铝合金MIG+激光复合焊接工艺研究

研究轻量化轿车用3A21铝合金M IG 激光复合焊接工艺,探讨工艺参数对焊缝成型的影响规律及激光与电弧的复合作用。试验结果表明,采用M IG 激光复合焊接工艺可以显著提高熔深和焊速,达到采用小功率激光焊机实现铝合金的激光焊接。在比较宽的工艺参数范围内M IG YAG激光复合焊接铝合金具有焊缝成型美观等优点,熔深和焊速均显著提高,大大提高生产率。     

智能化激光MIG复合热源焊接平台研制成功

由中科院福建物质结构研究所、漳州维德焊接技术开发有限公司和福建福晶科技股份有限公司承担的省科技重大专项专题＂千瓦级全固态激光器的研究开发与应用”,近日通过省科技厅组织的专家验收。     

5056铝合金/镀锌钢预置涂粉激光熔钎焊组织及性能研究

针对铝/钢焊接的技术难点,采用预置金属粉末的方法,对5056铝合金与ST04Z镀锌钢板进行CO2激光搭接熔钎焊,分析熔钎焊接头成形、接头连接界面的显微组织及其力学性能。结果表明,选择合适的焊接参数,涂粉后能够实现铝合金与镀锌钢的优质连接;熔钎焊接头没有明显的针状Al-Fe金属间化合物向熔化区析出,且过渡层最大厚度小于10μm,在熔化区边缘和熔化区与铝合金结合处熔钎焊根部出现两个富Zn区,Si、Zn、Mn、Mg等元素与Fe和Al或直接形成化合物,或形成固溶物,抑制了Al与Fe直接接触形成脆硬的金属间化合物;接头拉伸试样断裂形式有母材热影响区断裂和焊缝处断裂两种,焊缝处断裂面在铝熔化区一侧,接头平均机械抗力达190 N/mm,约为母材的85.2%。采用此方法可减小铝/钢熔钎接界面过渡层厚度,获得力学性能良好的熔钎焊接头。     

激光及激光＋电弧复合热源焊接技术的研究与应用

一、概述 激光焊接技术在航空航天、造船、车辆制造等工业领域中的应用日趋广泛,仅就大功率激光焊接使用的设备而言,目前主要采用的是气体激光器和固体激光器。固体激光器与气体激光器相比,其波长短,光束可通过光导纤维传送，可与机器人和焊接专机配合，具有柔性自动化的特点，是焊接用激光器的发展方向。哈尔滨焊接研究所是我国最早开展大功率固体激光焊接技术的研究机构。     

铝合金/黄铜异种金属电弧熔钎焊

采用Zn-15%Al实芯焊丝开展了铝合金/黄铜TIG熔钎焊搭接试验,并对接头力学性能、显微组织和界面层成分进行了测试分析。测试结果发现,焊态下,接头抗拉强度为164MPa;热处理后,接头抗拉强度为160MPa。分析结果表明,热处理后焊缝中的枝晶组织长大,部分柱状晶从界面层脱落进入焊缝,恶化了接头性能。界面层中的金属间化合物主要由CuZn5相组成,以柱状晶向焊缝生长。     

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。     

基于旁路耦合电弧的铝钢MIG熔钎焊研究

实现铝钢良好连接的关键是有效控制焊接热输入,尽量降低中间层铝铁金属间化合物的厚度,一般认为中间层金属间化合物厚度小于10μm时铝钢接头质量良好。提出旁路耦合电弧熔钎焊方法,通过调节旁路电弧电流的大小来控制焊接热输入。在优化控制系统和工艺参数的基础上采用脉冲旁路耦合电弧焊方法将铝镁合金ER5356堆焊到304不锈钢板上,获得结合良好的焊缝。对焊接接头进行扫描电镜(Scanning electron microscope,SEM)、能量色散光谱仪(Energy dispersive spectrometry,EDS)分析,结果表明:铝与不锈钢焊接接头中间层金属间化合物平均厚度约为8μm,小于10μm的临界厚度;脉冲旁路耦合电弧焊方法能够实现铝钢的连接,是一种新型低成本低热输入电弧焊方法。     

镁合金激光-TIG复合热源焊接热源模型的建立及其数值模拟

根据YAG激光-TIG复合热源焊接的物理特征,建立了基于旋转高斯体热源与高斯面热源相结合的新型复合热源焊接模型。该模型的建立并非简单的热源叠加,而要考虑材料本身特性与复合焊接特点。在此基础上,针对镁合金AZ31B进行了复合热源焊接温度场、焊缝断面形状的数值模拟,提出了热源模型建立过程中的参数修改建议。与实测结果比较表明建立在双热源基础上的复合热源模型能准确地模拟镁合金的复合焊接过程;数值模拟结果验证了镁合金复合热源焊接高速、能量增强和热影响区窄的特点。     

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。     

5A06铝合金/T2紫铜镶嵌结构件超声波复合钎焊

研究了Zn-5Al-3Cu钎料超声辅助钎焊5A06铝合金和工业纯铜镶嵌结构的工艺。利用金相、SEM等方法研究了钎缝微观组织特征,探究了超声对钎缝形成过程的影响,讨论了接头的力学性能与微观组织的关系。试验结果表明,镶嵌结构各区域钎缝的组织致密无缺陷。钎缝由树枝晶状α-Al、Zn-Al-Cu-Mg四元共晶组织、η-Zn相和Cu-Al₂化合物构成,5A06铝通过Zn-Al过渡层与钎料组织结合,铜侧界面反应层厚度均匀,约2～3μm,主要由CuZn5化合物构成,部分CuZn5和钎料的界面间可观察到CuAl₂和Al_4.2Cu_3.2Zn_0.7化合物。接头的剪切强度为89～100 MPa,主要断裂于CuZn₅化合物和铜基体的界面处。     

铝合金/钢异种材料熔钎焊接工艺及其研究现状*

铝合金/钢复合结构以具有重量轻、综合性能高等优势在汽车、航空航天、石油石化、电力、船舶等行业具有广泛的应用前景。但二者之间巨大的理化性能差异,使铝合金/钢板异种金属的焊接仍然存在诸多问题。熔钎焊接工艺是基于母材之间存在的熔点差异,通过精确控制焊接热输入,在确保高熔点母材不熔化的前提下,让低熔点母材和填充金属熔化形成熔焊接头,并与未熔化的高熔点母材形成钎焊连接接头,是适合铝合金/钢复合结构优质高效制备的合适焊接工艺。通过对国内外对铝合金/钢熔钎焊接工艺、接头组织性能调控等方面研究现状的综合评述,讨论了铝合金/钢熔钎焊接技术存在的问题,并对铝合金/钢熔钎焊接技术工程化应用所采取的措施进行阐述。     

基于光谱的激光—MAG复合焊耦合机理分析

采用光纤式光谱仪,对激光—MAG复合焊等离子体辐射,进行空间分布200～1100nm间光谱采集。选取特定谱段辐射积分,给出其在紫外辐射(FeII)、可见光辐射(FeI)、红外辐射(ArI)各扫描层面辐射强度分布。进一步结合高速摄像,研究激光—MAG复合焊的耦合机理。研究结果表明,激光与MAG复合后,其等离子体在焊接电弧中心位置的辐射增强(其中紫外和可见光谱段更明显),形成一个辐射梯度较大的辐射增强区。FeI、FeII对应谱段的电弧辐射区间增宽,这种现象在激光作用的电弧前沿更明显。特定谱段辐射的面分布表明,激光—MAG耦合后,辐射在熔池附近及电弧中部的辐射增强,而在电弧上部的辐射减弱。耦合后的等离子体能量分布更集中于中心部位和熔池附近,复合等离子体Fe辐射区间的增宽,也为电弧稳定提供电离通道。耦合后等离子体辐射分布,使得激光复合焊焊缝成形改善、电弧稳定性增加。     

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。     

Al-Cu合金片对钢/铝异种金属激光-MIG复合焊接头组织和性能的影响

采用PLC系统控制的激光-MIG复合焊接工艺对Q890钢/6063铝合金进行异种金属焊接,研究了钢侧坡口表面添加Al-Cu合金片对接头显微组织、硬度和拉伸性能的影响。结果表明:激光-MIG复合焊接接头具有典型的熔钎焊特征;未添加Al-Cu合金片的接头界面层由舌状相Fe2Al5和粗大针状相Fe4Al13组成,厚度约18μm,添加Al-Cu合金片后由舌状相(Fe,Cu)2Al5和细小絮状相(Fe,Cu)4Al13组成,厚度约为9μm,焊缝区与热影响区的组织与未添加Al-Cu合金片时的相似;添加Al-Cu合金片的接头界面层硬度比未添加Al-Cu合金片的低约59HV;添加Al-Cu合金片的焊接接头的抗拉强度比未添加Al-Cu合金片的提高了109.8%,未添加和添加Al-Cu合金片的焊接接头均在界面层断裂。     

6061/A356异种铝合金脉冲MIG搭接焊*

利用直流脉冲MIG焊接技术,进行6061变形铝合金与A356铸造铝合金板材的搭接焊接,并分析接头的力学性能、微观组织及元素分布。拉伸试验结果表明,当A356铸造铝合金板在上,6061变形铝合金板在下,焊枪行走速度为10 mm/s时,搭接接头抗拉强度最高,为95 MPa。接头拉伸试样的断裂位置都位于焊缝区,断裂形式主要为混合型断裂。微观组织及元素分析结果表明,在A356铝合金一侧的部分熔融区内发生Fe和Mg元素偏聚,形成了片状Al-Fe-Si相和颗粒状Al-Fe-Mg-Si相,这两种富Fe相会削弱接头性能。在6061铝合金一侧的部分熔融区内产生了晶界液化,形成了Al-Mg-Si-Cu相+Al固溶体贫化区的液化组织,且该相周围有Fe元素偏聚。三角区是接头中最薄弱的位置,接头拉伸试样均起裂于此并最终断裂于焊缝。     

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。     

Modeling,Simulation and Control of Pulsed DE-GMA Welding Process for Joining of Aluminum to Steel

Joining of aluminum to steel has attracted significant attention from the welding research community,automotive and rail transportation industries.Many current welding methods have been developed and applied,however,they can not precisely control the heat input to work-piece,they are high costs,low efficiency and consist lots of complex welding devices,and the generated intermetallic compound layer in weld bead interface is thicker.A novel pulsed double electrode gas metal arc welding（Pulsed DE-GMAW）method is developed.To achieve a stable welding process for joining of aluminum to steel,a mathematical model of coupled arc is established,and a new control scheme that uses the average feedback arc voltage of main loop to adjust the wire feed speed to control coupled arc length is proposed and developed.Then,the impulse control simulation of coupled arc length,wire feed speed and wire extension is conducted to demonstrate the mathematical model and predict the stability of welding process by changing the distance of contact tip to work-piece（CTWD）.To prove the proposed PSO based PID control scheme’s feasibility,the rapid prototyping experimental system is setup and the bead-on-plate control experiments are conducted to join aluminum to steel.The impulse control simulation shows that the established model can accurately represent the variation of coupled arc length,wire feed speed and the average main arc voltage when the welding process is disturbed,and the developed controller has a faster response and adjustment,only runs about 0.1 s.The captured electric signals show the main arc voltage gradually closes to the supposed arc voltage by adjusting the wire feed speed in 0.8 s.The obtained typical current waveform demonstrates that the main current can be reduced by controlling the bypass current under maintaining a relative large total current.The control experiment proves the accuracy of proposed model and feasibility of new control scheme further.The beautiful and smooth weld beads are also obtained by t     

相对摩擦速度对异种金属摩擦焊接接头的影响

为提高发动机涡轮转子摩擦焊接的质量，对不同相对摩擦速度下K418 42CrMo摩擦焊接接头性能、金相组织、拉伸断口及元素成分进行了分析。结果表明，相对摩擦速度越高，摩擦界面温度越高，合金元素扩散距离越大。主轴转速过低时，摩擦界面轴心部位产生了未焊合缺陷；当主轴转速过高，在焊合区外圈产生了沿着次生摩擦面的碳化物带，导致接头低应力破坏。分析认为，42CrMo与K418两种材料的焊接温度应控制在900～1210C之间。     

汽车半轴45钢的表层堆焊修复及焊后热处理

采用等离子弧堆焊工艺对45钢表层堆焊高铬高镍粉末合金,并对堆焊试样整体分别进行空冷及500℃焊后热处理。利用金相显微镜、显微硬度计、冲击试验机对焊后空冷及焊后热处理条件下的焊接热影响区及堆焊层的组织、硬度、断口形貌进行分析。试验结果表明,焊后不同处理条件下热影响区及堆焊层的组织形貌、硬度及焊接熔合区的断口形貌具有较大差异。焊后空冷条件下,热影响区主要为方向各异的针片状魏氏体,堆焊层主要为粗大的针状马氏体。热影响区与堆焊层之间的硬度梯度较高,且堆焊层硬度均匀性较差,同时焊接熔合区的冲击韧性较低。焊后500℃热处理条件下,热影响区的魏氏组织转变为大小均匀的粒状铁素体和珠光体,堆焊层转变为细小的板条状回火马氏体,焊接热影响区与堆焊层之间硬度梯度明显降低,同时堆焊层的硬度分布均匀且焊接熔合区冲击韧性较高。