CO2激光-MAG电弧复合焊接中保护气体对熔滴过渡和焊缝形貌的影响

采用CO2激光器和MAG焊机在5mm厚高强度钢板上进行了复合焊接试验,同时,采用高速摄像机对等离子体形态、复合焊接稳定性以及熔滴过渡行为进行了研究.结果表明,保护气体参数对焊接过程的稳定性、熔滴过渡行为和焊缝形状的影响至关重要.伴随着气体流量的增加(由15L/min增加到35L/min),焊接过程由稳定变得不稳定,焊接熔深先增大后减小,等离子体高度、熔滴过渡频率和熔滴分离速度呈减小的趋势,熔滴直径呈增大的趋势.此外,He含量增加到一定值时会导致引弧不稳定,造成焊缝表面产生缺陷.     

激光-电弧复合焊接工艺参数对焊缝形貌及焊接稳定性的影响

以150 mm×30 mm×8 mm的高强钢板为试验材料,采用YAG激光-熔化极活性气体保护焊(MAG)电弧复合焊接方法,研究了各参数(主要包括激光功率P、光丝间距DLA、电流I、电压U等)对焊接熔深、熔滴的过渡特征和焊缝的截面形貌的影响。结果表明:在改变焊接熔深时, 激光功率起到主导的作用, 同时激光与电弧间存在最佳的能量匹配值, 当激光功率约为电弧功率的2/3时, 焊接熔深的增加最为显著; 激光功率P与光丝间距DLA对熔滴过渡的受力有很大的影响, 从而决定了熔滴的尺寸大小与过渡频率, 而电弧能量对熔滴的过渡模式起主导作用; 在焊缝截面形貌中, 激光功率P主要影响熔深及熔深面积, 电弧能量主要影响焊缝宽度及余高面积, 且各参数的改变, 余高的变化量均很小, 而热影响区(HAZ)宽度及面积与总的热输入量成正比, 热输入量越大热影响区(HAZ)越大。     

CO_2激光-MAG电弧复合焊接工艺参数对熔滴过渡特征和焊缝形貌的影响

以7.0 mm厚高强钢板为试验材料,采用CO2激光-熔化极活性气体保护焊(MAG)电弧复合焊接方法,研究了电弧能量、激光能量、光丝间距等参数对复合焊接熔滴过渡特征、工艺稳定性和焊缝形貌的影响。结果表明,CO2激光-MAG电弧复合焊接过程中,激光的加入,降低了激光匙孔附近等离子体通道的电阻,使电弧被吸引并压缩至激光匙孔处,从而使电弧阴极斑点更加稳定。电弧能量决定熔滴过渡的模式,激光能量主要影响熔滴的过渡频率。当电弧能量小于4 kW时,熔滴过渡模式为短路过渡和颗粒过渡或是二者的混合过渡;当电弧能量大于4.68 kW时,熔滴的过渡模式为射滴过渡。熔滴的过渡模式对获得稳定的可重复焊接工艺至关重要,射滴过渡比短路过渡更有利于焊接过程的稳定。热源间距保持在2~4 mm的范围内,避免熔滴干扰激光匙孔和熔池产生紊流。     

激光-MIG复合焊接熔滴过渡对焊缝表面成形的影响

熔滴过渡特性对于保证激光-电弧复合焊接成形质量十分重要。利用高速摄像机采集激光-熔化极惰性气体保护焊(MIG)复合焊接过程中的熔滴过渡图像,通过图像信号处理方法提取电弧感兴趣区域(ROI区域)面积、熔滴速度、熔滴过渡周期等特征,分析熔滴过渡特征与焊缝成形的关联;利用短时傅里叶变换和谱熵对电弧ROI面积进行时频分析,研究功率谱谱熵与熔滴过渡稳定性之间的规律。结果表明：熔滴过渡频率与熔滴速度有一致的变化趋势,稳定的熔滴过渡能提高焊缝成形的均匀性;功率谱谱熵能表征焊接过程的稳定性,当熔滴过渡失稳时,短时对数功率谱变得紊乱,瞬时谱熵增大,焊缝熔宽减小,表面铺展性降低。     

铝合金CO2激光电弧复合焊保护气体影响研究

为了研究保护气体对铝合金CO2激光-熔化极惰性气体保护电弧复合焊的焊缝成形和熔深等的影响,采用不同流量的He和Ar混合保护气体在5052铝合金板上进行激光-熔化极电弧复合焊工艺试验的方法,进行了理论分析和实验验证,取得了焊缝成形、熔深、焊接电压等数据。结果表明,复合焊时采用单He气会造成熔化极惰性气体保护焊的电弧电压增大,电弧稳定性变差,从而影响铝合金CO2激光-熔化极惰性气体保护焊复合焊的熔深,少量的Ar气加入有利于改善焊缝表面质量和稳定电弧,提高焊缝熔深的效果,当V(Ar):V(He)=5:25时,熔深最大,但He气中加入大量的Ar气会降低焊缝熔深,甚至抑制激光深熔焊接;当采用纯Ar气作为保护气体时,虽然焊缝成形美观,但焊缝熔深很小。这一结果对铝合金CO2激光-熔化极惰性气体保护电弧复合焊焊缝成形质量分析具有较好的理论和工艺指导意义。     

脉冲电弧对激光脉冲电弧复合焊熔滴过渡与飞溅的影响

采用高速摄影技术、宏观金相和焊接电信号采集对激光脉冲电弧复合焊焊缝成形形貌、熔滴过渡和焊接飞溅进行了研究。结果表明:采用激光脉冲电弧复合焊能改善焊缝成形,同时明显改变了焊接电流、电弧电压以及熔滴过渡模式。激光非脉冲电弧复合焊的熔滴和熔池以及熔滴和焊丝之间形成的液桥在过大电磁收缩力的作用下发生爆炸,此外,熔池表面的熔滴在电弧力和内部气体膨胀的作用下发生爆炸,从而产生飞溅。而采用激光脉冲电弧复合焊接工艺能明显降低焊接飞溅,这主要是因为脉冲电弧降低了短路过渡时的电流以及熔池的震荡。     

不同波长激光-MAG电弧复合焊接焊缝成形与熔滴过渡特征研究

以5.0 mm厚高强钢板为实验材料, 采用高速摄像拍摄及汉诺威分析仪, 对比研究了CO2激光-MAG电弧旁轴复合焊接与Nd∶YAG-MAG激光电弧旁轴复合焊接在不同的激光功率下的焊缝形貌、熔滴过渡形态、工艺稳定性及电信号差异。结果表明, 在焊接电流I＝180 A, 电流电压U＝26 V, 焊接速度v＝1.2 m/min时改变激光功率发现, 相同激光功率比较Nd∶YAG-MAG激光电弧复合焊的焊缝面积与热影响区面积明显更大且表面飞溅较少; Nd∶YAG-MAG激光电弧复合焊熔滴过渡频率更高, 过渡形式基本为射滴过渡; 采集的电信号也显示Nd∶YAG-MAG激光电弧复合焊更加稳定。     

CO2激光-MIG复合焊接射滴过渡的熔滴特性

本文以 5 .0mm厚LF6防锈铝合金板为试验材料 ,进行了CO2 激光 -MIG电弧射滴过渡的旁轴复合焊接试验。试验结果表明 ,在激光锁孔效应下 ,CO2 激光 -MIG复合焊接铝合金不仅具有在较宽的参数范围内焊缝成形美观 ,熔深熔宽增加 ,无气孔等优点 ;而且还发现 ,与单MIG焊接的熔滴过渡特性相比 ,复合焊接过程中一方面由于激光能量和激光锁孔效应产生的大量金属等离子体对熔滴的热辐射作用 ,促进了熔滴过渡 ;另一方面由于激光等离子体对熔滴的吸引力和金属蒸气对熔滴的反冲力又阻碍了熔滴过渡 ,两者综合作用改变了熔滴过渡方式和过渡频率。在此基础上 ,通过对复合焊接过程中焊接电流和电弧电压波形以及熔滴过渡特征的分析 ,进一步研究了激光功率、激光与电弧的作用位置以及激光束离焦量对复合焊接过程中熔滴过渡频率的影响规律。     

铝合金激光-短路过渡熔化极惰性气体保护焊复合焊焊缝成形改善

铝合金短路过渡熔化极惰性气体保护焊(MIG)焊缝成形较差、熔深浅。利用高速摄像与电信号同步采集系统,研究了铝合金MIG焊短路过渡时的熔滴过渡特性,解释了铝合金采用短路过渡焊接时焊缝成形差的原因。采用激光与电弧旁轴复合焊接形式,发现激光的加入改变了铝合金短路过渡的熔滴特性,当激光功率在某一临界值以下时,熔滴过渡稳定,焊缝成形得到显著改善;当激光功率超过临界值时,熔滴过渡不稳定,焊缝成形改善效果不明显。对比传统MIG和激光-MIG焊在采用短路过渡焊接铝合金时的焊缝宏观形貌,激光的加入使熔滴铺展良好,余高降低,熔深增加。研究表明,激光的加入,将工程上焊接铝合金时不常应用的短路过渡MIG焊接形式变得有实际应用价值。     

热源角度对6A01铝合金激光-MIG复合焊成形及气孔的影响

采用激光-MIG复合焊接对轨道交通铝合金型材进行焊接研究,从焊接成形、气孔缺陷和熔池行为等方面研究了热源与焊接方向的夹角对于焊接特性的影响。结果表明,增大激光与焊接方向的夹角可使熔深、熔宽降低,当激光夹角从82.5°增加至110°时,熔深下降了50%,熔宽下降了25%,增大热源角度有利于焊缝中气孔逸出,当激光角度由82.5°增大至97.5°时,焊缝气孔率由3%下降至0%,增大电弧角度也有利于减少气孔。不同热源角度下熔滴过渡方式均为射滴过渡,增大激光和电弧与焊接方向的夹角会促使熔池变长。Fluent模拟结果说明热源夹角影响能量传播,增大激光角度会减弱能量向深度方向的传播,增大电弧角度会扩大其加热范围,进而增加熔池长度,提升熔池存在时间,有利于气孔排除。     

CO2激光-MAG电弧复合焊接过程中熔滴受力及过渡特征研究

以5.0mm高强钢板为试验材料,进行了CO2激光与金属活性气体(MAG)电弧复合焊接试验。通过高速摄像和熔滴的受力分析研究了激光能量、电弧能量、光丝间距对复合焊接过程中熔滴过渡特征的影响。结果表明,激光的加入稳定了电弧,降低了射滴过渡的临界焊接电流值,由于激光对电弧的引导和压缩作用,改变了熔滴内电流线分布及电磁收缩力的大小及方向,进而影响了熔滴过渡特征。同时激光匙孔中喷射出大量的金属蒸气产生反作用力,改变了熔滴原来的受力状态,使熔滴过渡模式发生改变。随着焊接电流的增加,电弧变得更加稳定,能量更加集中,等离子体流力成为熔滴过渡的主导力。光丝间距的大小影响了熔滴过渡的频率,在光丝间距为4mm时熔滴频率最大。     

激光-MIG复合热源焊接熔滴过渡力学行为分析

针对激光等离子体和电弧等离子体共同作用下的熔滴过渡，根据气体动力学和静态力学平衡理论，对CO2激光-惰性气体金属弧焊(MIG)复合焊接过程中熔滴的复杂受力状态及其力源的产生与作用原理进行了深入分析。结果表明，一方面由于激光焊接过程中材料剧烈气化时产生的大量金属蒸气射流，对熔滴形成了巨大的反冲作用力，阻碍了熔滴过渡;另一方面，由于激光焊接产生的等离子体改变了原有惰性气体金属弧焊电弧等离子体形成路径，从而改变了原有焊接熔滴中的电流密度分布和流向而形成了一个新的复合电弧收缩力。两者综合作用降低了复合焊接熔滴过渡频率，破坏了焊接稳定性。在此基础上，进一步研究了焊接参数对金属蒸气反作用力、复合电弧收缩力等的影响规律，并采用数值分析的方法推导出了它们的数学描述;定量分析了复合热源作用下熔滴的受力机制，揭示了复合热源焊接过程中熔滴受力状态与焊接稳定性之间的内在关系。     

低碳钢CO2激光-脉冲MAG电弧复合焊接工艺研究

为了进一步了解激光-电弧复合焊接机理及其影响因素,采用A3钢进行了CO2激光-脉冲金属熔化极活性气体保护焊(MAG)电弧复合焊接的工艺研究。分析了CO2激光-脉冲MAG电弧复合焊接中焊接方向、热源间距、激光功率、电弧电流、焊接速度等工艺参数的影响。结果表明,采用适当的参数,激光电弧的能量能够有效耦合,增强焊接效果。其中,复合焊接熔深是单独激光的1.6倍、MAG电弧焊接的2.2倍;焊接速度是单独激光的2.7倍。     

CO2激光-TIG复合焊接气体的保护方式

保护气体组成及其保护方式是决定CO2激光-钨极氩弧焊(TIG)电弧复合焊接工艺稳定性和激光、电弧两种热源能否有效耦合并取得增强的焊接熔深的关键原因。为此,采用不同的气体保护方式在316L不锈钢板上进行了一系列CO2激光-TIG电弧复合焊接实验。结果表明,只有在合理的气体保护方式下才能取得增强的焊接结果,其中气体保护方式对激光等离子体和电弧等离子体相互作用程度的影响是决定能否有效耦合的关键因素。单独TIG焊炬保护不能保证激光和电弧的有效耦合,TIG焊炬加旁轴喷嘴的方式只能在较窄的参数范围内获得有效耦合,而TIG焊炬加同轴喷嘴的保护方式则在较宽的范围内都能保证两种热源的有效耦合。     

不锈钢表面镀铜对铝/钢YAG激光焊接的影响

对0.3 mm厚的316L不锈钢/6061铝合金进行了脉冲激光(YAG)封边焊接试验。为了改善铝钢的冶金结合,对不锈钢表面进行了镀Cu处理,对比了镀铜前后的焊接情况;利用光学显微镜、扫描电镜及能谱分析等方法研究了接头界面区显微组织特征、熔合情况、元素分布和断口形貌。结果表明:对于铝/钢直接焊接,焊接电流I=130 A,激光脉宽D=4 ms,激光频率f=13 Hz,焊接速度V=150 mm/min,气体流量25 L/min,零离焦时,焊缝平整、成型美观。镀铜层形成了铝钢焊接的过渡层,减缓了界面处液态金属传递,抑制了铁铝之间的熔合,铝钢熔合线向钢一侧偏移。不锈钢未镀铜情况下,焊接接头组织主要由靠近铝一侧的针状或粗大板条状Fe2Al5及靠近钢一侧的FeAl 组成;镀铜后Cu主要固溶到Fe中,接头界面组织主要由(Fe,Cu)2Al5、(Fe,Cu)3Al组成。镀铜前后接头拉伸断口形貌未发生明显变化,然而,接头强度明显提高,提高约40.32%,达到15.63 N/mm。     

低功率YAG激光-MAG电弧复合焊接的研究

本文以低功率YAG激光-MAG电弧复合热源和单脉冲MAG焊接不锈钢为基础,对低功率激光复合焊接中的一些特点进行了初步研究。试验结果表明,焊接速度是复合焊接过程中的一个重要参数,焊接熔深主要由激光的能量决定;低功率复合热源和单MAG焊缝组织都是由奥氏体和枝状的δ-铁素体组成,但在同样的焊接熔深下复合焊接组织晶粒比单MAG焊缝中的晶粒细小;发现复合焊接中由于YAG激光的加入,在激光作用点上方粒子的热运动和电离程度比单MAG焊接强烈;复合焊接电弧等离子体的电子温度和电子密度大于单MAG焊接电弧等离子体的电子温度和电子密度。     

铝合金激光-MIG复合焊接头性能研究

探讨了激光与电弧相互作用后,焊缝中心上部和下部晶粒大小不同的原因,在此基础上研究了焊接速度的改变对6009铝合金接头的微观组织、拉伸性能、显微硬度的影响。结果表明：6009铝合金激光-MIG焊焊接接头的抗拉强度和延伸率随着焊接速度的增加而增加,拉伸试样的断裂位置由焊缝区转移到热影响区,断口呈现均匀分布的韧窝形貌,断裂机制为微孔聚集形断裂;焊缝中心上部晶粒小于焊缝中心下部,而且尺寸分布均匀。焊缝中心上部的显微硬度则高于焊缝下部。接头热影响区存在软化区,宽度为4～6 mm。