激光-电弧复合焊技术在长输管道焊接中的研究进展

重点介绍了国内外管道激光焊接技术的发展,对不同类型激光器的激光-电弧复合焊技术在油气长输管道焊接上的研究进展和应用进行了详细回顾。结果表明,CO2激光器和闪光灯触发的Nd:YAG激光器由于传输方式和效能的不利因素,不适于油气管线长途作业,而高能Yb光纤激光技术推进了激光-电弧复合焊接技术在管道焊接现场应用的步伐;同时,对目前该技术在应用中存在的问题进行了总结分析;最后对激光-电弧复合焊技术在管道焊接上的应用前景进行了展望。激光-电弧复合焊技术已在试验室条件下成功焊接了管径1 219 mm、钝边高度8 mm的X80钢管,焊缝外观和焊缝力学性能均能满足长输管道焊缝合格标准要求,但后续为适用长输管道现场焊接,还需进行焊接工艺现场适应性试验。创新点： 针对激光-电弧复合焊技术应用于管道焊接存在的共性问题进行分析总结,提出激光-电弧复合焊在现场应用的具体解决措施,为后续激光-电弧复合焊最终在现场应用提供可行的解决方案。     

激光焊离焦量对底部驼峰的影响

针对激光焊接过程中容易存在底部驼峰缺陷的问题,文中设计了以离焦量为单一变量的多组SUS 304不锈钢钢板的焊接试验,结合现象、检测信号、机理,对底部驼峰缺陷产生的原因进行深入研究,探明其与能量集中吸收区域的关系,并试图找到抑制底部驼峰的合理工艺参数。结果表明,底部驼峰的产生与小孔内能量集中吸收区域有关,而随着焦点位置下降,能量集中吸收区域呈现先下移后上移的变化规律,底部驼峰趋势先减弱后增强,故合理选取离焦量可有效抑制底部驼峰的产生;另外,在底部驼峰趋势突变现象的研究中,发现激光深熔焊接过程中普遍存在着能量集中吸收区域下移的规律,这为后续激光焊接状态实时监控提供了依据。     

激光焊离焦量对底部驼峰的影响

针对激光焊接过程中容易存在底部驼峰缺陷的问题,文中设计了以离焦量为单一变量的多组SUS 304不锈钢钢板的焊接试验,结合现象、检测信号、机理,对底部驼峰缺陷产生的原因进行深入研究,探明其与能量集中吸收区域的关系,并试图找到抑制底部驼峰的合理工艺参数。结果表明,底部驼峰的产生与小孔内能量集中吸收区域有关,而随着焦点位置下降,能量集中吸收区域呈现先下移后上移的变化规律,底部驼峰趋势先减弱后增强,故合理选取离焦量可有效抑制底部驼峰的产生;另外,在底部驼峰趋势突变现象的研究中,发现激光深熔焊接过程中普遍存在着能量集中吸收区域下移的规律,这为后续激光焊接状态实时监控提供了依据。     

激光功率对激光-双丝脉冲MIG复合焊接电弧形态及熔滴过渡的影响

通过搭建激光-双丝脉冲MIG复合焊接系统,利用高速摄像与电信号采集系统对激光-双丝脉冲MIG复合焊接在不同激光功率下的电压电流信号及高速摄像信号进行同步采集,研究激光功率对焊接过程的电弧形态、熔滴过渡过程的影响.结果发现,由于激光等离子体与电弧等离子体的相互作用,电弧形态和熔滴受力状态发生改变.随着激光功率的增大,激光对电弧的吸引能力增强,促进熔滴过渡的等离子流力竖直向下的分力减小,熔滴过渡频率降低.     

Q345钢激光电弧复合焊横焊工艺研究

采用激光-电弧复合焊技术进行储罐用钢板横向焊工艺焊接Q345钢,分析了影响焊缝成形的各种因素,并测试了焊缝的力学性能。结果表明,激光输入功率主要影响熔深及背面成形,光丝间距影响复合效果。焊缝硬度高于母材,韧性低于母材。调整激光输入功率与电弧功率,可以改变激光电弧复合焊对工况的适应性。试验结果表明,对于横向焊,当错边量达到2 mm,间隙达到1.3 mm时仍能获得合格的焊缝。     

长输管道全位置激光-电弧复合焊接技术

采用激光-电弧复合焊接技术开展管道的全位置激光-电弧复合焊接可行性研究．结果表明,激光-电弧复合焊接工艺能够适应管道环焊缝焊接的要求．在从0°～180°的焊接过程中,通过调整焊接参数,均能够获得成形良好的焊缝．金相观察表明,母材和焊材熔合良好;焊接接头中心区狭长,具有激光焊的特点;热影响区具有电弧焊的特点;金相组织不受位置影响．焊接接头的硬度接近母材,抗拉强度接近或超过母材;在无内部缺陷的情况下,弯曲试验和冲击试验结果满足现行标准要求．     

激光-电弧复合热源焊接技术

具有焊接质量好、焊接速度快等优点的激光-电弧复合热源焊接技术,已经广泛地应用于汽车、航空等工业的薄壁金属焊接中.然而,常用的激光源价格昂贵、体积庞大并且电-光转换效率低,大大限制了复合焊技术的推广和应用.新一代高性能激光-光纤激光的开发和应用拓宽了激光-电孤复合热源焊接技术的应用范围,使其更易于实现工程化.通过介绍当前世界上激光-电弧复合热源焊接技术的应用和研究情况,展现了激光-电弧复合热源焊接技术广阔的应用前景,阐述了其发展方向.     

激光-等离子弧复合焊技术的研究进展

激光-等离子弧复合焊技术是一种具有较好工业应用前景的新技术,目前已经引起了国内外研究人员的重视。已发表的研究文献表明,与单独激光焊相比,此技术可显著提高焊接速度和间隙适应能力,有效地减少气孔和热裂纹,改善焊缝成形质量,可应用于剪裁拼板焊、涂层钢的搭接焊、填丝焊、薄板高速焊及表面合金化,适合于低碳钢、不锈钢及铝合金等材料,且能用于立焊。为了使该技术尽快应用于工业生产中,今后需加强复合焊炬的开发、焊缝成形机理以及关于此技术新的应用领域的研究。     

保护气体对激光+双丝MAG复合焊焊缝形貌和电弧特性的影响

在激光+单电弧复合焊工艺的基础上,通过再添加一个电弧的方式,形成激光+双丝脉冲MAG复合焊工艺。研究了保护气体为φ(Ar)80%+φ(CO2)20%(情况A)和φ(Ar)40%+φ(CO2)10%+φ(He)50%(情况B)时对激光+双丝MAG复合焊焊缝表面成形和电弧特性的影响。利用LabVIEW信号采集系统和高速摄像系统同步采集焊接电流、电弧电压波形和电弧形态。结果表明,在焊缝表面和焊道两侧边缘处,肉眼可见斑点状、不连续的氧化物,情况A与情况B相比,情况A氧化物含量高,熔宽小;而情况B焊道平整,鱼鳞纹清晰。情况A中由于CO2含量较高,使其对电弧的冷却作用增强,减弱了激光对电弧的稳定作用,断弧次数比情况B多。     

数字激光视觉在激光焊和复合焊接中的应用

为了获得更高焊接速度下的焊接高质量,激光焊接或激光电弧复合焊接通常需要自动化的控制系统。智能的数字激光视觉技术能保证激光或激光电弧复合热源准确地对中焊缝,在焊接时根据所测量的间隙和错边等数据实时地调整焊接过程参数,并在线检测焊后焊缝成形和探测表面缺陷。DIGILAS/MDL智能激光焊接模块在激光拼焊中的应用和数字激光视觉在结构型材、船板、管件及直缝焊管等的激光电弧复合焊系统中的应用,说明激光视觉已成为激光焊接和激光电弧复合焊接系统中提高焊接质量和一致性、增加有效焊接时间和降低总体焊接生产成本的关键组件。     

激光-电弧复合焊接过程中高频干扰的消除

激光-电弧复合焊接过程中,由于引孤产生的高频干扰了激光器的控制系统,造成了激光和电弧不能实现复合焊接.通过分析研究高频引弧对焊接电源和激光器的干扰途径,采取相应的措施,有效地消除了高频干扰问题,成功实现了激光和电弧之间的复合焊接.     

自保护药芯焊丝激光—电弧复合热源焊接电弧稳定性的分析

以自保护药芯焊丝（414N-O）为研究对象,借助电弧分析仪和高速摄像,对不同工艺参数下激光—电弧复合热源焊接电弧稳定性进行了试验研究.结果表明,复合热源焊接过程中,激光的加入明显的减小了自保护药芯焊丝电弧作用点漂移概率,拉长了电弧空间,降低了熔滴短路过渡概率,提高了电弧稳定性;工艺参数中,光丝间距和送丝速度对平均焊接电流影响显著;电弧电压和送丝速度对平均焊接电流变异系数影响显著;激光功率对平均焊接电流的影响幅度与光丝间距和送丝速度有关,光丝间距和送丝速度越大,激光功率对平均焊接电流的影响越小;电弧电压对平均焊接电流的影响幅度与光丝间距有关,光丝间距D_LA=0 mm时,影响最显著;激光前置比激光后置更有利于平均焊接电流变异系的稳定.     

激光-电弧复合焊接的应用

阐述了激光-电弧复合焊接的基本原理和优势;介绍了目前国内外激光-电弧复合焊接设备及其在汽车,造船、石油化工等制造业中的工业应用,由于激光-电弧复合焊接设备投资相对减少,生产效率提高,产品单元消耗成本降低,所以激光-电弧复合焊接工艺特有着非常广泛的应用前景。     

超高功率激光-电弧复合焊接特性分析

为了对超高功率激光-电弧复合焊接过程特性有深入的理解. 借助高速摄像,以焊接过程中羽辉和飞溅为主要研究对象,对比分析了激光功率从5 kW增加到30 kW时,激光热源与不同电弧热源复合,以及是否填丝对焊接特性的影响规律. 结果表明,激光功率增加,羽辉和飞溅面积的均值都呈增加趋势,两者的波动程度也呈上升趋势;冷丝的添加在降低焊缝熔深的同时使激光-MAG复合焊接过程中的稳定性变差;激光-TIG复合填丝焊接过程的稳定性明显优于另外两种焊接形式;高功率激光复合焊接时,高温羽辉对激光的散射和吸收作用会使熔深增加趋势放缓.     

基于Labview的脉冲激光-电弧复合焊接相位匹配触发控制系统

介绍了基于NI Labview开发的脉冲激光-电弧复合焊接相位匹配触发控制系统.应用NI PCI6221数据采集卡对交流电弧信号进行采集,通过上位机对数据进行实时处理并捕获电弧特征点,从而精确识别电弧相位,实现在特定电弧相位对单脉冲激光的连续触发.提出了加锁触发思想,消除了激光的误触发,并实现了脉冲激光与电弧间的倍频关系及激光器的触发频率保护功能.结果表明,该系统实现了电弧特定相位与激光脉冲的精确触发控制,为脉冲激光与交流电弧能量的柔性复合以及两种热源相互作用机理研究提供了技术支持.     

Effect of welding current and speed on occurrence of humping bead in high-speed GMAW

The developed mathematical model of humping formation mechanism in high-speed gas metal arc welding (GMAW) is used to analyze the effects of welding current and welding speed on the occurrence of humping bead. It considers both the momentum and heat content of backward flowing molten jet inside weld pool. Three-dimensional geometry of weld pool, the spacing between two adjacent humps and hump height along humping weld bead are calculated under different levels of welding current and welding speed. It shows that wire feeding rate, power intensity and the moment of backward flowing molten jet are the major factors on humping bead formation.     

高速TIG-MIG复合焊焊缝驼峰及咬边消除机理

搭建了TIG-MIG复合焊试验平台及电参数-高速图像同步采集系统,进行了一系列低碳钢高速TIG-MIG复合焊工艺试验,研究了高速TIG-MIG复合焊的电弧形态、熔滴过渡及熔池行为对焊缝成形的影响,并确定了合适的匹配参数.结果表明,MIG焊电流在240~300 A,且TIG焊电流与MIG焊电流相当时,TIG-MIG复合焊焊接过程稳定,即使在焊接速度高达2.5 m/min时,焊缝仍无驼峰、咬边等缺陷,与传统MIG焊相比,熔深增加,熔宽减小.TIG-MIG复合焊由于电弧间的相互作用,两电弧指向发生偏转,电弧压力减小,焊接过程不产生弧坑,且熔宽变窄,这是避免驼峰和咬边缺陷的主要原因.     

外加磁场对CO2焊飞溅的控制机理

用纵向磁场控制CO2气体保护焊飞溅，以低碳钢Q235为试验对象，在不同焊接工艺参数下进行了有、无外加纵向磁场的焊接对比试验，并且改变外加磁场的大小，测试了不同磁感应强度下的焊接飞溅率。探讨了外加纵向磁场控制焊接飞溅的机理。试验表明，在一定的焊接规范下，外加纵向磁场能有效地控制CO2焊短路过渡中的焊接飞溅，获得较好的工艺效果；同时，存在一个最佳的磁场范围，在这个范围内，磁场对飞溅的控制效果较好。