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。

TP304/Q235不锈钢复合钢板焊接组织性能研究

采用焊条电弧焊以及埋弧焊工艺对TP304/Q235复合钢板进行焊接试验,研究了焊接接头的显微组织、合金元素分布、力学性能和显微硬度。试验结果表明:复合钢板复层TP304焊缝和基层Q235焊缝的显微组织分别为奥氏体+铁素体(伴有魏氏组织)和铁素体+珠光体。复层TP304母材侧合金元素Cr、Ni的质量分数低于复层焊缝侧,随着距离复层母材位置的增加,Cr、Ni的质量分数表现出了缓慢上升的趋向,整体呈阶梯状分布。复合板接头抗拉强度处于TP304母材和Q235母材之间,且断裂位置为母材处。复层TP304侧焊接接头和基层Q235侧焊接接头的显微硬度分布趋势相似,表现为热影响区和焊缝金属的硬度值高于母材,且峰值都出现在热影响区内,分别为265 HV左右和440 HV左右。综上所述,在本次试验研究条件下,所得到的TP304/Q235复合钢板组织性能优越,保证了接头质量,为不锈钢复合钢板在化工生产和石油管道等领域的应用积累了经验。

铜/钢爆炸焊接复合界面的显微组织及晶粒结构演化机理

采用光滑粒子仿真、先进表征和理论分析相结合的方法,对铜/钢复合材料爆炸焊接过程中的界面瞬态行为进行深入研究,并详细阐述其显微组织演化机制。根据仿真数据重构波形完整的演化过程,并揭示各种界面特征的形成机制。多尺度EBSD分析表明,界面附近区域呈多样性的晶粒结构,其演化机制主要受塑性流动、动态再结晶和凝固形核三个过程的控制。最后,通过纳米压痕实验建立晶粒结构与力学性能之间的关系。

L360QS+UNS N08825双金属复合管热丝TIG自动焊接工艺

双金属复合管作为一种油气输送管道材料,具有较强的耐蚀性能,特别适用于输送强腐蚀性介质。我国川渝地区的油气资源含有较高的硫化氢(H2S)和其他硫化物,管道内部形成了复杂的腐蚀环境,易导致管道内壁腐蚀、应力腐蚀开裂等多种失效形式。川渝地区油气管道常采用镍基合金、不锈钢等高性能的耐腐蚀材料,其中铁山坡项目中选用了L360QS+UNS N08825双金属复合管作为输送管道材质。针对825镍基复合管传统手工焊接方式效率不高,质量受人为因素影响大的问题,通过焊材匹配、自动焊接设备选型、焊接工艺参数优化等手段,开展焊接试验,研发了L360QS+UNS N08825双金属复合管热丝TIG自动焊接工艺,并在铁山坡项目中进行了实施应用,取得了显著的效果,一次焊接合格率可达99.2%,同时针对焊接缺陷返修和易出现的质量问题进行了分析,提出了相应的工艺措施。该工艺对于同类材质管道焊接具有重要的指导意义和参考价值。

能量配比对6 mm 7A52铝合金板材VPPA-MIG复合焊接残余应力分布的影响

VPPA-MIG复合焊接的热源由VPPA和MIG两种电弧热源混合而成,该焊接方法集合了MIG焊接效率高、参数区间宽以及VPPA焊接能量集中、穿透深度大等优点,能够实现不同厚度铝合金板材的高效率和高质量焊接。在铝合金板材VPPA-MIG复合焊接过程中,VPPA与MIG两种电弧不同能量配比会影响焊后接头的残余应力分布。以6 mm厚7A52铝合金板材为试验材料,设置VPPA电弧能量配比不同的焊接参数进行VPPA-MIG复合焊接试验,焊后采用钻孔法测试并分析了接头残余应力分布及峰值大小。结果表明,复合焊接接头的熔合区和热影响区出现拉应力,母材区出现压应力。在复合焊接热源总能量不变的情况下,残余应力峰值随VPPA电弧能量配比的增加而增大,且当VPPA电弧能量配比从35%增大至40%时,可以获得成形效果良好的复合焊缝,横向残余应力峰值不超过73 MPa,纵向残余应力峰值不超过232 MPa,不会出现过大的残余应力峰值。与单MIG焊接相比,VPPA-MIG复合焊的残余应力峰值比单MIG焊大,而高应力区要比单MIG焊窄。

TA2/AZ31B/2024Al爆炸焊接复合板界面微观结构特征及其动态力学性能

运用平行法爆炸焊接工艺,开展了TA2/AZ31B/2024Al多层轻质金属板材爆炸焊接实验。通过扫描电镜、电子背散射衍射、分离式霍普金森压杆及三维轮廓扫描等测试技术,对多层爆炸焊接复合板界面微观结构特征、材料物相变化规律、复合板材动态力学性能及材料冲击断口特征开展了系统研究。研究结果表明:焊后多层轻质金属复合板的4个焊接界面均呈现出爆炸焊接特有的波形结构特征,结合界面处无明显缺陷,总体焊接质量良好。结合界面处晶粒发生细化并形成细晶区,1060Al过渡层内晶粒组织由于强塑性变形呈现典型的拉长层状晶粒特征,4个结合界面处均出现明显的变形织构与再结晶织构特征。沿X方向的试样最大动态抗压强度达605 MPa,分层断口界面三维形貌呈现近似水面波纹的独特结构特征。沿Z方向的试样最大动态抗压强度达390 MPa,断口界面三维形貌呈现明显的纤维状韧性断裂特征。

高钢级套管复合载荷试验堵头焊接工艺研究

为了确保高钢级特殊螺纹套管在复合载荷试验过程中试样与堵头焊接的可靠性,分析高钢级特殊螺纹套管堵头材料的焊接性能,选择合适的焊材及焊接结构,制定高钢级特殊螺纹套管复合载荷试验堵头焊接工艺,采用2种焊条进行多层多道焊接并进行焊前预热、焊后热处理的工艺能有效提高焊缝强度及韧性。实践表明,制定的焊接工艺能够保证堵头焊接的连接强度,可满足API RP 5C5—2017规定的高钢级特殊螺纹套管CAL IV级复合载荷试验要求。

390MPa级船用高强钢激光-MAG复合焊接接头组织与力学性能

对8 mm厚390 MPa级船用高强钢进行了激光-MAG电弧复合焊接,研究了焊接接头焊缝形状和组织特征,分析了焊接接头硬度分布、拉伸性能和冲击性能。结果表明,激光-MAG复合焊接焊缝呈“酒杯”状,热影响区宽度较小。焊接速度为0.8 m/min时,焊缝区组织主要为先共析铁素体、侧板条铁素体、针状铁素体和板条贝氏体;焊接速度达到1.2 m/min以上时,先共析铁素体和侧板条铁素体比例显著减小,针状铁素体和板条贝氏体比例增加。焊接接头硬度均高于母材,没有明显软化区。激光-MAG复合焊接接头具有良好的低温冲击韧性;随着焊接速度增大,焊缝区-40℃和-60℃冲击吸收能量显著增加。

轧制对爆炸焊接TA1/5052与TA1/1060/5052复合板组织与性能的影响

利用爆炸焊接的方法制备纯钛TA1与5052铝合金复合的TA1/5052复合板,以及加入中间层纯铝1060的TA1/1060/5052复合板,研究轧制对爆炸焊接态TA1/5052与TA1/1060/5052复合板组织与性能的影响,以及加入中间层对复合板界面的影响。结果表明:爆炸焊接态的TA1/5052与TA1/1060/5052复合板界面结合良好,在退火后其界面的组织主要为α-Ti、α-Al以及钛铝金属间化合物TiAl3;复合板硬度较钛、铝原始板材有较大的提升,同时具有良好的拉伸与弯曲性能,并且在力学性能测试过程中不发生分层。轧制后,由于轧制下压力的作用,导致复合板扩散层厚度下降,微观组织发生变化,界面附近的晶粒被挤压变形,并在进料过程中被逐渐拉长,呈现出纤维状组织,且轧制过程中产生强烈的加工硬化,导致复合板的抗拉强度与显微硬度增加。加入中间层可以明显改善复合板的界面形貌,抑制界面处Ti/Al金属间化合物的形成。

SiC_(p)/2024Al复合材料热挤压对激光焊接接头组织性能的影响

采用SiC颗粒增强铝基复合材料替代铝合金制造舰船船体或装甲车体,是解决当前舰船、装甲机动性和防护性二元矛盾的潜在途径。在实际应用过程中因为供货渠道不同,此材料存在不同的状态,这对材料焊接会产生较大的影响。对不同供货状态的SiC_(p)/2024Al复合材料进行激光焊接,对比热挤压前后材料的焊缝成形情况,分析热挤压工艺对焊缝成形以及焊缝接头的物相和显微组织的影响;通过显微硬度,拉伸等力学性能测试,分析复合材料的断裂行为并确定其断裂机理。试验结果表明:热压烧结的SiC_(p)/2024Al复合材料激光焊缝中存在大量的气孔缺陷,接头的最高抗拉强度为76 MPa,仅达到母材强度的28%,焊接后材料强度下降严重;采用热挤压后的复合材料进行激光焊接,焊缝完整,无气孔缺陷,接头没有出现明显的低硬度区域,接头的抗拉强度达到124 MPa,相比于热挤压前的材料焊接接头抗拉强度上升60%;相较于热压烧结的材料,热挤压后的材料焊接性明显增强,接头力学性能有明显的提升。

不锈钢复合钢材焊接方管T形管节点试验研究

不锈钢复合钢材是一种成本低、强度高、耐腐蚀性能优异的高性能钢材,其在对耐腐蚀要求高的工程结构应用中尤其具有竞争力。该文旨在通过试验,研究不锈钢复合钢材焊接方管T形节点在静力和低周往复荷载作用下的力学性能,设计、制作了4个管节点试件并完成了加载,基于试验结果重点研究了各管节点试件的试验过程、破坏模式、荷载-位移响应和应变发展等;按中国规范GB 50017和欧洲规范EN 1993-1-8进行了节点承载力计算,并与试验值进行了对比。研究结果表明,对于支管承受轴向压力的管节点试件,以主管上表面塑性破坏为主;对于支管承受水平低周往复荷载的管节点试件,以主管上表面塑性变形和主管与支管之间连接焊缝断裂破坏为主;当管节点破坏模式符合现行规范GB 50017和EN 1993-1-8中规定时,相关承载力计算公式仍适用于此类不锈钢复合钢材焊接方管T形管节点的设计计算。

高功率激光-MAG复合焊接成形稳定性

采用激光-MAG(Metal active gas arc welding)复合焊接工艺,以焊缝表面成形、焊缝纵截面形貌和熔深波动程度为工艺稳定性评价依据,借助高速摄像系统和图像处理方法,对焊接过程中飞溅和等离子体两种关键过程信息进行特征识别和定量化表征,系统地研究激光功率从5 kW提高到30 kW时,焊接过程关键特征信息与焊接过程稳定性之间的关系。结果表明,随着激光功率的增加,焊缝表面成形出现周期性“上凸-下凹”现象,焊缝内部裂纹和熔深变化特征也随之周期性变化;等离子体面积和飞溅面积均随激光功率的提高呈增加趋势,且两者波动程度和熔深波动程度均呈正相关;等离子体面积增加会导致激光传输过程中能量衰减程度的加剧,使焊缝熔深增加趋势逐渐变缓,其波动程度是影响焊接过程稳定性的关键因素之一。

硅烷偶联剂改性金属加热元件提高碳纤维/聚苯硫醚热塑性复合材料电阻焊接强度

以使用碳纤维为增强体,聚苯硫醚为树脂基体的碳纤维增强聚苯硫醚(Carbon Fiber Polyphenylene Sulfide,CF/PPS)热塑性复合材料为研究对象,对其电阻焊工艺进行了研究,获得了最佳工艺参数,并使用硅烷偶联剂对加热元件(304不锈钢金属网)进行改性。在探索最佳工艺参数时,使用了田口试验方法,设计了三因子三水平的正交试验,得到了在CF/PPS电阻焊试验最佳参数(电流为42 A,压力为2.0 MPa,时间为10 s)下的最大单搭接剪切强度(Lap Shear Strength,LSS)为24.5 MPa。运用硅烷偶联剂对加热元件进行表面改性,提高了聚苯硫醚与金属网之间的黏附性。与加热元件未进行任何处理的焊接接头相比,使用硅烷偶联剂处理加热元件的焊接接头搭接剪切强度为31.1 MPa,提高了27%。

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。

镍基合金625/X65复合管制造及焊接技术

双金属复合管具有耐腐蚀性强、价格低廉、承压能力高、特殊条件中服役安全等优点,在我国得到了越来越多的推广和应用,涵盖了油田、油气、天然气和海底管道等领域。海洋石油项目的管道运输系统是天然气或油的主要运输方式,但管道运输由于服役年限较长,老化严重,以及含硫天然气的输送,容易出现腐蚀现象,因此对输送管线也有特殊要求,通常选用镍基合金625/X65复合管。文章介绍镍基合金625/X65复合管的特点、性能、焊接难点、坡口形式、焊接方法选择等各方面的相关要求。

12 mm厚TC4钛合金激光-MIG复合焊接头疲劳裂纹扩展行为研究

为探究12 mm厚TC4钛合金激光-MIG复合焊接头在不同区域的疲劳裂纹扩展行为,并分析微观组织与裂纹扩展之间的相互作用。利用体式显微镜、相显微镜、扫描电子显微镜和电子背散射衍射技术分别对接头不同部位的裂纹扩展速率,裂纹扩展路径的变化,接头不同区域的显微组织与裂纹扩展的交互作用和裂纹尖端周边组织的变形特征进行了深入探究。结果表明,在裂纹稳定扩展阶段,母材区域的裂纹扩展速率最大,分别是热影响区和焊缝区域裂纹扩展速率的1.16倍和1.81倍。当ΔK=20 MPa·m^(1/2),母材裂纹扩展速率为3.39×10^(-4)mm/cycle。裂纹尖端的IPF图表明,在焊缝区中存在的50°~70°的大角度晶界占比为36.36%,高于母材的11.91%和热影响区的11.65%,大角度晶界的存在使裂纹沿晶界偏转或消耗更多能量穿过晶界,增大裂纹扩展阻力,表现出较好的裂纹扩展抗性。母材和热影响区表现出沿晶脆性断裂和韧性断裂的混合断裂模式,而焊缝区主要呈韧性断裂模式。此外,EBSD分析结果表明,焊缝区裂纹尖端附近具有更高的几何位错密度,位错在马氏体边界聚集,导致裂纹沿晶界发生偏转,进一步阻碍了裂纹的扩展。施密特因子分析也表明,焊缝区组织间的取向差差异较大,导致其裂纹扩展门槛值较高。综上,焊缝区中存在的大量大角度晶界和高位错密度是焊缝区具有较高裂纹扩展抗性的主要原因。

12 mm厚TC4钛合金激光-MIG复合焊接头组织与性能研究

目的探究TC4激光-MIG复合焊接头显微组织与基本力学性能之间的联系,分析接头不同区域的断裂行为。方法利用激光-MIG复合焊制备TC4钛合金对接接头,采用光学显微镜和扫描电镜观察接头焊缝区、热影响区及母材的显微组织,在室温下进行了显微硬度测试、拉伸性能测试与断裂韧性测试,并对试样断口进行了观察分析。结果接头的焊缝区组织为粗大的β相柱状晶,晶内纵横分布着αʹ针状马氏体和针状α相,靠近焊缝一侧的热影响区则由针状αʹ相、α集束与少量细小的块状α相构成。随着远离焊缝中心,母材侧热影响区组织转变为块状的α相、少量α集束及初生β相,并最终趋于与母材组织相似。热影响区的显微硬度值达到最大,这是因为该区域存在比焊缝区更为细小的针状αʹ相。接头的平均抗拉强度和断后伸长率分别为1020.22 MPa和7.38%。接头在拉伸时主要在焊缝区发生断裂。焊缝区展现出比母材区和热影响区更优异的断裂韧性,平均值为87.14 MPa·m1/2,焊缝区内纵横交错的网篮组织与集束是其断裂韧性较高的主要原因。结论在TC4钛合金的激光-MIG复合焊过程中,针状α相和αʹ马氏体的存在会提高焊缝的显微硬度和断裂韧性,但相较于母材塑性没有提升,通过调控焊缝区显微组织结构,可以获得所需性能的接头。

高强钢激光—电弧复合焊接研究

高强钢具有强度高、质量轻等优点,在军事、车辆、海洋工程、船舶制造等领域被广泛应用。然而由于其硬度高、延展性低且易开裂,因此焊接高强钢极具挑战性。激光—电弧复合焊接结合两种热源的优点,能够消除单独热源存在的缺陷,改善焊接质量。本文主要对现有高强钢激光—电弧复合焊接方式进行总结与研究。

FCAW焊接修复对AH36/2205不锈钢复合板接头性能的影响

由于减少了贵重合金元素的使用,AH36/2205不锈钢金属复合板在应用中有着巨大的经济效益。复层和基层金属间的物理、化学性质存在差异,焊接质量不稳定,因此焊接修复不可避免。为了研究焊接修复对于焊接接头性能的影响,针对14 mm+2 mm的AH36/2205不锈钢金属复合板,采用药芯焊丝气体保护焊(FCAW)进行1~3次焊接修复模拟试验。结果表明:AH36/2205不锈钢金属复合板不适合采用FCAW进行焊接修复,1次修复试板的点蚀率达到了167.7 mdd。随着修复次数的增加,不锈钢复合板接头的力学性能及耐晶间腐蚀性能良好,而点蚀率增加,接头的耐点蚀性能下降。

2219铝合金激光-电弧复合焊接工艺优化

本研究采用CO_(2)激光-TIG电弧复合焊接方法对航天用2219铝合金开展了焊接工艺优化试验,研究了激光功率、焊接电流、焊接速度等参数对焊接接头成形的影响,得到了优化的CO_(2)激光-TIG复合焊接参数,同时对优化焊接参数下焊接接头的显微组织和力学性能进行了分析。焊缝中心区域组织主要为Al-Al_(2)Cu组成的共晶组织,形态上为细小的枝状晶,热影响区组织与母材组织近似,但是晶粒尺寸略大于母材。复合焊接接头平均抗拉强度为294 MPa,达到母材抗拉强度的70.84%,断后延伸率为8%,拉伸断裂特征为典型的韧性断裂。