基于镁合金焊接的小功率脉冲激光诱导增强电弧放电机制研究

正小功率脉冲激光-电弧复合热源具有焊接能耗低、焊接质量好以及焊接效率高等特点,具有广阔的应用前景和巨大的应用潜力,是焊接领域研究的热点之一。小功率脉冲激光-电弧复合热源优异的焊接特性来源于激光和电弧等离子体之间的协同和相互增强效应。对焊接过程中激光和电弧等离子体相互作用的物理机制和物理过程的研究有利于促进小功率脉冲激光-电弧复合热源焊接技术的进一步发展。本论文以小功率脉冲式激光-电弧复合热源焊接镁合金过程为研究对象,以激光在材     

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。     

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。     

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.     

Nd:YAG激光+脉冲MAG电弧复合热源焊接参数对焊缝熔深的影响

试验研究Nd:YAG激光 脉冲MAG电弧复合热源焊接过程中焊接参数对焊缝熔深的影响.研究结果表明,复合热源焊缝熔深随电弧功率和激光功率的增大而增大,随焊接速度的增大而减小,并且在相同参数下,复合热源焊缝熔深稍大于激光焊缝熔深而显著大于脉冲MAG焊缝熔深.对于不同焊接电流,光丝间距在0～3 mm内复合热源焊缝取得最大熔深,且取得最大熔深的光丝间距与焊接电流大小有关;复合热源焊缝熔深在离焦量为2 mm时取得最大值.试验结果分析表明,在激光 电弧复合热源焊接过程中激光功率不仅决定复合热源焊缝熔深,而且可以极大地提高焊接速度:MAG电弧也可提高Nd:YAG激光焊的热效率.     

MAG-TIG双电弧共熔池热源打底焊接自由成形研究

打底焊接是中厚板多层多道焊接中的关键环节,对接头性能有着至关重要的影响。基于船舶制造、海洋工程、重型机械等行业中厚板结构件打底焊接时存在的自动化程度低,生产效率低等问题,本试验采用熔化极活性气体保护焊-钨极氩弧焊(Metal active gas-tungsten inert gas,MAG-TIG)双电弧共熔池热源焊接技术对厚度为20 mm的Q235-B板材进行打底焊接自由成形工艺研究及机制分析,采用高速摄像系统对TIG电弧作用前后电弧等离子体行为和熔池流动形态进行观察。试验结果表明:MAG-TIG双电弧共熔池热源打底焊接时,TIG电弧对MAG电弧有电磁排斥作用的同时还对熔池流动及热量传递有调控作用;结合焊接电弧等离子体行为与熔池流动形态分析发现,打底成形稳定性最佳时,TIG电弧加速焊接熔池中液态金属向后上方流动,促进热量向后传递,使得熔池前端底部及板材钝边处液态金属减少,受力易于平衡及稳定,可获得熔透均匀、连续、稳定的打底背面成形。     

激光-TIG复合填丝焊接工艺对6061铝合金焊缝组织与硬度的影响

采用激光-TIG复合热源填丝焊接5 mm厚T651态6061铝合金,研究电弧电流对复合填丝焊接焊缝成形的影响,分析了优化工艺参数下的焊缝显微组织及显微硬度特征,并与单独TIG填丝焊接进行综合对比。结果表明：采用激光-TIG复合热源填丝焊接T651态6061铝合金,能够有效改善焊缝成形,当TIG电弧电流为140 A时焊接过程稳定,焊缝成形效果良好;复合填丝焊接焊缝中心区域的显微组织为等轴晶,熔合区组织由大量枝状晶组成;复合填丝焊接显微硬度高于单独TIG填丝焊接,焊缝区均存在软化现象,在选择的测试点范围内,复合填丝焊接焊缝中心区域的平均硬度为66.91 HV,约为母材硬度的62.0%,比单独TIG填丝焊接提高约13.1%。     

304不锈钢激光焊接匙孔瞬态行为分析

针对激光焊接过程匙孔瞬态行为难以观察的问题,建立了304不锈钢激光焊接过程熔池和匙孔之间瞬态耦合的三维模型,开展了匙孔瞬态行为研究。采用了光线追踪热源描述激光能量分布,涉及了流体流动、蒸发潜热、Marangoni剪切力、反冲压力和表面张力等各种物理因素;通过304不锈钢激光焊接试验对所建模型进行了验证,模拟的焊缝横截面形貌与试验结果吻合较好,表明所提出的模型能够反映激光焊接过程;基于模拟结果图像,提取了焊件纵截面和焊件上表面的匙孔特征信息,对匙孔瞬态行为进行了分析。研究结果表明:匙孔瞬态行为受气泡影响,纵截面上匙孔面积因气泡破裂而增大;焊件上表面匙孔开口长度与匙孔后壁倾角相关;与匙孔开口宽度相比,匙孔纵截面上面积和匙孔长度变化幅度更大。     

激光-电弧复合焊过程的熔滴过渡特征与受力分析

利用高速相机对高氮钢激光-电弧复合焊接过程的熔滴过渡、熔滴形态、等离子体形态进行采集与分析。采用图像处理与数学计算相结合的方法给出熔滴在电弧空间飞行时的受力大小和加速度。初步计算激光产生的金属蒸气对熔滴的反冲力的大小和分布。结果表明:熔滴呈现颗粒过渡的临界焊接电流为180 A附近;熔滴呈现射滴过渡的临界焊接电流200 A附近。激光的加入对电弧具有明显的压缩作用,在熔池表面这种压缩作用更为剧烈。通过观测和计算给出电弧焊和激光-电弧复合焊时熔滴刚脱离焊丝的加速度分别达到70 m/s~2和50 m/s~2。在实际复合焊接过程中,当熔滴落入熔池位置与激光匙孔间距为3 mm时,从激光匙孔喷发的金属蒸气对熔滴的反冲力非常小。激光的加入主要改变了电弧形态,近而改变熔滴上下表面的压力差,使得熔滴在接近熔池表面发生合并和过渡频率减慢。     

高强钢低功率脉冲激光诱导熔化极活性气体保护电弧仰焊成形

针对5 mm厚E36高强钢板材,开展了低功率脉冲激光诱导熔化极活性气体保护电弧复合仰焊试验。研究结果表明：相比于熔化极活性气体保护电弧焊,激光诱导熔化极活性气体保护电弧复合焊接接头的焊接热输入可降低29%。复合焊接通过减小焊接熔池尺寸,可有效抑制内凹缺陷的产生,进而增大工艺参数区间。拉伸和弯曲试验表明,无内凹缺陷接头具有良好抗拉强度和弯曲载荷;有内凹缺陷接头抗拉强度与母材相当,但最大弯曲载荷显著降低。     

受控脉冲穿孔等离子弧焊接控制系统

穿孔等离子弧焊接过程中存在的一些问题制约了该工艺在现代工业中的推广和应用,如焊接工艺合理参数区间窄,可调裕度小,导致焊接过程中小孔的稳定性较差等。熔池的小孔行为是直接影响焊接过程稳定性和接头质量的关键因素,为拓展合理工艺参数范围,提高焊接过程稳定性和焊缝质量,研制出受控脉冲穿孔等离子弧焊接控制系统。基于简易测试装置,实时采集焊接过程中的尾焰电压信号,可靠描述焊缝熔池穿孔与否以及小孔尺寸;采用受控脉冲穿孔的控制策略,适时调整峰值电流和基值电流的作用时间,使得小孔一直处于"准稳态"。实现"一脉一孔",但脉冲时间和基值电流并不固定,取决于每个脉冲过程小孔的建立时间和存在时间;保证穿孔,使小孔尺寸在预定值附近波动,并防止烧穿的发生;大幅拓展穿孔等离子弧焊接合理工艺参数区间。工艺试验结果表明,当工件散热条件和厚度发生变化时,控制系统能够迅速做出调节,运行稳定可靠,控制效果显著。     

压力容器焊接新技术及其应用

我国经济的高速发展,对压力容器的制造提出更高的要求。厚壁高压容器的焊接应重视质量与效率的统一,质量的稳定性更为重要。我国发明的双丝窄间隙埋弧焊技术具有突出的优势,已经成功地应用在诸多重大压力容器的焊接生产。接管与简体或封头的焊接设备已经从机械仿形向数字化控制发展,适应不同场合的应用,提高了自动化水平,操作更加简便,并已经在核电装备上应用。弯管内壁堆焊不锈钢防腐层一直是一个难点,采用多轴协调运动的控制技术,先后开发了30°和90°弯管内壁堆焊设备,并已经在生产中使用。提出一种新型的激光一精确控制电弧的复合焊接技术,可以采用纯氩作为保护气体,接头力学性能与常规TIG填丝焊相同,而焊接速度是TIG焊的5倍以上,具有很好的发展前景。     

高氮钢激光-电弧复合焊接气孔控制方法研究*

为了掌握高氮钢复合焊接气孔控制的有效方法,研究电弧能量、激光能量和振动频率对焊缝气孔的影响。从气孔率方面分析焊缝气孔的产生原因,并从电流和电压波形及熔滴过渡方面分析其对焊接过程稳定性的影响。熔池流动与焊缝气孔具有一定的关联性,并从熔池流动状态方面分析其对气孔的影响。激光匙孔的形成需要一定的阈值能量,匙孔穿透状态对气孔率有直接影响,依据激光匙孔底部受力情况,分析匙孔状态对焊缝气孔率的影响。结果表明：气孔率随电弧能量或激光能量的增加而呈先升后降的变化趋势,电弧能量4 800 J(I=200 A,U=24 V)时,气孔率最低,仅为0.49%;而激光功率为2.8 kW时,气孔率降为最低,仅为0.14%;施加振动后焊缝气孔率均明显减小,气孔率随着振动频率的增加而先降后升。适当的电弧能量或激光能量可有效抑制焊缝内气孔数量,振动频率为35 Hz时抑制气孔效果最好。     

Interaction between laser-induced plasma/vapor and arc plasma during fiber laser-MIG hybrid welding

Hybrid plasma is an important physical phenomenon in fiber laser-MIG hybrid welding. It greatly affects the stability of the process, the quality of the weld, and the efficiency of energy coupling. In this paper, clear and direct proofs of these characteristics are presented through high-speed video images. Spectroscopic analysis is used to describe the characterization of hybrid plasma. The hybrid plasma forms a curved channel between the welding wire and the keyhole during the fiber laser-MIG hybrid welding process. The curved channel is composed of two parts. The laser-induced plasma/vapor expands due to the combined effect of the laser and the MIG arc, forming an ionization duct, which is one part of the curved channel. The resistance of the duct is smaller than that of other locations because of the rise in electrical conductivity. Consequently, the electrical arc is guided through the duct to the surface of the material, which is the other part of the curved channel. The spectral intensities of metal elements in laser-MIG hybrid welding are much stronger than those in MIG-only welding, whereas the spectral intensities of shielding gas element in laser-MIG hybrid welding are much weaker.     

Numerical modeling of heat transfer and fluid flow in hybrid laser–TIG welding of aluminum alloy AA6082

This paper describes a three-dimensional numerical model based on finite volume method to simulate heat transfer and fluid flow in laser–tungsten inert gas (TIG) hybrid welding process. To simplify the model and reduce the calculation time, keyhole dynamics are not considered; instead, a new modified volumetric heat source model is presented for the laser source to take into account the effect of the keyhole on the heat transfer into the workpiece. Due to the presence of arc current, an appropriate electromagnetic model based on the Maxwell equations are also solved to calculate electromagnetic forces in the weld pool. The results of computer simulation, including temperature, current density, electromagnetic, and melted material velocity field, are presented here. Furthermore, several dimensionless numbers are employed to recognize the importance of fluid flow driving forces in the weld pool. It is deduced that the fluid flow has an important effect on the weld pool shape. It is also founded that among the driving forces, Marangoni force is dominant fluid force in the weld pool. Besides, calculated results of hybrid welding process are compared with those of TIG and laser welding processes. The weld pool depth is relatively the same, but the width of the weld pool is highly larger in hybrid welding than lone laser welding. Eventually, the presented model is validated by comparison between calculated and experimental weld pool shape. It is founded that there is a good agreement as the capability of this model can be proved.     

CHARACTERISTICS OF DROPLET TRANSFER IN CO2 LASER-MIG HYBRID WELDING WITH SHORT-CIRCUITING MODE

LF6 aluminum alloy plates with 4.5 mm thickness are welded in this experiment.Welding is carried out by using the CO2 laser-MIG paraxial hybrid welding in flat position. The experimental results indicate that the inherent droplet transfer cycle time of conventional MIG arc is changed due to the interaction between CO2 laser beam and MIG arc in the short-circuiting mode of laser-MIG hybrid welding. Because of the preheating action of CO2 laser to electrode and base material, the droplet transfer frequency of MIG arc is increased in the hybrid welding process. When laser power is increased to a certain degree, the droplet transfer frequency is decreased due to the effect of laser-induced keyhole. Furthermore, through analyzing the MIG welding current and arc voltage waveforms and the characteristics of droplet transfer in the hybrid welding process, the effect of laser energy and the action point between laser beam and arc on the frequency of droplet transfer and weld appearance is investigated in details.     

不同波长激光对激光—MAG电弧复合焊接熔滴行为的影响

通过计算分析了金属对Nd：YAG激光和CO2激光的吸收率;以8.0mm厚高强钢板为试验材料,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.建立脉冲MAG焊接熔滴力学模型,从熔滴受力角度分析了不同波长两种激光YAG激光和C02激光在激光—MAG焊接中对熔滴过渡形式和熔滴过渡频率的影响.结果表明,Nd：YAG激光和CO2激光输出特性存在差异,金属表面对YAG激光的吸收率约为CO2激光的3倍多;在焊接电流180A、焊接电压26V、光丝间距3mm的相同条件下,YAG激光—MAG电弧复合焊接熔滴过渡频率高于CO2激光—MAG电弧复合焊接的熔滴过渡频率,且熔滴过渡频率均随着激光功率的增加而降低,但是增加等量的激光功率,YAG激光—MAG电弧复合焊接熔滴过渡频率下降幅度更大;CO2激光—MAG电弧复合焊接过程中,熔滴的过渡形式由射滴过渡转变为颗粒过渡,在YAG激光—MAG电弧复合焊接过程中,熔滴过渡形式主要为射滴过渡.