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。     

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。     

高速激光电弧复合焊接高强钢焊缝的形貌及成形机理

以3mm厚高强钢为试验材料,采用光纤激光-熔化极稀有气体保护焊电弧复合焊接方法,研究了焊速为5m·min-1时激光功率与电弧电压对焊缝形貌的影响,并与低速焊接中厚板得到的焊缝形貌进行了比较。研究结果表明,增大电弧电压和激光功率均能提高焊接过程的稳定性,获得良好的焊缝成形。在不同的热源位置下,焊缝形貌会出现浅"Y"型和深"Y"型的区别。通过高速摄影发现,当激光前置时,熔滴尺寸较大,且过渡时易发生汽化爆炸,对熔池的冲击较大;当电弧前置时,匙孔稳定存在,液态金属能沿着孔壁向下流淌,增大熔池底部面积。在低速焊接中厚板时,由于焊接线能量及工件的表面张力存在差异,焊缝形貌与高速焊接薄板时得到的形貌不一致。     

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。     

端接接头激光-MAG复合焊熔滴过渡与气孔特征分析

通过端接接头的激光-MAG复合焊接实验,研究了焊接方式、光丝间距、能量输入等对熔滴过渡行为及气孔缺陷特征的影响规律。研究结果表明:激光-MAG复合焊接比单激光焊更适用于端接接头的焊接,可以改善焊缝的成形,抑制气孔缺陷;激光引导方式优于电弧引导方式,得到的焊缝内的气孔缺陷较少;适当增加光丝间距有利于焊接过程的稳定性;电弧能量输入主要影响焊缝形态,而激光能量增加则会阻碍熔滴过渡,并使焊缝底部产生气孔缺陷。     

细管径侧吹气体流量对光纤激光中厚板焊接的影响

在细管径侧吹气体的辅助下,对SUS 304不锈钢试样进行了光纤激光焊接,使用高速摄影设备配合背景激光光源对匙孔、熔池以及金属蒸气的行为进行了观察,并对焊缝熔深和焊缝成形进行了分析。结果表明:在激光功率、焊接速度、离焦量、喷嘴位置与角度等参数一定的情况下,焊缝熔深随着细管径侧吹气体流量的增大而增加。细管径侧吹气体可以明显打开匙孔并维持匙孔稳定性,并扩大熔池面积。气体流量大小对焊缝成形有较大影响。当无细管径侧吹气体时,飞溅较大,焊缝成形均匀;当气体流量较小时,飞溅较小,且焊缝成形均匀;当气流量过大时,飞溅较小,但焊缝成形较差。     

局部负压激光焊缝成形特点及其影响因素

真空激光焊接具有更大的熔深和更小的气孔敏感性,为了利用真空激光焊接的优点,同时消除真空室尺寸对工件大小的限制,设计了局部负压激光焊接方法。此方法将负压腔与激光焊接头固定,通过真空泵对负压腔快速抽气从而在焊接熔池上方形成负压环境,在此环境下进行了一系列的激光点焊试验和连续焊试验,并与相同焊接参数下的常压和常压带侧吹条件的焊缝进行对比。通过高速摄影分析了负压环境下的金属蒸汽羽烟特点和熔池行为。结果表明,点焊时负压环境下金属蒸汽羽烟抑制效果明显,焊缝熔深增加,除去凹坑深度的焊缝熔深相比常压侧吹最大可增加4.5mm。连续焊时熔池后方匙孔闭合,金属液向后堆叠,获得的焊缝成型良好,负压下焊缝熔深比常压侧吹条件下平均增加2mm。     

光丝位置对铝合金激光填丝焊接过程的影响

为了明晰光丝距离对激光填丝焊接过程影响规律, 采用高速摄像、外观检查、宏观金相等方法, 对3种光束模式下不同光丝距离与激光堆焊关系进行了理论分析和实验验证, 得到了光丝距离对焊丝熔化、熔滴过渡、熔池波动和焊缝凝固的稳定性影响数据。结果表明, 光丝位置由相交(-5mm)向相离(+5mm)变化时, 熔滴过渡经历"液滴→液滴+液桥→液桥→液滴+液桥"阶段; 相同光丝距离时, 单光束激光模式、双光束激光串行模式和双光束并行模式的焊缝熔深依次降低, 甚至出现焊缝偏移和无熔深现象; 单光束模式和双光束串行模式对焊丝熔化和熔池的影响规律近似, 但双光束并行模式下具有特殊性; 单光束激光焊接时, 随着离焦量的增加, 焊缝的熔深由最大值409.8μm迅速减小到282.6μm; 双光束激光串行模式时, 焊缝的最大熔深仅为328.4μm, 随着离焦量降低而减小, 但正离焦量为焊缝截面呈现不对称状态; 双光束激光并行焊接模式时, 焊丝偏向小功率激光束时, 焊缝无熔深; 随着焊丝向大功率激光束移动, 形成仅有226.5μm小熔深焊缝。该研究为铝合金激光增材和焊接提供了参考。     

激光填丝焊对熔池动态行为及焊缝成形的影响

通过SiC颗粒示踪法获得了焊丝填充对熔池表面流动的影响规律,分析了不同的焊接工艺、焊丝填送模式和送丝角度对熔池表面波动行为及焊缝成形的影响。结果表明,在激光自熔焊过程中,熔池表面液态金属向后方及熔池另一侧流动,熔池表面波动较剧烈,焊缝表面出现凹陷缺陷;在激光填丝焊过程中,熔池表面金属全部表现为从前向后的快速流动,熔池表面波动相对稳定,焊缝表面成形良好。在激光填丝焊过程中,焊丝的过渡模式对熔池表面稳定性有显著影响,降低送丝角度有利于获得稳定的液桥过渡及减少焊缝气孔缺陷。     

激光-电弧复合焊焊缝合金元素分布的研究

激光-电弧复合焊接相对激光焊接的优势之一是通过焊接材料的添加,调整焊缝的合金元素成分,改善焊缝组织与性能。焊接材料添加的合金元素在焊缝中的均匀分布是体现激光-电弧复合焊接这一优势的关键。然而,对于窄而深的激光-电弧复合焊焊缝,实现合金元素的均匀分布是非常困难的。研究了焊接工艺参数对CO2激光-熔化极气体保护(GMA)复合焊焊缝合金元素分布的影响规律,并讨论了熔池流动行为与合金元素分布均匀性的关系。结果表明,随着焊接速度的减小,CO2激光-GMA复合焊焊缝合金元素的分布趋向于均匀分布;随着坡口间隙的增大,焊缝合金元素均匀程度越高。焊接方向为激光在前时,激光-电弧复合焊接熔池流动为内向流动时(即熔池表面从熔池后部向小孔流动,并且小孔后沿液体向下流动),焊缝合金元素分布较均匀,其均匀性高于焊接方向为电弧在前时的情况。焊接方向对焊缝合金元素分布的影响规律主要取决于电弧拖拽力和熔滴对熔池冲击力的方向。当焊接方向为激光在前时,电弧拖拽力和熔滴对熔池冲击力指向小孔方向,促进了熔池内向流动。     

氦-氩混合保护气体对铝合金激光-MIG复合焊接特性的影响

研究了氦-氩混合保护气体对铝合金激光-MIG复合焊熔滴过渡行为及焊缝气孔缺陷的影响,结合焊接过程中匙孔的动态特征,分析了气孔缺陷得到抑制的原因。结果表明,采用氦-氩混合保护气体时,焊接过程匙孔更加稳定,焊缝气孔率得到有效降低。当氦-氩混合保护气体中氦气体积分数为50%时,熔滴过渡形式由射滴过渡转变为短路过渡,焊缝气孔率约为1.0%,相比于纯氩气保护时降低了80%;继续增加氦气,对气孔的抑制并无显著效果。纯氦气时,焊接过程中产生大量飞溅,焊缝表面成形差。     

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。     

激光-电弧复合焊在坡口中的等离子体耦合行为

研究了在坡口中进行复合焊时激光和电弧的耦合行为,结果表明:当光丝间距为2 mm时,激光和电弧能够持续耦合,但熔池表面波动剧烈,焊接飞溅较大,表面成形较差;当光丝间距为4 mm时,激光和电弧等离子体出现周期性耦合,熔池表面波动较小,焊缝表面成形较好。出现周期性耦合主要是因为焊丝熔化后先填充坡口,造成电弧下方液体堆积,激光作用区域和电弧作用区域的高度不在同一水平面上,使得实际光丝间距大于4 mm,激光和电弧不耦合;当堆积液体达到一定高度后,在重力和表面张力作用下液体向激光作用区域流淌,液面趋于水平,实际光丝间距接近4 mm,激光和电弧等离子体连接在一起,再次发生耦合。当光丝间距大于6 mm时,激光和电弧不发生耦合。     

6061-T6铝合金激光-电弧复合高速焊气孔形成及控制机制

采用激光-钨极氩弧焊(TIG)复合热源对6061-T6铝合金进行了高速焊接,研究了焊接电弧电流、激光脉宽及脉冲频率等工艺参数对气孔形成的影响规律。结果表明,在6061-T6铝合金高速激光-TIG复合焊中,焊接速度的提高使得熔池冷却速度加快,焊缝组织出现细小的等轴晶,热影响区的软化区宽度减小。熔池冷却状态的变化造成"匙孔"稳定性降低并容易坍塌,焊缝中极易形成气孔。随着激光脉宽的增大,焊缝中的气孔数量减少,尺寸减小;随着激光脉冲频率的增大,焊缝中的气孔数量先减少后增加;当电弧电流从180A增大到200A时,焊缝中的气孔数量明显减少。     

激光-MIG复合焊接工艺参数对焊缝形状的影响

本文以激光-MIG复合焊焊接工艺参数对焊缝形状的影响为出发点,对复合焊进行了初步的研究。实验研究了激光与电弧之间的距离、离焦量、焊接速度、送丝速度、电弧的类型以及激光的倾斜角度等工艺参数对复合焊焊缝的熔深熔宽的影响。实验表明,激光与电弧之间的距离(DL A)对复合焊的熔深影响较大,在DL A为2mm时,熔深达到最大。离焦量主要是通过影响能量密度来影响熔深和熔宽,在离焦量为+2mm时熔深达到最大,不同于单独激光焊负离焦时熔深最大。焊接速度有一个合适的范围,在这个范围内随着焊接速度的增加,熔深熔宽减少。送丝速度对复合焊的焊缝形状影响最大,送丝丝度较小时焊缝形状类似于单独激光焊;送丝速度过大电弧等离子体屏蔽激光,焊缝形状类似于MIG。激光的倾斜角度对复合焊的焊缝熔深熔宽也有一定的影响,当激光的倾斜角度为10oC时,熔深达到最大熔宽最小。     

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。     

GH909的窄间隙激光-熔化极气体保护焊复合焊接工艺研究

实验上系统地研究了10 mm厚GH909低膨胀高温合金窄间隙激光-熔化极气体保护焊(MIG)复合焊接过程中焊接参数对焊缝形貌的影响。结果表明,当采用10°坡口角度,0.7 mm钝边宽度的坡口尺寸时,焊缝成形较优良;焊缝熔宽会随着焊接速度的增大而减小;光丝间距影响了两种热源的耦合机制,在本次试验条件下,实现最优激光-电弧协同效应的光丝间距为1 mm;适当地增大焊接间隙会提高焊缝的熔深。实验中,在优化的焊接工艺参数下获得了良好的,无明显缺陷的焊缝成形。靠近热影响区的焊缝晶粒垂直熔合线向焊缝中心生长,在焊缝中心相互接触抑制形成柱状晶间。     

奥氏体不锈钢光纤激光同轴保护焊接的实时监测

采用光纤激光同轴保护焊接奥氏体不锈钢,利用激光焊接监测系统同步采集焊接过程中的光信号数据,并结合羽辉的形貌研究不同焊接条件对焊缝成形及光信号强度的影响规律。研究结果表明,光信号强度随着激光功率的增加逐渐增大。当离焦量从-6mm变化到6mm时,光信号强度先减小后增大。光信号变化可反映焊缝熔深的变化,可用于检测搭接间隙和焊缝位置变化引起的焊缝缺陷。通过P信号数据可判断焊接质量异常区的准确位置,焊接过程中光信号的强度同羽辉体积正相关。     

热源空间位置对激光电弧复合焊接焊缝成形的影响

在激光电弧复合焊接中，热源空间位置关系，如热源间距、激光离焦量、焊炬倾角 等对激光、电弧之间的协同效应具有至关重要的作用，但是目前对此缺乏系统的专题研究。为此，采用5 kW CO2快轴流激光器和MAG(metal active gas)焊机对7 mm Q235钢板进行了激光电弧复合焊接工艺研究，集中探讨了空间位置参数对焊缝成形的影响规律。结果表明，热源空间位置参数对复合焊接焊缝成形具有显著影响，只有在合理的参数组合下才能够获得理想的焊缝质量。其中，热源间距对熔深的影响最大，不同间距处的熔深增幅高达55％，焊丝干伸长和离焦量对焊接熔深也具有较强的影响。焊接熔宽则对焊炬倾角和焊丝干伸长的变化更为敏感。上述参数主要通过改变激光电弧等离子体相互作用、热源能量叠加状态和熔池受力状况来决定焊缝成形。     

传动轴总成滑移端壳体-法兰激光深熔焊接试验研究

为了解决传统焊接工艺(填丝TIG焊)焊接传动轴总成滑移端壳体-法兰存在的焊缝余高太高, 造成应力集中; 焊缝熔化不均匀、气孔, 造成壳体和法兰在传递扭力时脱落; 整体焊缝外观成型质量差; 焊丝损耗比较大; 焊接效率低等问题。采用激光深熔焊接对传动轴总成滑移端壳体-法兰进行焊接, 并研究激光焊接后焊缝表面形貌、焊缝宽度和热影响区宽度、焊缝熔深、焊缝余高和焊缝显微硬度。结果表明: 激光深熔焊接后, 传动轴总成滑移端壳体-法兰焊缝熔化均匀、无气孔等缺陷; 焊缝表面形貌美观, 热影响区以及焊缝宽度远小于传统工艺焊接时的热影响区及焊缝宽度, 焊缝和热影响区的硬度均高于母材, 热影响区未出现软化, 焊接熔深达到焊接要求, 焊缝余高为0.3 mm, 同时激光焊接效率较高, 满足传动轴总成滑移端壳体-法兰的焊接要求。