激光-电弧复合焊接铝合金的研究进展分析

为早日实现“双碳”目标,轻量化制造是必经之路。铝合金以其低密度、高比强度和可回收利用等优点脱颖而出,并且具备高塑形、优良耐腐蚀能力从而可以广泛应用于各行各业,但因为其特殊的热物理性质及复杂的合金化学成分,使其焊接过程中极易出现气孔、热裂纹等焊接缺陷,其焊接难题限制了铝合金在轻量化之路的进一步发展。激光-电弧复合焊接技术结合激光焊接技术与电弧焊接技术的优势,以其大焊接熔深、高焊接效率、高焊接质量著称,并逐渐成为铝合金高效优质焊接的重要熔焊工艺。为掌握铝合金激光-电弧复合焊的研究现状,本文首次通过文献计量学的方法定量分析了Web of Science(WoS)数据库中1995—2021年已发表的该领域的学术论文,并通过使用VOSviewer软件对WoS数据库数据进行了可视化处理。结果表明,焊接接头、微观组织、热影响区、力学性能及激光与电弧的相互作用为研究热点,因此本文从上述领域对铝合金的激光-电弧复合焊接进行了总结与分析,并结合激光-电弧复合焊接过程中的在线监测技术与新型激光在复合焊中的应用展开讨论分析,得出激光-电弧复合焊接铝合金中接头类型的选取,微观组织的分布,力学性能的提升措施及复合热源的相互作用机制。旨在为后续研究激光-电弧复合焊接铝合金提供参考。最后,基于当下的研究现状,本文提出了该领域面临的挑战及未来工作展望。

焊接位置对激光-电弧复合焊接底部驼峰的影响

目的通过改变焊接位置来抑制底部驼峰的形成进而降低生产成本。方法使用高速摄像机观察平向焊接和横向焊接2种不同焊接位置下熔池的匙孔和底部驼峰的形成过程,并对底部凸起受到的金属蒸气反冲压力、熔融金属重力以及表面张力进行受力分析。结果在S355J2W耐候钢的激光-电弧复合焊接平焊过程中,受金属蒸气反冲作用力的影响,熔融金属迅速从匙孔底部排出,流入匙孔底部凸起区域,底部凸起的增长速度极快,仅需7.5 ms即可形成大尺寸的驼峰。而在横向焊接中,匙孔前壁凸起数量减少,导致金属蒸气反冲压力减小,匙孔排出的熔融金属量减少,底部凸起的增速减缓,在13.6 ms时才达到最大高度,使驼峰在底部熔池凝固之前难以形成。结论采用横向焊接的方式可以有效避免驼峰的产生,降低生产成本。同时,该方式在焊缝背部成形效果方面也表现良好,为优化焊接工艺提供了重要参考。

船用11mm厚AH36钢激光-电弧复合焊接工艺研究

采用激光-电弧复合焊接方法,以ER70S-6焊丝为填充材料,对船用11mm厚AH36钢进行焊接。分析焊接速度、激光功率及送丝速度对焊缝成形的影响,得出合适的焊接参数,并通过对焊接接头进行无损检测,以及拉伸、弯曲、宏观、冲击和硬度试验,研究了焊接接头力学性能。结果表明:在确定的焊接参数下,船用11mm厚AH36钢激光-电弧复合焊接焊缝正反面成形好,抗拉强度为520MPa,断裂于母材位置,焊缝与母材熔合良好,接头焊缝、熔合线、熔合线+2mm、熔合线+5mm位置平均冲击吸收能量为101~221J,接头母材、热影响区、熔合线及焊缝硬度为155~342HV,满足ISO相关标准和中国船级社规范要求。

激光-电弧复合焊接工艺参量的研究进展

激光-电弧复合焊接是近几年在国际上得到迅速发展和应用的焊接前沿新技术,是材料优质高效连接的最佳熔焊工艺。激光-电弧复合焊接结合了激光焊和电弧焊两种工艺,影响焊接过程的参量较多,而这些因素的设置对焊接过程的稳定性、焊接接头的质量都有重要影响。从激光器类型的选择、辅助电源类型的选择、焊接方向、激光离焦量、激光-电弧之间距离、激光与电弧能量的匹配以及保护气体等方面讨论了激光-电弧复合焊接过程中的工艺参量的优化设置问题,并对这些因素对焊缝成形的影响进行了分析,最后提出了激光-电弧复合焊接工艺的研究方向。

激光-电弧复合焊接的应用

阐述了激光-电弧复合焊接的基本原理和优势;介绍了目前国内外激光-电弧复合焊接设备及其在汽车、造船、石油化工等制造业中的工业应用。由于激光-电弧复合焊接设备投资相对减少,生产效率提高,产品单元消耗成本降低,所以激光-电弧复合焊接工艺将有着非常广泛的应用前景。

高强钢激光-电弧复合焊接接头力学性能研究

为弥补高强钢在传统焊接中低效、变形严重、焊缝强度低等问题,采用6 k W光纤激光器和熔化极活性气体保护电弧焊复合焊接6 mm厚度的30CrNiMo钢板,在相同焊接工艺下使用ER50-6和ER308两种焊丝,焊后对两种焊缝的组织形貌和力学性能进行研究。研究结果表明:ER50-6焊丝焊缝为细小的针状马氏体组织,而ER308焊丝焊缝为粗大的柱状晶奥氏体;两种焊丝焊缝的硬度面分布也出现较大区别,ER50-6焊丝焊缝沿熔合线出现低硬度分布,ER308焊丝焊缝则在焊缝中心下部出现低硬度集中,二者对应拉伸断裂位置分别在熔合线处和焊缝中心;通过能谱分析得知,ER308焊丝中高含量的Cr元素在焊缝上部集中,导致焊缝上部淬硬性增强,硬度大幅上升,韧性急剧下降,并最终导致焊缝力学性能的薄弱。因此,采用复合焊接搭配ER50-6焊丝,可实现对6 mm厚30CrNiMo钢板以1.0 m/min速度的高效无变形焊接,焊缝强度高达1 197 MPa.

激光-电弧复合焊接缺陷形成机理及抑制方法

近年来,随着电弧焊设备、激光器性能和工业集成技术的不断提高以及激光-电弧复合焊接机理和工艺研究的持续深入,激光-电弧复合焊技术在国内外众多重要工程领域应用越来越广泛。然而,由于激光-电弧复合焊热源间的强耦合作用及其众多的工艺参数难以优化控制,焊接过程仍会出现焊接缺陷,严重影响焊接接头质量和服役可靠性。本文在深入探讨激光-电弧热源协同机制和复合参数影响规律的基础上,重点阐明了激光-电弧复合焊接气孔、裂纹、咬边、驼峰等主要缺陷的形成机理和成形过程,同时进一步分析了不同焊接形式的缺陷抑制方法及其作用机理,以期为更好地理解激光-电弧复合焊这一优质高效焊接方法并推动其更广泛的工业应用提供参考。

钛合金T形结构激光-电弧复合焊接成形工艺

采用低功率激光诱导电弧复合热源对TC4钛合金进行T形结构件穿透焊接工艺试验。分析激光与电弧复合热源间距(D_(la))、冷填丝条件、热输入对T形件焊缝成形的影响规律,测试分析T形结构穿透焊接接头横截面形貌、微观组织、力学性能及断口形貌。结果表明,激光-电弧复合焊接方法可以实现钛合金T形结构正面及背面焊缝成形的精确控制。当D_(la)=2时使激光与电弧获得最佳的耦合效果,增强了复合热源的穿透能力,改善了焊缝背面成形;冷填丝的加入能够有效改善焊缝正面的咬边及烧穿问题;激光与电弧热输入的协调是实现焊缝正面熔宽控制的主要因素之一。

D406A钢的光纤激光-电弧复合焊接性能

对低合金超高强度钢（D406A）进行了光纤激光-电弧复合焊接,在最佳工艺参数条件下,研究了装配间隙对D406A焊接性能的影响.结果表明,装配间隙的最佳范围为0.6∽1.0 mm.另外在最佳工艺条件下,对焊缝形状、焊接接头组织、硬度及力学性能进行了研究.结果表明,焊缝金属可以分为电弧区、激光-电弧复合区及激光区,并且激光区与电弧区相比组织细小;3个区域的硬度分布最高值均出现在热影响区（HAZ）;经热处理后,焊接接头力学性能基本与母材相同.

铝合金激光-电弧复合焊接工艺研究

对LF6铝合金的激光-电弧复合焊接工艺进行了初步研究。通过工艺试验,分析研究了焊接速度、激光焦点位置、钨极与激光束之间的距离、焊接电流对焊缝质量(熔深、熔宽)的影响规律。

激光-电弧复合焊接高强钢的性能

为了研究焊接参数对激光-电弧复合焊接性能的影响,采用了2 k W光纤激光器和MAG(熔化极活性气体保护焊)复合焊接780 MPa高强钢板,通过高速摄像机观察了熔滴过渡形式及激光(或电弧)先导的等离子体形态,研究了激光(或电弧)先导的特性、激光与电弧间距离、离焦量、MAG电流和熔滴过渡形式对激光-电弧复合焊接性能的影响.结果表明,电弧先导的焊缝成形更好;等离子体不仅影响焊缝形状,而且影响激光-电弧间最佳距离;激光与电弧间距对熔宽的影响较小;焊接电流影响焊缝形状和熔深,随着焊接电流的增加,熔深增加,当离焦量为-2 mm时熔深最大.

光纤激光-电弧复合焊接20Mn2管材焊接接头的组织与性能

20Mn2管材是汽车减震器活塞杆的理想材料。本文通过金相显微镜、扫描电镜、显微硬度计等分析手段研究了激光-电弧复合焊接20Mn2管材焊接接头的组织与性能。结果表明:在电弧电流一定的条件下(80 A),随着激光功率增大,焊缝熔深增大,焊缝熔宽变化不明显。随激光功率增大,焊缝晶粒逐渐粗大。在激光功率1300 W条件下,随着焊接电流增大,焊缝熔深增大,焊缝熔宽先增大后减小。随着焊接电流增大,焊缝的显微硬度峰值出现在焊缝区,随距离焊缝中心距离增大硬度逐渐降低。焊缝的主要组织为珠光体和铁素体,熔合区的主要组织为铁素体、珠光体、贝氏体和板条马氏体。

铌粉添加量对铝合金激光-电弧复合焊接气孔率的影响

基于6061铝合金板开展激光-电弧复合焊接工艺试验,结合不同铌粉添加量下的焊缝气孔率特征,分析添加铌粉对焊缝气孔的影响机理,获得铌粉添加量的合理范围。结果表明,添加铌粉可以抑制铝合金激光-电弧复合焊接气孔产生,降低气孔率;当铌粉线添加量为8.84 mg/cm时,焊缝横截面气孔率最低,为0.01%;由于铌粉增加了激光吸收率与熔池金属密度,促进了气泡形核与长大,从而促使气泡逸出,减少气孔数量。

激光-电弧复合焊接过程中高频干扰的消除

激光-电弧复合焊接过程中,由于引弧产生的高频干扰了激光器的控制系统,造成了激光和电弧不能实现复合焊接。通过分析研究高频引弧对焊接电源和激光器的干扰途径,采取相应的措施,有效地消除了高频干扰问题,成功实现了激光和电弧之间的复合焊接。

激光-电弧复合焊接技术在油箱焊接中的应用分析

激光-电弧复合焊接技术不仅是目前最受关注的研究方向之一,而且已成为目前高强钢、铝合金等结构件在焊接制造领域工程应用方面最广泛、最成功的复合焊接技术。对激光-电弧复合焊接技术在特种车辆油箱焊接中的应用进行了分析,重点研究了其焊接工艺性和焊接工艺装备,介绍了激光-电弧复合焊接技术的特点及优势,指出该技术对于提高焊接质量和焊缝性能、减少焊接变形量、提高生产效率、降低成本、减少工人劳动强度效果明显。

激光-电弧复合焊接技术与应用现状

本文综述了激光-电弧复合焊接的国内外研究现状,总结了激光与电弧两种热源的复合形式,并对该焊接工艺在船舶制造、汽车制造等行业的应用作了详述,最后指出该复合焊接方法具有较为广阔的应用前景。

具有随动功能的激光-电弧复合焊接装置研制

为满足激光-电弧复合焊接曲线焊缝的要求,研制了一种具有随动功能的焊接装置。该装置通过伺服电机驱动精密齿轮机构,带动电弧焊炬绕激光束中心旋转,从而实现焊接过程中电弧焊炬相对于激光焊炬的实时调整。为满足装置高刚性、轻量化的要求,进一步对装置进行了动态特性分析和结构优化。采用研制的装置进行了激光-电弧复合焊接试验,达到了预期功能,为曲线焊缝,特别是封闭曲线焊缝的复合焊接提供了新的思路和手段。

基于计算机三维模型的激光-电弧复合焊接过程中热现象分析

对激光-电弧复合焊接过程中的热现象建立了计算机数学模型,并进行相应分析,该模型可有效评估熔池的温度场和熔融金属的速度场。计算模型综合考虑了电弧热源和激光热源、熔化潜热和蒸发潜热以及熔融金属从多孔介质中的流动潜热等因素。实验验证,计算机模型对激光-电弧复合焊接的模拟结果与实验结果相吻合。

铝/钢异种合金激光-电弧复合焊接接头的界面性能及抗拉强度

以铝硅共晶合金Al-12Si为填充材料，采用光纤激光一冷金属过度（CMT）复合焊接技术制备铝／钢异种金属优质对接接头。通过SEM、EDS和XRD分析，结果表明：不锈钢和熔合区界面存在明显的金属间化合物（IMCs）层。从接头上部到下部，IMCs界面层逐渐增厚，并由锯齿状变成板块状。IMCs层通常表现为两层结构，分别为靠近钢基体侧的θ-Fe4（Al，Si）_13层和靠近焊缝侧的ζ-Al8（Fe，Cr）2Si层组成。当激光偏移量为0．4mm时，热输入的优化范围为80～110J／mm。在此范围内，IMCs界面层厚度范围为3～8．5μm，接头抗拉强度大于130MPa，达到铝母材的80％以上。

激光-电弧复合焊接热源布置方式对焊缝组织和性能的影响

以低合金高强钢为试验材料,采用Nd:YAG激光-MAG电弧复合焊接的方法,研究了激光与电弧的前后布置方式对焊缝形貌、组织和性能的影响。结果表明:电弧引导时焊缝主要以柱状晶为主,焊缝中心有少量的树枝晶,电弧区的柱状晶生长出二次枝晶,二次枝晶非常细小和致密,激光区的二次晶枝较粗且稀疏。激光引导的电弧区为柱状晶和树枝晶,但柱状晶较短并具有明显的层状特征,激光区中心为等轴晶,两侧为树枝晶和柱状晶,晶枝及晶枝臂粗大,晶枝臂间的间隙较小,焊缝区冲击功平均值比电弧引导时提高了33%,冲击断口的形貌表明:电弧引导时,韧窝较浅,并且存在较多的穿晶断裂区,而激光引导时韧窝较深,韧窝边缘较锐利。电弧引导比激光引导的热影响区窄,板条马氏体的晶粒相对较小。