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。     

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.     

不锈钢工件电弧手工焊工艺研究

通过优化工艺,采用电弧手工焊对化工生产装置不锈钢工件进行焊接及堆焊,顺利实现了不锈钢工件的尺寸恢复,经检测不锈钢工件符合要求并投入正常使用。     

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。     

原位内生TiC对激光-电弧复合焊接高强钢接头组织和性能的影响

以高强钢为试验材料,采用CO2激光-熔化极活性气体保护焊(Metal active gas arc welding,MAG)复合焊接方法,研究原位内生Ti C对高强钢焊接接头组织和性能的影响。研究结果表明:原位内生Ti C颗粒能够细化焊缝组织,对高强钢焊接接头的综合性能有很大的提高,其中wCNT∶wTi=15%的焊缝上部中心区主要由树枝晶组成,二次枝晶平均宽度为8.4?m。焊缝下部主要由大量的等轴晶组成。而未加粉焊缝上部中心区主要由大量柱状晶组成,柱状晶平均宽度为13.25?m焊缝下部主要由大量细小柱状晶组成。通过断口分析知,wCNT∶wTi=15%焊缝处的断口处产生大量细小韧窝,焊接接头主要是韧性断裂,而未加粉的焊接接头主要是脆性+韧性断裂。通过力学性能测试知,原位内生Ti C对高强钢激光-电弧复合焊接接头的冲击吸收能量、弯曲能量度及硬度都有明显提高,但是对抗拉强度影响不大。     

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。     

城轨不锈钢车辆门角激光-MAG复合焊工艺研究

介绍了城轨车辆不锈钢车体门角激光-MAG复合焊工艺的初步研究过程及成果。通过选用不同的焊接工艺参数规范对车体门角进行激光-MAG复合焊焊接,对焊接接头进行相关性能检测,选定出适合该焊接接头的激光-MAG复合焊工艺参数及焊接顺序,对焊接过程中出现的气孔及未焊透等焊接缺陷进行了原因分析,制定出车体门角进行激光-MAG复合焊焊接工艺。     

LY12CZ铝合金激光搭焊工艺研究

通过对LY12CZ铝合金填充LY12和A1-Y焊粉激光搭接焊缝的金相组织分析、显微硬度测试,研究如何有效控制JHM-1GX-200B型YAG脉冲式激光器搭焊LY12CZ铝合金的有关工艺参数,从而使焊缝达到较好的性能。研究结果表明,填充LY12和A1-Y两种不同的粉末对LY12材料进行搭焊处理,粉末和基体均结合牢固,但LY12粉焊缝的硬度总体高于A1-Y粉焊缝的硬度。由于焊缝靠近基体位置有退火过程,强化相析出聚集长大,强化作用下降,其显微硬度分布规律由基体向焊缝中心过渡呈现下降的趋势。同时由于焊缝内部气孔、裂纹的缺陷较多,造成焊缝各点硬度分布不均匀,且相差较大。     

TIG电弧预热辅助铝-铜超声波缝焊工艺研究

对1 mm厚铝-铜TIG电弧预热辅助超声波缝焊试验进行了研究,通过金相显微镜、扫描电子显微镜、能谱分析等技术分析了不同TIG电流对焊缝成形、界面温升、界面形貌以及力学性能的影响。结果表明,TIG电弧预热可以软化板材,有助于高频振动能量的传递,为得到良好的缝焊接头提供条件。在TIG电弧预热和纯铝夹层的共同作用下,界面处温度最高可达446℃。当TIG电流较小时,电弧预热不充分,焊接界面处起伏比较平缓,局部区域出现未连接现象,拉剪试件在铝铜界面处断裂;当TIG电流增大到30 A时,在电弧热和高利用率的高频振动能的作用下,界面塑性流动程度提高,界面处出现"嵌合"、"连续凸起"等典型形貌,EDS分析显示界面未出现金属间化合物,拉剪试件断裂在紫铜母材上,最大拉剪力为2.58 kN。     

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。     

TA2薄板电弧辅助激光高速焊接的焊缝成形稳定性

针对0.5 mm纯钛TA2薄板的电弧辅助激光焊高速焊接(Arc-assisted laser welding,AALW),建立自熔焊在全熔透条件下两种热源模式激光引导(Laser lading,LL)和电弧引导(Arc leading,AL),焊接参数变量与焊缝成形指标的较高精度非线性回归模型,分析AALW焊接参数变量...     

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。     

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。     

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-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.     

3A21铝合金激光焊与激光-氩弧焊复合焊微观组织及性能比较研究

采用激光焊接与激光-氩弧焊复合焊接2种方式对厚度为2mm的3A21铝合金板材进行对接焊,研究2种焊接方式下焊接接头微观组织、缺陷分布及硬度分布的不同。实验结果显示激光-氩弧复合焊接接头相比激光焊的接头显微组织更细密,且气孔数量明显减少。激光焊接接头的平均显微硬度与复合焊接头平均显微硬度相差不大,分别为52HV左右及51.3HV左右,均明显高于基体平均显微硬度值43HV。     

高强钢厚板激光-GMAW复合双面同步横焊特性研究

针对30 mm厚船用高强钢10Ni5Cr Mo V对接接头横焊应用需求,开展激光-熔化极气体保护电弧(Gas metal arc welding,GMAW)复合双面同步横焊特性研究。研究结果表明,针对横焊位姿因重力、非对称坡口对熔滴、电弧的影响,利用激光对电弧的吸引和收缩作用,通过减小光-丝间距,有效地抑制了电弧侧壁燃弧,熔滴在电磁力和等离子流力的作用下,稳定过渡到熔池中,实现了熔滴过渡稳定性控制,解决了激光-GMAW复合横焊位姿电弧偏离和熔滴下落等过程控制难题与侧壁未熔合问题;厚板激光-GMAW复合双面同步横焊包括打底层和填充层焊接,其中打底层焊接是保证接头焊接质量的关键;采用激光-GMAW复合双面同步横焊新方法,4道焊接完成了30 mm厚船用高强钢10Ni5Cr Mo V横焊位姿的高强、高效连接。焊缝表面成形良好,无裂纹、未焊透和侧壁未熔合等缺陷。接头的抗拉强度高于母材,且其–50℃冲击吸收能量为57.3 J。     

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。     

低成本钛合金激光-电弧复合焊接仿真分析

以10 mm的TC4LCA钛合金板为母材,建立TC4LCA板材有限元焊接接头模型,应用Marc软件对热源进行校核,校核结果吻合度较好,并对温度场和应力场进行模拟计算,结果表明焊缝底部位置存在较大残余应力,是焊接缺陷敏感区域;焊后试件中间位置横截面横向残余应力呈现上表面与下表面两端受压、中间受拉的状态,板厚方向残余应力数值较小。     

不锈钢板激光光束摆动叠焊工艺研究

采用光纤激光器和D50摆动激光头进行不锈钢板激光叠焊工艺研究,分析了5种激光光束摆动方式对焊缝成形和气孔率的影响规律,并对直线形光束摆动方式下的焊接工艺参数进行了优化。研究结果表明：相对于常规激光焊接,5种激光光束摆动方式焊接均能有效增大叠焊板结合面熔宽,并可抑制焊缝气孔的产生。在直线形光束摆动方式下,随着激光功率增大或焊接速度减小,焊缝熔深和结合面宽度均增大;随着摆动频率增大,熔深则相应减小;随着摆动振幅增大,焊缝截面形状由丁字形向椭圆形、梯形转变。当激光功率、焊接速度、离焦量、摆动振幅和摆动频率分别为3 kW、2.4 m/min、5 mm、1.5 mm和300 Hz时可获得成形好、气孔较少、剪切强度较高的叠焊接头。