态金属向熔池尾部流动的驱动力增大,流动距离因而增加。     

焊接速度对填材填充激光焊接熔池动态行为影响的数值模拟

研究了焊接速度对填材填充激光焊接熔池动态行为的影响。研究结果表明:焊接速度对填材填充熔池过程中的匙孔三维形貌及熔池流动行为具有显著影响;填材填充激光焊接熔池时,提高焊接速度有利于提高匙孔的稳定性;随着焊接速度提高,匙孔深度以及孔壁底部流动速度的波动幅度减小,维持匙孔张开的驱动力增大,匙孔附近的流场由匙孔壁面向熔池方向流动的趋势增强。     

间隙对5754铝合金激光填丝搭接焊气孔的影响

气孔是5754铝合金激光搭接焊接过程中经常出现的缺陷,它对焊缝的机械性能有很大的影响。实验采用光纤激光器研究了在搭接铝合金板间设置间隙对气孔的影响及其机理,发现,间隙的设置为气孔的逃逸提供了一个通道,气孔率有明显减小的趋势。当间隙从0变化到0.2mm时,由于间隙较小而有毛细现象的发生,搭接间隙气孔的逃逸通道被液态焊缝金属的凝固过程封闭,气孔减小并不明显;当间隙从0.30mm变化到0.75mm时,由于间隙增大,间隙部位的焊缝液态金属发生的毛细现象减弱甚至消失,导致这部分金属距离熔合线很近,表面保持液态,气孔逃逸的通道被打开,气孔有明显减小的变化。实验还发现,随着间隙的增大,搭接焊缝的剪切强度有了很大的提高。     

5083铝合金厚板超窄间隙激光填丝焊成形缺陷研究

针对5083铝合金厚板激光焊接中易出现的未熔合倾向和气孔缺陷问题,利用光纤激光对厚度为20mm的5083铝合金进行了超窄间隙填丝焊接试验。分析了激光功率、焊接速度和送丝速度对未熔合倾向和气孔缺陷的影响。结果表明,增加激光功率、减小焊接速度或送丝速度将会减小未熔合倾向;气孔缺陷将随激光功率和焊接速度的减小而减小,随送丝速度的增加先减小后增大。采用优化的工艺参数,即光丝间距为+1 mm、焊接速度为0.42m/min、激光功率为3.8kW、送丝速度为3.5m/min、离焦量为+20mm,实现了深度为17mm的超窄间隙坡口的5083铝合金激光填丝焊接,焊缝无未熔合缺陷,气孔率减小至0.25%。     

对接间隙对激光填丝焊接头成形与性能影响

为阐明异种钢激光填丝焊接工艺参数对焊缝成形的影响,以不等厚板2 mm 45钢和6 mm 316L不锈钢为试验材料,采用激光填丝焊接方法进行焊接,研究不同对接间隙下的焊缝成形以及焊接接头的力学性能。结果表明,随着对接间隙的增加,余高逐渐减小,焊缝形貌从钉子形向H形过渡,随着对接间隙变大,焊缝形成缺陷。焊缝中心硬度随着对接间隙的增加而减小,焊接接头硬度最高处位于45钢热影响区。焊接接头的抗拉强度随着对接间隙的增加先增大后减小。在对接间隙为0.6 mm时,表面形貌良好且抗拉强度最高,焊接试验断裂位置在2 mm 45钢一侧。     

填材对激光焊接匙孔与熔池三维瞬态行为的影响

建立了填材送入过程的三维瞬态激光焊接热-流耦合模型与组合热源模型,在模型中引入了反冲压力、表面张力、热浮力、重力等焊接驱动力。采用流体体积方法追踪匙孔的气-液界面,研究了填材对匙孔三维形态和熔池流动行为的影响。研究结果表明,在激光填丝焊中,填材不利于维持匙孔的稳定性,容易出现匙孔底部闭合的情况;在激光自熔焊过程中,匙孔壁面呈现由内向外和由下向上的流动趋势,这有利于匙孔的稳定张开。     

激光液态填充焊与常规激光填丝焊特性的对比研究

针对激光填丝焊过程中的焊丝对入射激光能量的反射、匙孔不稳定、光丝对中精度要求高等问题,以铝合金为材料,对比研究了激光液态填充焊与激光填丝焊的填材熔化与填充特性。结果表明,激光液态填充焊中焊丝依靠电弧的作用熔化,液态金属依托底部固态焊丝的导向流入到熔池中,填充过程连续稳定,降低了焊丝对入射激光能量的反射。相比激光填丝焊,熔化的焊丝端部距离匙孔边缘较远,避免了填材对匙孔的直接冲击,而且熔池尺寸较大有利于气泡逸出,降低了铝合金气孔率,明显提高了高速焊、送丝精度的适应性。     

6082铝合金激光填丝焊热影响区的软化现象

采用激光填丝焊方法焊接了6082铝合金,研究了焊接速度对焊接接头热影响区软化的影响。结果表明,当温度为430～560℃时,接头热影响区会发生明显的β″强化相溶解,β″相的数量明显减少,接头的硬度和拉伸强度减小,发生了热影响区的深度软化效应,热影响区的软化区成为接头最薄弱的区域。当激光功率为4250 W,焊接速度为2.7 m·min~(-1)时,接头热影响区的局部深度软化现象得到有效抑制,其平均硬度值大于82 HV,抗拉强度增大至249 MPa,接头的拉伸断裂发生于焊缝。     

熔滴填充位置对激光焊接熔池动态行为的影响

借助熔滴作用下的三维瞬态激光焊接热-流耦合有限元模型,对不同的熔滴填充位置下熔滴进入熔池过程的匙孔三维形貌、熔池金属流动特性进行研究。数值模拟计算结果表明,熔滴填充位置对激光焊接过程中匙孔三维形貌及熔池液态金属的流动行为的影响较大。当熔滴填充位置由0.5 mm增大到1.8 mm时,对匙孔三维形貌变化的影响减弱,熔池内部挤压匙孔前壁和后壁驱使匙孔闭合的流动趋势减弱而维持匙孔壁张开的流动趋势增强,匙孔底部液态金属流动速度的波动幅度减弱。     

FeSiB非晶薄带激光焊焊缝成形及接头力学性能

采用微脉冲激光技术实现了厚度约为25μm FeSiB非晶薄带的搭接,研究了脉冲功率P、脉冲宽度T、脉冲频率F等主要工艺参数对焊缝成形的影响,分析了接头力学性能的变化规律。研究结果表明,当P与T搭配恰当时(P为4.8~7.2 W、T为1.5~1.9 ms、对应脉冲能量E为0.9~1.2 J)才可以获得焊缝成形良好、力学性能优异的焊接接头。随着T的增加,热影响区和焊缝区显微硬度逐渐降低,而随着P的增加,显微硬度先增大后减小;接头抗拉强度随着T和P的增大呈先增大后减小的趋势变化。当P=7.2 W、T=1.7 ms、F=1.5 Hz时,热影响区和焊缝区平均硬度值最高,约为1300 HV和1000 HV,抗拉强度可达363 MPa。     

离焦量对高强钢激光填丝焊熔滴过渡特性的影响

为了研究离焦量对激光填丝焊熔滴过渡及相关特征的影响，获得稳定过渡模式，借助高速摄像系统观察了不同离焦量下的熔滴过渡行为，并将其分为液桥过渡、混合过渡和滴状过渡3种类型进行了分析。结果表明，离焦量为-1mm和+3mm时的液桥过渡模式可以保证焊接过程的稳定性，获得的焊缝质量良好，焊缝截面无气孔等缺陷；而离焦量为+5mm时的过渡模式为滴状过渡，此时焊接稳定性最差，焊接过程中匙孔会完全闭合，焊缝表面成形不规则，焊缝截面底部出现大的气孔。该研究结果对实际生产有指导作用。     

激光快速成形过程熔池行为的实时观察研究

通过建立近距离连续拍摄系统实现了对激光快速成形过程中熔池行为的实时观察,并采用图像分割算法获得了熔池侧视形态,结合熔覆试样的定量金相法获得的熔池前视形态,对熔池进行了定量表征。结果发现,熔池的长度和宽度与光束直径相当,熔池自由表面呈圆弧形并向外凸起,最大熔深处熔池自由表面法向和激光束轴线之间存在夹角,表明熔池向激光束轴线方向倾斜,而熔池在液态存在时间较短,例如光束直径为4mm,光束扫描速度为5mm/s时,熔池在液态存在时间小于1秒。激光熔覆区的高速摄影实验结果发现,随金属粉末的射入,熔池的几何尺寸逐渐减小,熔池后沿不断抬高,最大熔深处熔池自由表面法向和激光束轴线之间的夹角由1度左右逐渐增大到25度左右,导致熔池中局部凝固条件发生改变,从而影响到局部熔覆层的微观组织。