高强钢激光焊接凝固裂纹研究现状

采用激光自熔焊、激光填丝焊及激光-电弧复合焊进行高强钢焊接时均会出现热裂纹,且以凝固裂纹为主。针对该问题,文中综合论述了近些年激光及其复合焊高强钢凝固裂纹的研究情况,介绍了凝固裂纹的特点、形成机制及防止措施。从目前的研究结果来看,高强钢激光焊接中凝固裂纹以焊缝纵向裂纹为主,国内外主要从化学成分、熔池几何形状、焊接参数、拘束度4个影响因素研究凝固裂纹的形成,研究侧重于熔池的凸起部分和深宽比对凝固裂纹形成的影响,凸起部分会造成凝固延迟、产生大的拉应力、促进S,P杂质元素的偏析;较大的深宽比会造成局部应力集中从而引发裂纹产生。采用不同工艺方法改变焊缝几何形状是解决激光焊接凝固裂纹的一个重要方向。     

304不锈钢MIG、激光和激光-MIG复合焊接工艺对比研究

采用MIG焊、激光焊、激光-MIG复合焊分别在5 mm厚304不锈钢板上进行堆焊,对比分析三种焊接方式下焊接接头的宏观形貌和显微组织。试验结果表明,激光-MIG复合焊接中激光与电弧两热源叠加并产生复合作用,焊缝兼有MIG焊和激光焊的形貌特征,其中MIG电弧主要作用在复合焊熔池的上部,具有MIG焊焊缝大熔宽、浅熔深特征,激光热源主要作用于复合焊熔池的下部,具有激光焊焊缝大深宽比特征。因为热源的复合作用,激光-MIG复合焊接拥有比单MIG焊接和激光焊接更好的桥接能力、成形能力和组织性能。     

42CrMo钢活塞激光-MAG复合焊接热裂纹试验

利用高速相机观测焊接时熔池流动和焊缝凝固过程,并求得固–液界面移动速率;利用红外热像仪采集焊缝温度随时间变化的相关信息,求得焊缝的温度梯度,对比研究42CrMo调质钢在激光焊接、激光引导的激光-MAG复合焊、电弧引导的激光–电弧复合焊三种焊接工艺时,焊缝接头处的热裂纹倾向.结果表明,激光引导的激光-MAG复合焊工艺比其它两种焊接工艺的固–液界面移动速率更小,焊缝的温度梯度也更小,具有最小的应变率和热裂纹敏感性.最后对激光引导的激光-MAG复合焊焊缝进行了显微组织观察和硬度分析.     

低合金高强钢激光-电弧复合热源焊接冷裂纹敏感性分析

通过扩散氢含量测定,并利用经验公式计算JFE980S低合金高强钢冷裂纹敏感性和焊前预热温度,同时采用斜Y形坡口试验、金相试验以及残余应力测定等方法,研究低合金高强钢抗冷裂性能,对比分析了激光-电弧复合焊和MAG焊工艺对接头抗冷裂性能的影响.结果表明,激光复合焊抗冷裂性优于MAG焊方法.因复合焊加入了激光,使得焊缝熔深增加,拘束减小,并且激光在前,对焊接试板有一定的预热作用,使冷裂纹形成倾向进一步降低,特别是在无法预热的情况下,激光复合焊更能够体现出优势.     

10kW光纤激光焊接缺陷的形成

研究了未熔透光纤激光焊接过程中工艺参数对小孔型气孔、热裂纹和飞溅的影响,并讨论焊接缺陷形成机理. 结果表明,随着光纤激光焊接速度的增加,焊缝气孔和热裂纹倾向降低. 当焦点位置在工件表面时,气孔倾向最大;而当焦点位置由入焦向离焦偏移时,热裂纹敏感性增加. 光纤激光焊接气孔是由小孔不稳定引起的,而小孔不稳定性同时引起了熔池后部凝固前沿形状的变化,提高了焊缝热裂纹的敏感性. 较慢速光纤激光焊接飞溅的形成主要在于小孔开口处前沿熔池的凸起,其程度可能与小孔的稳定性有关.     

Q1400超高强钢激光-MAG复合焊抗裂性研究

针对超高强钢在焊接过程中容易产生裂纹等问题,采用激光-电弧复合焊对20 mm厚Q1400E超高强钢进行了抗裂性研究。通过斜Y坡口裂纹敏感性试验发现,在焊缝中心偏上位置易产生焊接裂纹。经过金相组织检查、表面形貌检查、EDS能谱分析等检测手段,确定此裂纹为凝固裂纹。裂纹产生原因：（1）液态金属补缩不足导致缩松;（2）C、S、P等有害元素发生微观偏析;（3）母材淬硬性大,坡口尖角处的拘束应力大。利用激光复合焊接方法深熔焊接特点及焊前预热措施进一步降低了焊接拘束应力,结果表明,采用激光功率8 500 W,焊接电流250 A,焊接电压24 V,焊接速度1.2 m/min,预热200℃的工艺参数可以有效解决20 mm厚Q1400超高强钢的焊接裂纹问题。     

低合金高强钢激光-MAG复合热源焊接工艺研究

采用常规MAG焊进行低合金高强钢焊接时容易发生焊接冷裂纹,研究针对HQ785T1低合金高强钢采用激光- MAG复合热源焊接技术进行焊接工艺研究.结果表明,采用激光- MAG复合热源焊接技术可以实现HQ785T1高强钢板室温无预热高效优质焊接,焊接接头力学性能良好,焊缝成形美观,焊接效率显著提高.     

聚变堆用奥氏体不锈钢不同激光输出模式熔丝特征

针对聚变堆用316LN奥氏体不锈钢材料,分别在连续激光和脉冲激光模式下进行了激光填丝焊接试验。主要研究了不同焊接工艺参数下的焊丝熔入特征及其对焊缝质量的影响,并对连续激光与脉冲激光焊接熔池流动及熔池形貌、接头的显微组织进行了研究。结果表明,连续激光填丝焊和脉冲激光填丝焊在合适的焊接工艺参数下均能获得焊丝液桥过渡,且熔池铺展均匀、焊缝成形良好。与脉冲激光填丝焊相比,连续激光填丝焊在坡口中的熔池长度约是脉冲激光填丝焊的3倍,温度梯度较大,更易产生侧壁未熔合和贯穿焊缝中心的凝固裂纹等缺陷。连续激光填丝焊的焊缝显微组织以柱状晶为主,由焊缝两边向焊缝中心生长,方向性强。脉冲激光填丝焊的焊缝两侧显微组织以柱状晶为主,各个区域都受到了相邻脉冲的重复作用,具有周期性,产生二次结晶,有助于熔池的搅动和晶粒细化,打乱了枝晶生长的方向性;焊缝中心区域为方向各异的柱状晶和等轴晶,枝晶间距减小,能够抑制裂纹的产生。 创新点： 首次提出通过脉冲激光调控结晶形态以抑制厚板焊接中裂纹的焊接工艺,可在不添加任何外部设备的基础上实现对裂纹的有效控制,打破了传统焊接工艺带来的局限性。     

工艺参数对高强钢窄间隙激光填丝焊鼓胀区影响

研究了主要工艺参数对高强钢窄间隙激光填丝焊鼓胀区的影响。通过测量不同工艺条件下焊缝鼓胀区的宽度W_(max)及其距焊缝表面的距离d,建立了主要焊接参数与鼓胀区尺寸之间的关系。研究结果表明焊丝与母材吸收能量的比例大小是影响鼓胀区宽度及位置主要因素,减小激光功率、增加焊速和送丝速度能够减小鼓胀区。进一步提出了不同鼓胀角β<30°与β>60°的工艺区间,并且减小鼓胀角β是获得大深宽比条件下无凝固裂纹焊缝的有效方法。     

大厚度船用高强钢激光-电弧复合焊技术研究

为实现大厚度高强钢全熔透单道对接焊,针对厚度20mm的AH32船用高强钢,采用15kW大功率CO_2激光进行激光-电弧复合焊接.分析了工件坡口、焊接速度、送丝速度、离焦量、装配间隙等规范参数对焊缝成型影响;通过金相观察以及显微硬度测定分析了接头组织性能.结果表明:通过激光功率等焊接规范匹配,激光-电弧复合焊接能实现20mm厚板的全熔透单道对接;钝边为8mm的Y形坡口有助于提高厚板激光-电弧复合焊缝熔透能力;降低焊接速度有利于提高熔深能力;工件厚度较大时,装配间隙对焊缝熔深能力的影响较为显著;接头硬度表明厚板激光复合焊焊缝纵向热循环模式存在较大差异.     

铝合金脉冲YAG激光焊脉冲调制参数对焊缝形状参数的影响

以2mm厚LF3铝合金薄板为对象,研究了在平均功率和焊接速度不变时脉冲YAG激光焊脉冲调制参数(脉宽、频率及单脉冲能量)对热导焊缝形状参数(熔深、熔宽及深宽比)的影响规律,并结合脉冲激光焊间断作用的特征,引入"有效峰值功率密度"综合考虑焊接速度、频率、脉宽以及光斑大小对焊缝形状参数的影响.此外,还对脉冲激光焊所形成的特殊的层状焊缝形貌进行研究和分析.结果表明,焊缝形状参数受脉宽及峰值功率密度双重作用的影响.脉冲焊得到的焊缝呈现多层状形貌,层数随频率升高而增多.     

激光/等离子电弧复合热源能量参数对钛合金焊缝成形的影响

在对钛合金激光/等离子电弧复合焊与单一激光焊的焊缝成形进行比较的基础上,研究了激光在复合等离子电弧后主要焊接工艺参数对焊缝成形的影响.结果表明,随激光功率增大和焊接速度降低,复合焊与单一激光焊焊缝的横截面形貌均由钉形向近X形转变.与单一激光焊相比,复合焊焊缝的余高和咬边较大.激光/等离子电弧"协同效应"随激光功率和焊接速度变化而不同,从而影响复合焊焊缝的熔宽和熔宽比.随焊接电流从零增大到60 A,焊缝熔宽略有增大,而焊缝熔宽比基本保持不变.     

中部槽激光-MAG复合热源打底焊焊接工艺研究

采用MAG电弧焊和激光-MAG复合热源焊对45 mm厚ZG30SiMn和NM400异种钢进行打底焊试验,通过光学显微镜、SEM和EDS能谱分析方法对裂纹的微观组织形貌进行观察和分析。结果表明:中部槽焊接接头易出现未焊透和焊接裂纹等焊接缺陷。由于焊缝处C,Si,S,P等热裂纹敏感性元素的聚集及焊接应力的共同作用导致结晶裂纹的产生。采用激光-MAG复合热源焊,通过控制焊缝化学成分和改变接头形状的方法消除了焊接热裂纹,并利用复合热源深熔性特点结合焊接坡口优化,保证了焊接效率等问题,获得了稳定、优质、高效的焊接接头。     

镀Zn钢-6016铝合金异种金属的激光熔钎焊及数值模拟

熔钎焊是抑制或减少钢/铝异种金属激光焊接过程中FeAl脆性金属间化合物产生的有效工艺方法。采用光纤激光器,不添加任何钎料,对1.2 mm厚DC56D+ZF镀锌钢和6016铝合金平板试件进行激光搭接焊试验,利用MATLAB软件,针对焊接过程的实际情况,在一定的基本假设下建立准稳态下钢/铝异种金属激光焊接熔池形状的数学模型,基于准稳态形状控制方程数值计算获得的熔池几何形状分布,结合试验来调整焊接工艺参数,获得最佳焊接成形,利用卧式金相显微镜、扫描电镜和X射线衍射仪等手段研究焊接接头各区域的金相组织、主要元素分布与物相组成。结果表明:焊接激光束照射搭接在钢板上的铝板对接焊缝时,焊接功率和焊接速度对熔池几何形状的影响较大,随着激光功率的增大,熔深增加;而随着焊接速度的增加,熔深却变浅。当焊接功率为1 600~1 800 W、焊接速度v=30 mm/s、离焦量D=0 mm时,焊缝成形性良好,无明显裂纹、气孔等缺陷,焊接接头区域存在一个台阶状结构,在平台区域,钢/铝两钟金属存在明显的界限,界面结合依靠液态的铝在钢母材表面上的润湿、填充和铺展等作用;下凹区域,钢/铝熔合较好,Fe和Al元素的混合区宽度较大,未形成明显的FeAl脆性金属间化合物,Fe和Al的热扩散是该区域界面结合的主要原因。     

激光焊工艺参数对马氏体不锈钢焊缝成形与组织的影响

以0Cr13Ni5Mo钢作为母材,研究激光功率、焊接速度和离焦量等激光焊工艺参数对焊缝成形与组织的影响。研究结果表明,当其中2个焊接工艺参数恒定时,熔深、熔宽和深宽比均随着激光功率的增大而明显增大,焊缝的熔深、熔宽和深宽比分别增加了约8倍、2倍、2倍;焊缝的熔深和熔宽随着焊接速度的增大而降低;熔深和深宽比均随着离焦量的适当降低而增加。随着激光功率的增大,焊缝的板条马氏体变得粗大。     

小功率脉冲激光-TIG电弧复合焊的电弧及熔池行为研究

利用小功率脉冲激光-TIG电弧复合焊在2mm厚度的不锈钢上进行堆焊,研究脉冲激光束(持续时间4 ms、峰值300 W、频率15 Hz)对电弧形态、熔池行为和焊缝成形的影响。结果表明,脉冲激光加入后,电弧中心高温区发生膨胀,并将电弧阳极斑点稳定在激光斑点处,TIG电压发生升高。当脉冲激光作用到熔池上时,熔池液态金属迅速向后方流动,熔池长度迅速增大;激光脉冲消失1ms后,熔池长度才开始逐渐减小,2 ms后液态金属向前回流,致使焊缝表面形成了鱼鳞纹,改善了焊缝表面成形。激光-TIG电弧复合焊的熔深是TIG焊的1.77倍,是激光焊熔深的2.6倍。而在相同熔深下,复合焊接速度比TIG焊提高了50%。     

铝合金激光-MIG复合填丝焊稳定性分析

通过与铝合金激光-MIG复合焊方法相对比,主要研究了铝合金激光-MIG复合填丝焊的焊缝成形、熔深稳定性、余高稳定性、焊缝气孔率、激光匙孔特征、等离子体特征. 试验结果表明,在合适的工艺参数条件下,铝合金激光-MIG复合填丝焊焊接过程稳定,焊缝成形良好,额外填入的焊丝可以连续稳定地过渡到熔池中,激光匙孔具有明显的形成、长大、湮灭周期性变化特征;相同工艺参数条件下,铝合金激光-MIG复合填丝焊的焊缝熔深稳定性、余高稳定性与激光-MIG复合焊相当,激光匙孔开口面积约增加15.34%,等离子体+电弧总面积约增加1.95%.     

H62黄铜与T2紫铜搭接激光焊接工艺和焊缝微观组织研究

黄铜和紫铜形成的异种金属复合结构可以兼顾黄铜的机械性能和紫铜的导热性能,因此在航空航天、汽车、制冷设备等领域经常需要将两者进行焊接。采用光纤激光器对H62黄铜与T2紫铜薄板搭接激光焊接进行试验。对比研究了激光功率、焊接速度等主要工艺参数对焊缝成形性能、力学性能的影响,获得具有良好外观的焊接接头。当热输入大于105 J/mm时,焊接模式由激光热导焊转变为激光小孔深熔焊,熔深大幅升高,当激光功率为1 800 W,焊接速度为13 mm/s时获得了最大深宽比为2.51。分析了焊接接头及界面处成分、组织的分布与演化,探究了组织和力学性能之间的关系。发现熔池流动以环形流动为主,形成了焊缝中心锌元素含量高于焊缝边缘的成分分布。提出熔池流动和成分偏析造成的成分不均匀是接头组织和性能不均匀的主要原因。焊缝中心硬度测试显示,在两材料界面附近存在较大的硬度梯度,发现较高的热输入可以促进两材料混合,降低界面处力学性能差异。     

Nd:YAG激光+CMT电弧复合热源横焊工艺参数对焊缝形貌的影响

以304不锈钢为对象,借助横焊焊缝横断面图像来分析Nd:YAG激光+CMT电弧复合热源横焊焊缝横断面的成形特征,研究了Nd:YAG激光+CMT电弧复合热源横焊过程中焊接工艺参数对焊缝横断面形貌的影响.结果表明,在Nd:YAG激光+CMT电弧复合热源横焊中,焊接工艺参数对横焊焊缝横断面形貌的影响显著;Nd:YAG激光加入CMT电弧焊中明显提高了复合焊缝以及复合焊中CMT焊缝的熔深;采取适当的焊接工艺参数(小的光丝间距、大的激光功率、小的焊接速度、适合的离焦量以及小的或大的CMT功率)可以避免熔池机械式叠加和焊缝横断面错位现象,使得焊缝成形良好.     

铝合金激光-小功率脉冲MIG电弧复合热源焊接特性分析

针对5A06铝合金,通过一系列对比数据综合分析了MIG焊和激光MIG复合热源焊接技术在焊缝熔深、焊缝成形、焊接速度、焊接热输入等方面的优缺点.结果表明,在MIG平均电流小于200 A的小功率脉冲MIG电弧区域内,等热输入且等焊接速度条件下,激光-MIG复合热源焊接技术与MIG相比可以提高焊缝深宽比1～2倍,增加焊缝熔深0.43～2.5倍;等热输入且等平均焊接电流条件下,与MIG相比,激光MIG复合热源焊接技术可以提高焊接速度0.6～1.5倍,增加焊缝熔深0.5～5.9倍;激光MIG复合热源焊接技术可以用高于MIG焊0.6～6.5倍的焊接速度和更小的焊接热输入获得与MIG同样的焊缝熔深;与MIG焊相比,激光MIG复合热源焊缝的铺展性更好,更适合于高速焊接;MIG复合2 kW的激光能量后会增加平均电弧电压、减小平均电流.