激光-数字化精确控制短路过渡电弧复合热源焊接技术——一种可取代TIG填丝焊的高效焊接新方法

提出了激光-数字化精确控制短路过渡电弧复合热源焊接新方法.以CMT(Cold Metal Transfer)电弧焊和激光-CMT复合热源焊接为例,利用304不锈钢平板堆焊,对比分析了CMT电弧焊及激光-CMT电弧复合热源的焊缝成形特点,研究了在采用纯Ar保护气体焊接304不锈钢时的激光-CMT电弧复合热源焊接过程稳定性、飞溅、焊缝成形特征、焊接效率及焊接接头的力学性能,并将试验结果与304不锈钢TIG填丝焊进行对比.分析结果表明,纯Ar保护激光-CMT复合热源焊接接头的综合力学性能与TIG填丝焊接头的综合力学性能相当,但焊接效率可以提高5倍,因此在不锈钢和镍基合金等高性能金属材料的焊接中,用纯Ar保护的激光-CMT电弧复合热源焊接取代TIG填丝焊具有可行性.     

激光-等离子弧复合焊温度场的数值模拟

利用峰值热流随深度衰减的高斯体热源与高斯面热源相结合的方法,建立了激光等离子弧复合焊三维运动热源模型,重点考虑了由热源间距引起的激光束与等离子弧之间相互作用对热源模型的影响.基于所建立的热源模型对2 mm厚1420铝锂合金板的激光等离子弧复合焊接温度场进行了有限元分析,得到了不同热源间距条件下焊接区域的温度场分布.结果表明,仿真结果与试验结果相符合,证明了该热源模型是反映了客观实际的.此工作对于激光电弧复合焊接传热及工艺研究具有指导意义.     

金属粉末再压缩等离子弧焊接工艺

提高电弧穿透能力是等离子弧焊接领域的重要课题.自主设计并搭建了金属粉末再压缩等离子弧焊接新工艺试验平台,采集焊接过程电信号、视觉信号、弧光光谱信号等,并从焊缝成形、电弧电压、熔融金属过渡、弧光光谱等方面对金属粉末再压缩等离子弧焊接过程进行了初步的研究.在相同焊接电流195 A条件下,与常规等离子弧焊接工艺相比,金属粉末再压缩等离子弧焊接焊缝熔深增加1.29 mm、熔宽减少1.65 mm、电弧电压升高0.63 V.在波长为230 ~ 270 nm范围内,与常规等离子弧焊接相比,金属粉末再压缩等离子弧焊接中Fe和Cr元素的特征谱线明显增多. 结果表明,在相同电流条件下,与常规等离子弧焊接相比,金属粉末再压缩等离子弧焊接电弧穿透能力增强.     

激光-微束等离子弧复合焊接过程的结构负载声发射信号表征

采用脉冲YAG激光焊、微束等离子弧焊和激光-微束等离子弧复合焊对304不锈钢进行焊接试验,实时采集焊接过程中的结构负载声发射信号,研究声发射信号对焊接过程的表征. 结果表明,激光离焦量为-2 mm的激光-微束等离子弧复合焊接,热源复合效果更好,焊缝表现出更显著的复合热源焊接特征. 焊缝获得了更好的表面成形和熔深、熔宽. 热源复合效果更好的焊接过程,其声发射信号波形表现出更大振幅,且更为均匀,并与激光热源的周期性相符,呈现出明显的复合热源焊接周期性. 因此可以利用焊接过程检测到的结构负载声发射信号表征激光和微束等离子弧两种热源复合效果特征.     

基于纯氩保护气体的304不锈钢激光-CMT电弧复合热源焊接试验研究

利用高速摄像分别采集了纯Ar保护气氛下激光与CMT电弧复合前后的CMT电弧形貌。研究了在采用纯Ar保护气体焊接304不锈钢时的激光-CMT电弧复合热源焊接过程稳定性、焊缝成形、焊接效率、焊接接头的力学性能及组织特点,并将试验结果与304不锈钢TIG填丝焊进行对比。分析结果表明,纯Ar保护的激光-CMT复合热源焊接接头的综合力学性能与TIG填丝焊接头的综合力学性能具有相当的水平,但焊接效率可以提高5倍,因此在不锈钢、镍基合金等高性能金属材料的焊接中,用纯Ar保护的激光-CMT电弧复合热源焊接取代TIG填丝焊具有可行性。     

Nd:YAG激光+CMT电弧复合热源横焊工艺参数对焊缝成形的影响

以304不锈钢为对象,借助焊缝成形参数来评价YAG激光+CMT电弧复合热源横焊焊缝的成形特征,研究了Nd:YAG激光+CMT复合热源横焊过程中焊接工艺参数对焊缝成形的影响.结果表明,在CMT电弧焊接中加入激光可以改善横焊焊缝成形;在激光能量和焊接电流一定时,光丝间距存在一个最佳匹配,使得Nd:YAG激光+CMT复合热源横焊焊缝成形良好;与其它复合热源焊接相对比激光功率对熔深影响较大,对横焊焊缝成形的影响程度与焊接电流有关;焊接速度对横焊焊缝成形影响显著;离焦量对横焊焊缝成形影响较小;电弧功率对横焊焊缝的偏离度影响显著.     

基于小孔形状的TCS不锈钢激光+GMAW-P复合焊热场模型

为合理描述激光能量在小孔内的分布特征,采用光线追踪法处理光线在小孔内的多次反射和孔壁的Fresnel吸收,对线热源小孔模型做出了改进.根据小孔形状尺寸的计算结果,确定激光焊体积热源的分布参数.将标定后的激光焊体积热源分布参数应用于激光+熔化极脉冲电弧(激光+GMAW-P)复合焊的组合式体积热源模型,对TCS不锈钢复合焊准稳态温度场进行了数值分析.开展了TCS不锈钢复合焊工艺实验,将复合焊焊缝形状尺寸的模拟结果与实测结果进行了对比,验证了所建立的复合焊热场模型.基于小孔形状的复合焊热场模型能较好地模拟TCS不锈钢复合焊温度分布与焊缝成形.利用该模型计算了不同工艺条件下TCS不锈钢焊接HAZ形状尺寸以及HAZ内不同位置处的热循环曲线,分析了TCS不锈钢复合焊的热循环特征,为接头组织与性能的预测分析奠定了基础.     

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.     

YAG-MIG复合焊接5A90等离子体光谱分析与温度计算

5A90铝锂合金在航空航天中的重要应用使得对其焊接性的研究变得尤为重要.在YAG-MIG复合焊接5A90的条件下,使用光谱仪对焊接过程中金属蒸气/等离子体进行监测,获得了其特征光谱分布,并由谱线相对强度法计算获得了金属蒸气/等离子体的温度,并对焊接工艺参数对金属蒸气/等离子体温度的影响进行了探讨.结果表明,复合焊接的特征光谱在350～850 nm范围内以大量的高强度的氩离子谱线为主,伴有少量镁、锂离子.得到了一组工艺参数下复合焊接5A90过程中等离子体的平均温度为6 554 K,比同等工艺参数水平下YAG焊的增加了将近1 200 K,而与电弧焊的比较接近.     

气体保护对304不锈钢激光-CMT电弧复合热源焊接接头冲击韧性的影响

以20mm厚304不锈钢为研究对象,在纯Ar气保护条件下,研究了气体保护效果对激光-CMT电弧复合热源焊接接头冲击韧性的影响,并将试验结果与TIG填丝焊进行对比.结果表明,气体保护效果对冲击韧性产生重要影响,当保护效果较好时,焊接接头的冲击韧性较高,基本达到TIG填丝焊的水平.     

激光-电弧复合焊接过程中等离子体的耦合行为

激光-电弧复合热源可以形成3种焊缝横截面的形貌,根据焊接参数对焊缝横截面形貌的影响建立了激光和电弧等离子体相互作用的物理机制.通过考察复合焊接过程中电弧等离子体中原子分布状态、电弧辐射光谱信息以及激光"匙孔"的行为对机制进行了验证.结果表明,激光对电弧等离子体的作用是通过激光形成的"匙孔"及其内部等离子体实现的,在适当参数下,电弧等离子体弧柱会进入激光"匙孔"内部,并与"匙孔"等离子体发生耦合放电,最终形成复合等离子体.电弧等离子体和"匙孔"等离子体的耦合作用有利于提高热源的能量密度.     

激光对脉冲MAG电弧辐射的影响

搭建了激光一脉冲MAG复合焊接系统和采集系统,分别在加激光和不加激光的条件下进行试验,得到了电信号和电弧光谱数据．运用线性拟合的方法,分析了FeII274．648,FeI382．043,FeI492．050,ArI801．479谱线的电弧能量输入和光谱辐射强度之间的关系．结果表明,四条特征谱线的光谱辐射与电弧的能量输入...     

窄间隙坡口激光-MAG复合焊温度场数值模拟

采用激光电弧复合焊焊接窄间隙坡口钢板,坡口会影响激光光致等离子体及电弧形态,从而改变能量密度分布。采用数值模拟手段,综合考虑激光与电弧的相互作用以及窄间隙坡口对等离子体及电弧的压缩作用,建立激光-MAG复合堆焊热源模型和适用于窄间隙坡口的激光-MAG复合焊接热源模型,并分别进行堆焊和窄间隙坡口对接焊的温度场数值模拟。结果表明,两种热源模型的模拟所得焊缝形状与实际焊接焊缝熔合线相符性良好,熔宽、熔深相近,窄间隙坡口对温度场分布有重要影响。     

TA2中厚板低功率激光诱导双电弧高效焊接及机理

采用低功率脉冲激光诱导双TIG复合焊接热源(LITTW)实现了6 mm厚TA2纯钛中厚板的高效焊接,基于Ti粒子的动力学行为,研究了激光脉冲对电弧等离子体的影响.结果表明,LITTW比激光诱导单TIG焊接(LISTW)的电弧能量更加集中,焊接能耗仅为LISTW的50.9%,速度却达到LISTW的2.3倍.激光脉冲作用后,电弧等离子体由能量集中状态恢复到原始电弧形态存在一个恢复时间,在本试验条件下,LITTW的恢复时间为6.5 ms,比LISTW延长了3 ms. LITTW中稳定的匙孔形态为Ti粒子持续向电弧等离子体转移提供了条件,延长了电弧等离子体的恢复时间.     

激光+GMAW复合热源焊焊缝成形的数值模拟III.电弧脉冲作用的处理与热源模型的改进

针对激光+脉冲GMAW复合焊时电弧脉冲的热作用特点,将电弧热流处理为脉冲电流和基值电流阶段分布参数不同的双椭圆模式,同时适当减小焊件表面的热导率,以间接考虑脉冲电流和基值电流的间歇式作用.根据平均焊接电流大小确定熔滴热焓椭球体分布的作用区域,并考虑激光热源的作用位置.从以上几方面对前期研究采用的热源模型进行了改进,建立了两类新的适用于复合焊的组合式体积热源模型.利用改进后的热源模型对不同工艺条件下复合焊的焊缝横断面形状尺寸进行了模拟计算.计算得到的熔深、熔宽以及熔合线走向都与实验结果吻合,使数值模拟精度有了较大提高.     

低功率激光-双电弧焊接钛合金中厚板工艺及机理

采用单钨极惰性气体保护焊(single tungsten inert gas welding,STIG焊)、双钨极惰性气体保护焊(double tungsten inert gas welding,DTIG焊)、激光-STIG电弧(L-STIG)复合焊和激光-DTIG电弧(L-DTIG)复合焊4种方式对6 mm 厚TA2钛合金进行对接焊试验,实现单面焊双面成形. 结果表明,L-DTIG复合焊的电弧能量更为集中,焊接速度可达680 mm/min. L-DTIG复合焊的热输入为605.5 J/mm,仅是DTIG焊的35.5%和L-STIG复合焊的59.0%. L-DTIG复合焊接头的焊缝区晶粒细小,显微硬度可达229.5 HV. 拉伸试样在母材处断裂,接头抗拉强度优于母材. 加入激光后,L-DTIG复合焊的电弧等离子体中心导电区在xOz和yOz平面电弧分别收缩51.0%,45.5%,电弧根部收缩75.0%. 测得L-DTIG复合焊热源在工件上的电弧压力为3 465 Pa,分别是DTIG焊和L-STIG复合焊的4.17和2.25倍. 较高的电弧收缩比和电弧压力可显著提高焊接效率,降低焊接热输入.     

电弧弧长对激光-电弧复合焊飞溅和底部驼峰的影响

由于热源形式的特殊性,激光-电弧复合焊接过程中激光和电弧间易发生相互干扰,产生飞溅和底部驼峰等缺陷。以590 MPa级船用高强钢为研究对象,研究了电弧弧长对激光-电弧复合焊飞溅和焊缝底部驼峰的影响。为了深入研究激光-电弧复合焊飞溅和底部驼峰的产生机理,利用高速摄像设备对熔滴过渡行为和焊缝底部熔池进行了观察。结果表明,适当缩短电弧弧长可以降低激光和电弧间的相互干扰,提高复合焊接过程的稳定性,进而降低飞溅产生的倾向。底部驼峰是小孔熔透性差和底部熔池流动不连续所引起的。缩短电弧弧长可以对底部驼峰的产生起到抑制作用,这是因为缩短电弧弧长可以降低等离子体对激光的吸收,提高激光的能量利用率,增加小孔熔透性和稳定性。 创新点： 研究了电弧弧长对激光-电弧复合焊飞溅和底部驼峰的影响,采用高速摄像方法对底部熔池流动进行了观察,进一步明确了激光-电弧复合焊接焊缝底部驼峰的产生原因。     

镁合金低脉冲激光-气体混合焊的熔池形貌演变和多级调控

利用基于COMSOL Multiphysics的脉冲激光-气体钨极电弧（GTA）混合焊接新型双热源模型,分析了焊缝沿线选定点的温度分布,研究了激光脉冲参数和电弧电流对熔池形貌的影响。工艺参数对熔池深度的影响由大到小为：激光激励电流>电弧电流>激光脉冲宽度>激光脉冲频率;工艺参数对熔池宽度的影响由大到小为：电弧电流>激光脉冲宽度或激光激励电流>激光脉冲频率。在此基础上,构建了激光诱导电弧焊接镁合金熔池形貌数据库体系,通过复合热源参数的分级调控,以实现对熔池形貌的精准控制。利用T形焊接熔池来验证熔池形貌的调控效果,结果表明控形的准确度高至95.1%。