焊丝熔化方式对激光焊接过程的影响

研究了两种焊丝熔化方法(电弧预熔丝激光焊、激光填丝焊)激光焊接过程对匙孔稳定性以及焊缝成形的影响，进一步研究了焊丝熔化方法对焊接接头质量的影响，并对比分析了两种焊丝熔化方式对焊接速度的适应性. 结果表明，电弧预熔丝激光焊过程中，熔池表面匙孔开口尺寸变化不大，匙孔较为稳定；激光填丝焊方法由于熔化的液态金属距离匙孔边缘很近，焊接过程中熔池表面匙孔开口尺寸变化较大,而且容易出现熔池表面匙孔的闭合. 与激光填丝焊相比，电弧预熔丝激光焊熔化的焊丝端部可以沿熔池边缘流入，与匙孔边缘的距离较远，匙孔稳定性较好，焊缝气孔数量较少. 当焊接速度为8 m/min时，电弧预熔丝激光焊的焊缝成形良好；而激光填丝焊焊缝背面成形不连续，并且出现了未焊透的缺陷.     

激光焊接过程的熔池动态行为研究

文中首先采用高速摄像在线监测系统对激光自熔焊、激光填丝焊熔池动态行为进行分析，并对焊缝成形进行对比分析，进一步采用数值模拟的方法对激光自熔焊、激光填丝焊填充金属作用下的焊接熔池动态行为进行对比分析.研究结果表明，激光自熔焊匙孔壁后方熔池表面附近出现由匙孔开口处向熔池尾部流动的情况，在匙孔开口后方出现了金属隆起，金属的隆起尺寸较大，激光自熔焊焊缝成形较差，表面有凹坑出现.激光填丝焊匙孔壁后方熔池表面出现由匙孔开口处向熔池尾部流动的情况，但在其下方出现由熔池尾部回流向匙孔的流动，虽然也会产生焊接飞溅，但焊接飞溅的尺寸相对较小，而且由于液态金属的填充作用，焊缝表面不易出现下凹的缺陷，焊缝成形良好.与激光自熔焊相比，液态熔滴进入熔池后，匙孔壁后方的熔体流动速度波动程度明显增大.     

9%Ni钢窄间隙激光填丝焊工艺参数对焊缝成形的影响

采用Ni基合金焊丝对16 mm厚的9%Ni钢板材进行了窄间隙激光填丝焊接。采用正交试验分析了激光功率、离焦量和光丝间距等工艺参数对焊缝成形的影响,并揭示了焊接过程中激光能量在熔池、匙孔、金属蒸汽及填充金属的分配路径。结果表明,增大激光功率和激光直接作用于侧壁母材均有利于增大侧壁熔合比;在较大离焦量及较小激光功率下的热导焊模式有助于焊缝表面成型;焊接过程中匙孔的不稳定是焊缝表面起伏的主要原因。     

30 kW光纤激光焊接铝合金离焦量对匙孔行为的影响

针对30 kW光纤激光焊接铝合金焊缝成形差的问题，采用高速摄像拍摄焊接过程中的熔池及匙孔图像，对比研究了不同离焦量对匙孔行为的影响。结果表明，离焦量对匙孔及熔池行为的影响较大；正离焦时，匙孔开口面积的波动程度较为剧烈，匙孔后壁易形成向上涌起的液柱，并伴随有大量飞溅的产生，匙孔开口面积的大幅度突变和液柱的回落过程会对液态熔池的稳定流动产生较大干扰，使焊缝表面出现凹陷和咬边等缺陷；负离焦时，匙孔开口面积在波动幅度和突变持续时间上均较小，-20 mm离焦量时，匙孔突变的扩大-收缩持续时间仅为正离焦量的1/3，且液态金属上涌形成液柱的趋势也较小，焊接过程更稳定，焊缝表面成形的质量得到了明显改善，单道激光焊缝熔深可达29 mm。     

激光-电弧复合焊接镁合金过程中匙孔行为与气孔形成的关系（英文）

在激光-电弧复合深熔焊接接头中,气孔是一种对焊接质量影响极大的焊接缺陷。本工作通过实验研究了激光-电弧复合焊接镁合金板过程中匙孔行为与气孔形成的关系。详细研究了激光脉冲对熔池的冲击作用,激光匙孔的动态行为以及焊接接头中的气孔形成规律。结果表明:激光脉冲对熔池的冲击作用有利于抑制气孔的形成,冲击作用的大小取决于给定的激光脉冲参数。激光匙孔的状态决定焊接熔池的行为,匙孔的几何尺寸和开/闭行为直接影响气孔的形成。较高的激光脉冲峰值功率会导致焊后气孔的出现。延长匙孔开口的闭合时间,可以给匙孔中的气体足够的时间逃逸,进而可以抑制残留性气孔的生成。     

基于摆动激光扫描的GMAW焊缝成形调控

将摆动激光与GMAW工艺复合,利用“8”字形摆动激光扫描液态熔池,对其温度场和流场进行调控,以改变熔池温度梯度,主动调控熔池流动以改善焊缝成形.在6061铝合金板材表面进行堆焊试验,重点探究了光丝间距、摆动幅度、激光功率对于焊缝成形的影响,采用高速摄像机拍摄激光扫描熔池过程.结果表明,摆动激光扫描可以有效抑制成形缺陷的发生,当摆动激光扫描熔池中部时可以获得最佳的焊缝成形效果.摆动激光扫描降低了熔池温度梯度分布,同时激光扫描产生的激光蒸发反力可以驱动熔池流动,促进了液态熔池的流动铺展,从而有效抑制了不规则焊缝成形缺陷,减少焊缝内部气孔和裂纹缺陷.调节摆动激光摆幅可以在一定范围内对焊缝宽度进行调控.     

激光摆动焊接工艺参数对不锈钢焊缝成形与气孔率的影响

采用激光摆动焊接实现了5 mm厚1Cr18Ni9Ti不锈钢的焊接,获得成形良好、低气孔率的接头.分析了焊接速度、摆动幅值、摆动频率、摆动形式对焊缝成形和气孔率的影响,从匙孔、熔池流动、气泡逸出的角度揭示了工艺参数影响气孔率的主要机理. 结果表明,对于5 mm厚不锈钢激光摆动焊接,适当提高焊接速度和摆动幅值,更利于减小气孔率;激光摆动频率在100 ~ 300 Hz可以兼顾较低气孔率和较好的焊缝成形;“8”形摆动激光可以获得相对较优的焊缝成形,焊缝气孔率最低,达到2.94%;而线性摆动激光获得焊缝成形最差,气孔率最高,达到19.13%.     

激光焊接不锈钢微间隙焊缝偏差小波变换检测法

针对大功率(激光功率10 kW)光纤激光焊接304不锈钢间隙小于0.1 mm的紧密对接焊缝,研究一种基于小波变换的焊缝偏差检测方法. 为了分析焊缝偏差特征细节,采用红外传感高速摄像机摄取焊接区域熔池红外热像,利用小波函数对熔池图像感兴趣区域进行多尺度分解. 定义小波变换后的高频分量极值的横坐标作为匙孔形变参数,以匙孔形变参数作为特征值,分析特征值和焊缝偏差之间的关系. 结果表明,匙孔形变参数与焊缝偏差之间存在密切关联,能有效判断和检测焊缝偏差.     

激光焊接熔池动态行为数值模拟的进展与分析

激光焊接匙孔和熔池行为与焊接缺陷的形成和焊接质量直接相关,研究激光焊接匙孔和熔池行为对理解激光焊接机理和控制焊接质量具有重要意义。国内外学者根据焊接过程中的物理现象和测试数据,提出了相应的数学模型和计算方法,来模拟熔池内部的流动行为、匙孔的演化行为及其内部金属蒸汽的动力学行为,通过激光焊接熔池行为的数值模拟可提前预测并采取相应措施降低焊接缺陷的形成,将有利于提高激光焊接工件的焊缝质量。对国内外激光焊接熔池行为的数值模拟技术,如激光深熔焊、双束激光焊接、真空激光焊接、磁场作用下的激光焊接、液态金属作用下的激光焊接熔池动态行为数值模拟的研究现状进行了分析和概括,以期为激光焊接熔池数值模拟方面的研究提供参考。     

焊接熔池流体动力学行为的数值模拟和实验研究北大核心CSCD

在对激光焊接过程中匙孔壁面受力平衡状态和金属蒸发情况研究基础上,建立了随匙孔深度和形貌变化的自适应热源模型。采用Particle Level Set方法来跟踪熔池内的匙孔自由表面,对2A12合金和30CrMnSiA钢激光深熔焊过程进行了数值模拟,分析了材料性能和侧吹气体对熔池-匙孔内的温度场、流场和匙孔动态演化过程的影响。研究结果表明,相同工艺参数下热导率较小的材料,更容易形成深而窄的焊缝形貌。而侧吹气流气体的加入不仅能够改善熔池内流体的流动状态,而且能够显著地抑制焊缝中气孔产生。在此基础上,利用熔池动态监测技术对激光焊接中熔池的动态行为进行了实验观测,得到了熔池内匙孔颈缩、塌陷、闭合以及气泡的形成过程,进一步验证了模拟结果的合理性。在对不同侧吹气流下焊缝气孔检测和模拟结果分析的基础上,提出了增强焊接稳定性和降低气孔敏感性的新思路。     

铝合金中厚板高功率激光搅拌焊气孔缺陷工艺调控

高功率激光焊接为铝合金中厚板高质高效焊接提供了有效手段,然而面临焊缝气孔多发的问题. 文中开展了铝合金中厚板高功率激光搅拌焊接气孔缺陷的工艺调控研究,阐明了搅拌振幅和搅拌频率对接头气孔率的影响,并提出了工艺参数优化方法. 结果表明,搅拌振幅主要影响光束运动轨迹横向分布和小孔开口面积;搅拌频率主要影响激光光束运动速度和对后方熔池的搅拌次数;搅拌振幅和频率越大,气孔抑制效果越明显,但焊缝熔深难以满足应用要求;通过控制光束运动轨迹和能量密度,可以实现工艺参数的设计,获得大熔深、少气孔的最佳工艺区间,最终得到熔深高达6.4 mm的少气孔焊接接头.     

圆形摆动激光对5A06铝合金激光焊接熔池流动行为的影响分析

摆动激光焊接方法中,激光束对于熔池的搅拌作用将导致熔池流动行为有异于传统激光焊接,因此为了从理论上阐述摆动激光焊接过程中熔池流动行为,构建了5A06铝合金摆动激光焊接过程热—流耦合模型.系统分析了圆摆激光焊接过程中,摆动幅度和摆动频率对熔池热流场的影响规律.结果表明,增加摆动幅度会降低熔池深宽比,从而提高焊接稳定性,同时熔池流动行为更加复杂,增大了熔池内部物质交换范围.摆动频率的增加会抑制熔池流动,使其更加规律,有利于气泡的排出从而降低气孔率.     

脉冲激光-电弧复合焊接镁合金过程中熔池行为与气孔产生的关系研究

激光-电弧复合焊接镁合金过程中气孔是一种重要缺陷。本文针对复合热源焊接过程中熔池行为和激光匙孔引起的气孔之间的关系进行了实验研究。研究中重点考查了激光脉冲对熔池的冲击作用，匙孔的动态行为以及气孔的形成规律。研究结果表明激光脉冲的参数决定其对液态熔池的冲击作用，较强的激光脉冲作用可以有效抑制气孔的形成；液态金属的行为主要有匙孔行为主导；匙孔的尺寸和开-闭状态直接影响焊后气孔的形成；过高的激光脉冲功率会导致焊后气孔的形成；匙孔开口维持时间越长，焊后气孔数量越少。     

激光扫描焊接熔池及等离子体动态行为

以5A06铝合金为试验材料，采用高速摄影技术对激光扫描焊接过程中的熔池及等离子体羽辉动态行为进行拍摄，对比分析了常规单激光焊接与激光扫描焊接条件下的熔池表面流动特征和等离子体羽辉波动特征. 结果表明，一定条件下的摆动激光光束相比于单激光光束，能够极大地增强等离子体羽辉的稳定性，延长其存在周期，同时熔池流动的方向性增强，稳定性提高，整个焊接液态熔池表面不存在“回流”现象，熔池流动产生的流体动压力对匙孔的冲击力作用降低，匙孔的稳定性提高.     

2060铝锂合金扫描填丝焊接工艺

针对铝锂合金焊后易产生气孔、抗拉强度低的缺点，提出“∞”形激光扫描填丝焊接工艺方法，以2 mm厚2060铝锂合金为研究对象开展对接焊接试验研究，探究激光扫描填丝焊接方法对铝锂合金焊接缺陷抑制作用. 借助高速相机摄像系统，探究了激光扫描填丝焊接工艺下熔池的动态演变过程，同时探究了扫描参数对焊缝气孔的影响规律及扫描填丝工艺对气孔的抑制机理. 采用曲面响应统计方法探究工艺参数对抗拉强度的影响，并给出工艺参数组合与抗拉强度的定量关系及最优参数组合，焊接接头最大抗拉强度可达382 MPa，为母材的76.4%. 结果表明，“∞”形激光扫描填丝焊接工艺下熔池流动平稳，小孔喷发强度较弱且呈现出周期性；“∞”形激光扫描填丝焊接工艺可以有效抑制焊缝气孔，提高铝锂合金焊接质量.     

空间多位置摆动激光填丝焊接熔池动态行为及焊缝成形

以316L奥氏体不锈钢管道为研究对象,在摆动激光焊接研究基础上,对管道多位置激光填丝焊接熔滴过渡和焊缝成形展开研究,分析焊接熔池动态特征,优化各位置区间工艺参数,进而实现管道全位置激光焊接. 结果表明,摆动激光束周期性的作用于填充焊丝,产生的反冲压力能够促进熔滴过渡,使得焊丝始终以“液桥”形式向熔池过渡;同时摆动激光增强了熔融金属侧向流趋势,提高熔池界面表面张力,削弱空间多位置下重力对熔池形貌的影响,保证各空间位置熔池均能稳定存在,焊缝成形连续均匀.     

高速激光热丝钎焊表面成形质量的控制

高速激光钎焊会引起熔池流动紊乱导致焊缝成形质量恶化,从而限制了其在汽车制造领域的应用。通过正交试验研究了高速下激光功率、送丝角度等工艺参数对焊缝成形质量的影响,发现焊缝成形质量随激光功率增加和送丝角度减小而提升。激光功率是通过影响熔池获得的热输入,从而影响熔池表面扰动的铺展来影响焊缝成形质量的。送丝角度是通过影响焊丝送入熔池的位置,从而影响焊丝对熔池的扰动强度和扰动的铺展速度来影响焊缝成形质量的。采用正交试验获得的最优工艺参数组合进行试验,获得了表面光滑平整无缺陷的高质量焊缝,为激光钎焊在高速下的应用发展奠定了基础。     

焊缝金属氧化物夹杂的尺寸及分布辅助外电场控制法

提出了一种在埋弧自动焊熔渣-熔池间随焊施加一辅助外电场,利用外电场控制熔体内部离子流进而控制焊缝氧化物夹杂尺寸及其分布的方法,并以直流电源提供的电压作为外电场开展了初步试验研究.结果表明,以钨材作外电场的阴极向液态熔渣内部补充大量的自由电子可极大地改善液态熔渣的导电性能,有效地诱导熔体内部形成稳定的定向离子流;外电场作用于熔渣-熔池通过使熔体内部复合粒子的进一步电离,正负离子形成互为逆向的离子流并在界面产生电化学反应以减少氧化结合的机会,因而有利于夹杂物的细化及弥散分布;同时外电场也可促使熔池内部自由氧离子电迁移至渣-金界面,并在界面优先与熔渣中氧化物形成元素结合进入熔渣从而削弱熔渣对熔池金属的氧化作用,使焊缝金属的氧含量显著降低.     

Porosity formation mechanism and its prevention in laser lap welding for T-joints

A high-speed camera and X-ray transmission observation system were used to observe the keyhole and molten pool dynamic behavior in laser lap welding T-joints. The oscillation frequency of the molten pool and the keyhole increases with increasing gap. The lower keyhole becomes slant with the large gap and large quantities of bubbles are formed at the bottom tip of the keyhole. The molten pool is divided into three different zones by the large gap and a small eddy is formed at the lower molten pool. The bubbles are difficult to escape from the lower molten pool and the gap when the gap is large, resulting in the formation of porosity at the gap and root of weld seam. The distribution characteristics of porosity in different gap have an excellent agreement with the keyhole and the molten pool dynamic behavior. Porosity can be suppressed by maintaining a small gap or adopting high welding speed. The paper provides fundamental insights into the mechanism of porosity formation during laser lap welding T-joints and guidance to aid in its elimination.