高功率光纤激光焊接的研究进展

光纤激光焊接是一种具有较好工业应用前景的新技术,目前已经引起了国内外学者的重视。详细讨论了高功率光纤激光焊接低碳钢及低合金钢、不锈钢、高强钢、铝合金、镁合金、钛合金等材料的研究现状,分析了高功率光纤激光焊接的特点,最后总结了高功率光纤激光焊接研究进展,并提出了研究的方向。

低活化铁素体/马氏体钢厚板光纤激光焊接接头组织及力学性能分析

针对核聚变反应堆试验包层模块(TBM)中使用的CLF-1低活化铁素体/马氏体钢进行焊接试验,采用15 k W光纤激光,实现了17.5 mm厚CLF-1钢的穿透焊接,得到了正反表面成形良好、无明显缺陷的焊接接头,并对接头显微组织及力学性能进行了分析研究.结果表明,焊缝区主要为粗大的板条马氏体;熔合线附近热影响区为细小的板条马氏体和少量贝氏体;不完全淬火区为经焊接热循环作用下二次回火的回火索氏体及马氏体双相组织;接头室温及550℃高温抗拉强度较高,均断裂于母材;焊缝显微硬度高于母材,且热影响区无明显软化;接头冲击韧性良好.接头综合力学性能良好.

保护气体对不锈钢光纤激光焊接的影响

实验研究了保护气参数,如气体类型、流量、混合比例、吹气角度、落点位置等对不锈钢光纤激光焊接熔深的影响。结果表明,气体类型对焊接熔深有显著影响,且熔深按照He>N2>Ar的顺序排列;增大气体流量、减小吹气角度、或者增加Ar/He混合气体中He的比例,都会增加熔深;当气体落点位置距激光束光斑中心±1.5mm左右时熔深最大,而在激光束光斑中心时最小,二者比较熔深的增加值约为50%。

钛合金光纤激光焊接接头特征分析

采用对接焊方法,对比研究了TC4钛合金薄板光纤激光焊接和YAG激光焊接接头的宏观形状特征,分析了两种焊接热源在焊缝背宽比相同时的接头拉伸性能差异,并获得了焊接热输入对光纤激光焊接接头宏观形状与拉伸性能的影响规律。试验结果表明:光纤激光焊缝背宽比常常大于YAG激光焊缝,焊接接头的强度和塑性均高于YAG激光焊接接头。在稳定光纤激光全熔透深熔焊接条件下,焊缝背宽比和焊接接头的拉伸性能随焊接热输入的增加呈现先上升再下降的趋势,当焊接热输入为40J/mm,焊缝背宽比约0.8时,光纤激光焊接接头具有最好的拉伸性能,抗拉强度为1133.72MPa,断后伸长率为14.32%。

高强钢的光纤激光焊接性能

为了研究焊接参数对光纤激光焊接熔深和熔宽的影响,采用2 kW光纤激光器对780 MPa高强钢板进行了焊接.研究了离焦量、焊接速度、脉冲频率和峰值功率占比对熔深和熔宽的影响,并对不同焊接速度得到的焊缝组织进行了光学显微镜、SEM和硬度分析.研究表明,在离焦量范围为-5^+1 mm时,随着离焦量的增加,熔深的变化不大,熔宽逐渐减小;焊接速度小于150 mm/min的情况下,熔深和熔宽与焊接速度成反比,而与焊接结合速度成正比;方形波或三角形波激光焊接时,脉冲频率对熔深和熔宽的影响很小.在方形波脉冲激光焊接时,影响焊接熔深的主要因素是暂载率而不是脉冲频率.经研究确定焊缝金属中存在柱状贝氏体(BC)组织.

光纤激光焊接AZ91D镁合金接头微观组织特征

采用光纤激光焊接AZ91D镁合金,借助金相显微镜、X射线衍射仪、扫描电镜、透射电镜分别对焊接接头的微观组织结构、相组成、断口形貌进行分析。结果表明:光纤激光焊接AZ91D镁合金,能够得到无明显缺陷的焊接接头,焊缝组织为细小的柱状晶组织,接头热影响区小。焊缝组织由过饱和α-Mg固溶体和Al2Mg相组成,焊缝金属冷却速度较快,没有β-Mg17Al12脆性相析出。α-Mg晶内和晶界上有少量Al2Mg析出物,且存在大量位错线和位错胞。断口特征为韧脆混合断裂形式,有微小裂纹存在。

保护气体对光纤激光焊接5A90温度场分布特征的影响

基于红外热像测量技术,通过对不同保护气体时,光纤激光焊接5A90铝锂合金过程的温度场研究,获得了如下结论:改变焊接速度的对比试验表明,保护气体对光纤激光焊接5A90温度场特征及其演变规律影响很大,且在不同焊接速度下,其影响规律也略有不同,但是总体而言,氦气作为保护气体,会使得小孔与熔池更加趋于稳定,小孔中心及小孔后端温度更低。改变激光功率的对比试验表明,氦气保护时,对正面焊缝温度场分布几乎无影响,但是在氩气保护时,影响却较大,其小孔中心特征值温度均值增加158℃,熔池长度的差异也很大。结果表明,这两种保护气体下激光能量的吸收、熔池的流动等有所不同,也表明改变激光功率和改变焊接速度,即使热输入相同,但是焊缝的热历程却有所不同。

视觉传感技术在大功率光纤激光焊接焊缝宽度特征提取的应用

大功率光纤激光焊接过程中,焊池的热辐射含有较多焊接质量的信息,焊缝宽度可以体现出焊接的稳定性。因此,通过红外热成像技术提取大功率光纤激光焊接焊缝宽度是评鉴焊接质量高低的重要方法。本文基于图像处理技术的自动焊缝跟踪系统分析了302不锈钢处于持续大功率光纤激光焊接时的焊缝宽度变化情况,同时采用近红外高速传感相机及时采集焊池图像,并通过数学形态学图像算法技术对焊池图像进行分析处理和检测焊池宽度。焊接实验结果显示,提出的方法能够有效提取焊池宽度,准确反映大功率光纤激光焊接过程的状态变化,有利于焊缝跟踪分析。

大功率光纤激光焊接熔池特征提取技术研究

本文针对大功率光纤激光焊接不锈钢板紧密对接焊缝,建立了一个熔池动态信息的近红外图像检测系统,用于焊接熔池视觉信息的采集。应用可见光波和红外光波段滤光组合技术解决了焊接过程中飞溅、等离子体和红外辐射的干扰,在近红外高速摄像机获取清晰的熔池区域图像的基础上,研究了大功率光纤激光焊接熔池图像特征的提取方法,为焊缝跟踪和焊接质量控制提供可靠的视觉信息检测。

集装箱用钢SPAH的高功率光纤激光焊接

采用IPGS000高功率光纤激光器研究了2mm集装箱用钢SPAH的激光焊接组织及性能。结果表明，最合适的焊接激光功率为1．5～3kW，熔合区和过热区都为贝氏体；正火区组织为贝氏体＋少量铁素体；最高硬度在过热区，为306HV呲，比母材提高了约50％。

冲压用镀锌板的高功率光纤激光焊接

采用IPG5000高功率光纤激光器研究了DX54D+Z、(DX54D+Z)+(H300LAD+Z)的激光焊接组织及性能。结果表明,DX54D+Z的焊缝组织为准多边形铁素体,焊缝最高硬度为150HV,焊缝纵向延伸率降低了约40%。(H300LAD+Z)+(DX54D+Z)焊缝组织为贝氏体,焊缝的最高硬度为265HV,焊缝的纵向延伸率比DX54D+Z母材降低约50%,比H300LAD+Z母材降低约15%。

重载数控铣床SAE8620H钢双联齿轮光纤激光焊接接头的组织与性能研究

采用光纤激光焊接方法进行重载数控铣床SAE8620H钢双联齿轮的焊接试验,并进行显微组织、力学性能、疲劳性能和X光无损检测与分析。结果表明,该接头成形性好、无明显焊接缺陷、力学性能和疲劳性能均较好,接头的抗拉强度、屈服强度、伸长率和疲劳寿命分别达到母材的96.8%、97.2%、94.0%和91.5%。

光束焦点位置对双相不锈钢光纤激光焊接焊缝成形和组织的影响

通过焊接热模拟方法和现代材料组织分析技术,研究了光束焦点位置对于双相不锈钢2205光纤激光焊接焊缝成形和组织的影响.结果表明,激光焦点位置影响了接头温度场分布,随着激光焦点下移进入工件内,焊缝上部逐渐收窄变短,焊缝内气孔数量显著下降,热影响区尺寸无显著改变.此外,光束焦点位置对双相不锈钢焊缝组织具有影响.正离焦时,焊缝中部的奥氏体含量最高;当离焦量为0mm时,焊缝金属上部、中部和下部的奥氏体分布最为均匀.

焊后时效对光纤激光焊接T4态6016铝合金薄板组织性能的影响

光纤激光因其波长短、材料吸收率高的特点,在高反射材料焊接中具有广阔的应用。采用光纤激光实现6016铝合金薄板的焊接,并通过人工时效处理提高焊接接头的力学性能。结果表明:(180℃,10 h)人工时效处理工艺可以将焊缝中心硬度由67 HV提高到84 HV,焊接接头拉伸强度由185 MPa提高到274 MPa。6016铝合金接头在α(Al)基体中析出大量纳米尺度的β强化相,促使接头力学性能提高。但是,接头焊缝区快速凝固组织特性会影响时效强化效果,导致焊缝区力学性能的提高效果要低于母材。

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.

机器人光纤激光焊接TA15钛合金的工艺研究

采用机器人光纤激光焊接系统对厚3 mm的TA15钛合金进行激光焊接试验。为保证焊缝质量,研发了一套专用的侧面气路保护装置。研究了激光功率、焊接速度、离焦量和保护气体流量等参数对焊接质量的影响,获取了优化后的焊接工艺。

TC4钛合金光纤激光焊接熔池尺寸与近红外光信号之间的关系

利用光信号实时监测系统对TC4钛合金光纤激光焊接熔池近红外光信号进行监测,探讨了熔池尺寸与近红外光信号之间的关系。试验结果表明,近红外光信号强度与熔池表面尺寸之间存在线性关系,在穿透型与非穿透型小孔条件下,二者之间的线性关系式不同;近红外光信号强度与熔深之间存在较为明显的二次曲线关系。

工艺参数对2A97T3铝锂合金光纤激光焊接焊缝成形的影响

通过系统的工艺试验研究了1.2mm的2A97T3铝锂合金光纤激光焊接工艺参数对焊缝成形的影响。结果表明:增大焊接热输入会使焊缝熔宽及背宽比增加,其中背面熔宽变化显著,而正面熔宽变化幅度较小;焊接热输入过大时,会出现因焊缝下塌而导致熔宽减小的现象。随着焊接速度和激光功率的增大,形成深熔焊缝的参数范围会越来越窄。在线能量相同的情况下,高速焊所获得的焊缝成形较好,热导焊焊缝硬度明显高于深熔焊焊缝的硬度。

新型热作模具的光纤激光焊接工艺

采用光纤激光焊接方法,对出现裂纹的AMAX新型热作模具进行焊接试验,并分析了焊接接头的显微组织、表面硬度、拉伸性能、热疲劳性能和抗高温氧化性能。结果表明,光纤激光焊接能使该新型热作模具获得较佳的焊接接头,达到全新模具的质量水平;经过光纤激光焊接后模具的表面硬度、热疲劳性能和高温抗氧化性较焊前均有相应提高。推广光纤激光焊接模具修复技术可在很大程度上延长模具的使用寿命。

ZK60镁合金光纤激光焊接工艺参数及接头性能研究

目的采用光纤激光对ZK镁合金进行焊接,分析焊接工艺参数对焊接接头性能的影响规律。方法采用正交实验方法,在焊接过程中对焊接主要的工艺参数比如:激光的功率,焊接的速度,离焦量进行三因素三水平正交实验,采用拉力实验机对焊接接头进行抗拉强度测试,得到抗拉强度最大的工艺参数组合。对焊缝微观组织及断口形貌进行分析。结果当激光功率为1400 W、焊接速度为40 mm/s、离焦量为3 mm时,焊缝抗拉强度达到最高的308 MPa,达到母材抗拉强度的95%。结论在合适的工艺条件下,光纤激光焊接过程中,如果热输入较低,焊接速度过快,导致熔池冷却速度非常快,同时细化了晶粒,提高焊缝接头的综合力学性能。