6061铝合金激光摆动-电弧复合焊组织与力学性能分析

对高铁6 mm的6061铝合金进行激光摆动-电弧锁底对接焊,以焊缝熔深与气孔率为指标,借助扫描电子显微镜(scanning election microscope,SEM),电子背散射衍射(electron backscatter diffraction,EBSD)等表征手段分析了摆动频率对焊缝微观组织与力学性能的影响规律.结果表明,当摆动频率升高为250 Hz时,焊缝气孔率降至1%以下,靠近熔合线附近的焊缝区域主要由柱状枝晶组成,而焊缝中心电弧区域主要由等轴枝晶组成,激光摆动频率变化会影响单位周期内光束前进距离,进而影响光束对熔池后方的搅拌能力强弱,随着激光摆动频率的增大,熔池的搅拌作用效果增强,焊缝中心等轴枝晶细化程度明显,晶粒尺寸由68μm降至44μm.当摆动频率为250Hz时,接头的抗拉强度达到最大为229 MPa,约为母材强度的73%,焊缝气孔率的降低和焊缝中心细化的枝晶组织为接头强度提高提供了有利条件.

激光/等离子电弧复合热源能量参数对钛合金焊缝成形的影响

在对钛合金激光/等离子电弧复合焊与单一激光焊的焊缝成形进行比较的基础上,研究了激光在复合等离子电弧后主要焊接工艺参数对焊缝成形的影响。结果表明,随激光功率增大和焊接速度降低,复合焊与单一激光焊焊缝的横截面形貌均由钉形向近X形转变。与单一激光焊相比,复合焊焊缝的余高和咬边较大。激光/等离子电弧“协同效应”随激光功率和焊接速度变化而不同,从而影响复合焊焊缝的熔宽和熔宽比。随焊接电流从零增大到60 A,焊缝熔宽略有增大,而焊缝熔宽比基本保持不变。

Q345B钢激光-电弧复合焊接工艺性能研究

利用激光-电弧复合焊接方法,研究了6 mm厚Q345B板激光-电弧复合焊接成形的影响规律,并分析了该方式下工况适应性及接头性能。结果表明:在激光功率为4000 W、焊接速度0.8 m/min、送丝速度8 m/min及光丝间距5 mm时获得了良好的焊缝成形,且对间隙和错边的适应性较好;焊缝X射线探伤可以达到I级合格;接头力学性能表现良好。

激光-电弧复合焊接技术及工艺认可

为突破激光焊接工艺的局限性,对激光-电弧复合焊接技术的工作原理和工艺特点进行介绍,并对试验过程中常见的焊接缺陷和原因进行分析汇总,在此基础上,给出激光-电弧复合焊接工艺认可提示和规范完善建议。研究成果可为激光-电弧复合焊接技术在船舶制造业中的应用提供一定参考。

304不锈钢激光-电弧复合焊流场数值模拟研究

为研究304不锈钢在激光-电弧复合焊接过程中熔池内部的变化情况,采用有限元分析软件对304不锈钢进行激光-电弧复合焊流场数值模拟,分析不同焊接参数对焊缝形貌及微观结构的影响机制。结果表明,随着激光功率和焊接电流的增大,焊接热输入总量逐渐增大,焊缝熔池深度增大;激光扫描频率越大,焊接过程中热输入越快,焊缝熔池深度也越大;激光扫描振幅则影响了焊缝熔池的宽度,激光扫描振幅越大,熔池的宽度越大。激光功率、焊接电流、激光扫描振幅、激光频率不仅影响了熔池的宽度和深度,也影响了不锈钢表面熔液的流速和熔池内部温度场和流速场的均匀性,从而影响了焊缝成形和微观结构。此外,在光束搅拌效应下,熔滴以涡流的形式存在于熔池内部,而涡流的方向取决于激光移动的方向,激光向左扫描时形成逆时针涡流,向右扫描时形成顺时针涡流。同时动态匙孔减少了熔池热量积累和熔池的孔隙率。

铝合金高频振荡扫描激光-电弧复合焊缝成形规律与预测

高频振荡扫描激光-电弧复合焊接能够通过扫描搅拌效应调控铝合金焊缝微观组织及其力学性能,但是在控形方面还鲜有研究,无法为工业应用提供理论支撑.为此,系统研究了激光束扫描振幅A和频率f对AA6082铝合金激光-电弧复合焊缝成形特征的影响规律,包括焊缝表面飞溅、焊缝下部激光区宽度和熔深占比,并基于光束扫描的能量分布特征和激光焊接模式转变行为,探讨了焊缝形貌转变机理.随后,根据焊缝成形缺陷数量和激光深熔焊模式进一步确定了激光束扫描参数的优化区间范围,具体为0.4 mm≤A≤1.0 mm和300 Hz≤f≤500 Hz.最后,通过对光束扫描参量的线速度归一化处理,建立了优化参数区间内的焊缝特征值的线性定量关系,精度达到89.8%,为高频振荡扫描激光-电弧复合焊缝形貌特征的预测与调控提供了数据支撑.

Q345E钢激光-电弧复合焊T形接头疲劳性能

为探究激光-电弧复合焊接技术在转向架结构中应用的可能性,以20 mm厚的Q345E钢T形接头为研究对象,开展了激光-电弧复合焊接试验,并采用单点法和升降法进行疲劳性能测试.结果表明,当指定循环次数为5×10^(6)时,复合焊接头的中值疲劳强度为148.3 MPa,循环2×10^(6)时的条件疲劳强度为181.5 MPa,比相应的电弧焊接头提高39.6%,且焊接组织更细小,提高了裂纹萌生过程中所需的疲劳循环次数.疲劳裂纹形貌特征表明,T形接头的疲劳裂纹起源于封底焊缝焊趾处,瞬断区为韧性断裂模式,复合焊接头疲劳性能提高的原因在于其封底焊缝焊趾处具有较小的应力集中系数,且焊缝微观组织由更为细小的晶内铁素体组成,能够有效避免疲劳裂纹过早萌生,并阻碍疲劳裂纹扩展.

1300 MPa级高强钢激光-电弧复合焊接工艺及接头微观组织演变

【目的】旨在助力高强钢激光-电弧复合焊接技术在各大领域的进一步推广应用,指导生产实践。【方法】针对9 mm厚屈服强度1300 MPa级LG1300QT高强钢,开展激光-电弧复合焊接工艺研究、焊接相变模型开发及其接头微观组织演变仿真研究。【结果】使用合适的工艺参数可以完成9 mm厚1300 MPa级高强钢激光-电弧复合焊接,焊缝成形均匀一致,射线检测(Radiographic testing,RT)满足工作需求,接头抗拉强度达到母材的85%以上;仿真得到复合焊接温度场分布与焊缝截面对应一致,仿真的接头粗晶区及细晶区马氏体含量基本超过99%,与实际结果100%马氏体基本吻合,LG1300QT钢激光-电弧复合焊接接头热影响区微观组织转变以马氏体转变为主,电弧区的部分相变区(Critical heat affected zone,ICHAZ)与过渡区和激光区的ICHAZ接头微观组织演变过程差异较大,过渡区ICHAZ与激光区ICHAZ马氏体转变程度较高,而电弧区ICHAZ奥氏体化不充分,马氏体转变程度低。【结论】对于屈服强度1300 MPa级高强钢,激光-电弧复合焊可不开坡口单道焊成形,焊缝成形美观、接头强度较高,开发的“热-冶金”耦合模型可以较为准确地反应焊接过程中温度场及组织场特征,能够体现1300 MPa级高强钢激光复合焊接的微观组织演变规律,对实际工程应用具有指导意义。

中厚板激光-电弧复合焊拼板坡口的选用

研究了船用中厚板采用激光-电弧复合焊拼板时,焊接坡口的选择方法。对20mm厚EH36船用钢进行焊接,对比Y形、带钝边的U形、带钝边的复合坡口3种形式的激光-电弧复合焊缝成形,以及不同钝边高度和坡口角度激光-电弧复合焊焊缝成形的差异。分析不同坡口对激光-电弧复合焊焊缝成形、坡口制备难易度、焊接层数的影响。结果表明:采用Y形、带钝边的U形、带钝边的复合坡口这3种形式进行激光-电弧复合焊,均可得到较好的激光-电弧复合焊焊缝成形。考虑坡口形式对坡口制备的难易度、对焊接层数的影响,得出Y形坡口最优。当钝边高度值相同时,若一定程度上增大坡口角度,则利于激光-电弧复合焊焊缝正面的成形。当坡口角度相同时,一定程度上降低钝边高度,利于激光-电弧复合焊焊缝反面的成形。

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.

船舶激光-电弧复合热源焊接关键物理机制研究

从等离子体物理特性、小孔与熔池动态行为特征、焊缝成形及应力变形等方面,对激光-电弧复合焊关键物理机制进行了介绍;同时,针对船用中厚板激光-电弧热源存在的问题,以及未来发展趋势进行了探讨。对于中厚板复合焊,涉及大功率激光热源、光致等离子体与电弧存在复杂相互作用,继而复合等离子体物理特性;除收弧作用外,前者可一定程度地降低熔池表面电弧温度;而电弧等离子体拖拽力则利于增强小孔后壁稳定性,降低气孔缺陷。相比电弧焊,中厚板激光-电弧复合焊可显著减小高应力焊接区域和焊接残余变形。

激光—双丝复合焊接电弧等离子体温度计算及耦合机理分析

采用光纤式光谱仪,对激光—双丝脉冲MIG复合焊接电弧等离子体辐射规律进行探讨,结合焊接过程中的高速摄像图片探讨激光与电弧的耦合机理,并运用Boltzmann图法计算出电弧等离子体的电子温度。结果表明,加入激光后,电弧的亮度提高,辐射增强,电弧偏向激光作用位置,同时电弧收紧,电弧截面减小,电弧稳定性增强;激光功率、焊接电流和焊丝间距对电弧等离子体温度有比较大的影响,随着激光功率的增加、焊接电流增大和焊丝间距的减小,电弧等离子体电子温度升高。

激光-等离子电弧复合焊接参数对焊缝形貌的影响

激光-等离子电弧复合焊接技术是具有良好工业前景的新型焊接技术,相比于TIG电弧,等离子电弧更加稳定,钨极烧损小,能显著提高焊接效率。以10 mm厚度的304不锈钢为母材进行表面堆焊,研究了激光功率、离焦量、焊接电流、焊接速度和热源间距对熔深、熔宽的影响。结果表明,复合焊的熔深熔宽大于单独焊的熔深熔宽,随着激光功率的增加,熔深熔宽逐渐增加。焊接电流小于200 A时,熔深的变化大于熔宽的变化,电流大于200 A时,二者的变化速度接近一致。熔深对离焦量敏感,负离焦能得到更大的熔深。随着焊接速度增大,熔深熔宽逐渐变小,高速下的焊接过程更加稳定。随着热源间距的增大,复合焊熔深逐渐变小,熔宽呈减小趋势,熔深变化较大。激光后置的焊接方式要优于激光前置。

电弧气体中CO_2含量对大功率激光复合焊等离子体及熔深影响的研究

文中采用大功率CO_2激光-熔化极电弧复合焊,以12 min厚船用E级钢板为试样进行堆焊,通过在电弧气体Ar中加入不同体积分数的CO_2,研究CO_2含量对激光电弧复合焊等离子体及焊缝熔深的影响。试验结果表明,电弧气体CO_2体积分数为15%与25%时,焊接过程等离子体比5%CO_2时有所减小;与此同时焊缝熔深有所增加。15%CO_2,25%CO_2时,焊缝熔深与5%CO_2相比分别增加3%,5.1%;25%CO_2时,焊缝熔深与15%CO_2相比增加2%。

Q690钢激光-MIG复合焊焊缝耐腐蚀性能研究

采用焊接效率较高的激光电弧复合焊对Q690钢中厚板(16 mm)进行焊接试验,分析不同激光功率下焊接接头的显微组织和晶粒尺寸的变化,及其开路电位、交流阻抗谱、极化曲线和腐蚀形貌,探讨激光功率对焊缝电化学腐蚀行为的影响规律。结果表明,激光-MIG复合焊焊缝的显微组织由大量针状铁素体和少量侧板条铁素体、粒状贝氏体组成,其中电弧区的针状铁素体、侧板条铁素体含量多于激光区,电弧区的晶粒尺寸比激光区略大;粗晶热影响区显微组织主要由板条马氏体组成。随着激光功率的增加,焊缝中粒状贝氏体含量减少,针状铁素体和侧板条铁素体含量增加。当激光功率从1.5 kW增至2.5 kW时,焊缝的开路电位上升,容抗弧半径增加,极化电阻变大,极化曲线有右移倾向,自腐蚀电流密度下降,耐腐蚀性能提高。但当激光功率增至3.0 kW时,由于组织过于粗大,耐腐蚀性能反而下降。激光功率为2.5 kW时,复合焊焊缝的耐腐蚀性能最佳。

YAG激光+脉冲双电弧复合焊接等离子体物理特性研究

探究焊接热源等离子体物理特征有助于其工艺优化。在YAG激光+脉冲双GMAW复合焊接过程中,激光束与两个电弧共同作用于同一熔池中,3个热源之间的相互作用导致复合等离子体状态存在很大的随机性,难以精确测量复合后的等离子体的物理状态。基于光谱分析方法,结合高速摄像技术,对激光复合前后等离子体光谱辐射强度、电子温度、电子密度等物理特征进行研究。结果表明:与脉冲双GMAW焊接相比,YAG激光+脉冲双GMAW复合焊接的光谱辐射强度明显增强,但是没有新的谱线生成;两个电弧的弧根部位受激光的“吸引牵制”作用靠近激光作用点,金属粒子受到强烈的热作用而大量电离并聚集在工件表面和激光束附近,该局部区域的电子温度、电子密度升高,为电弧提供了一个额外的电离通道,电弧因此更为稳定。

氦-氩混合保护气体角接头旋转激光+电弧复合焊电弧特性数值分析

目的研究激光+电弧复合焊中氦−氩混合保护气体成分对电弧等离子体物理特性的影响,从而改善焊接性能。方法综合考虑角接头几何特性和氦−氩混合保护气体的物理特性,建立氦−氩混合保护气体角接头旋转激光+电弧复合焊电弧行为的数值分析模型。使用FLUENT软件对不同体积比氦−氩保护气体下电弧等离子体的温度场、流场、压力场和电势场进行模拟计算,对比分析保护气体成分改变对电弧等离子体的影响规律,考虑其对焊接性能的影响,并将计算结果与高速摄影试验进行对比,验证数值分析模型的准确性与合理性。结果保护气体分别为纯Ar、95%Ar+5%He、90%Ar+10%He时,电弧向激光侧偏移收缩,电弧整体形貌被压缩,位置A纵截面处电弧等离子体的峰值温度分别为25603、25080、23904 K,最大流速分别为336.34、334.34、317.58 m/s,压力最大值分别为899.08、943.40、957.67 Pa,电势梯度分别为11.56、12.17、13.18 V。结论在氦−氩混合保护气体激光+电弧复合焊中,当保护气体中氦气体积分数增加到5%和10%时,随着氦气所占比例的增大,电弧处于动态变化过程,电弧被压缩,等离子体的峰值温度逐渐降低,最大流速下降,电弧压力和电势梯度增大,有利于焊缝熔深的增大。

薄板长直结构激光-电弧复合焊条件下焊接变形数值模拟

基于通用有限元软件MSC. Marc开发了考虑材料非线性、几何非线性和边界非线性的热-弹-塑性有限元计算方法来模拟薄板长直结构的焊接变形。采用所开发的数值模拟方法,计算了含有两条焊缝的薄板长直焊接结构在激光-电弧复合焊接条件下的焊接变形,并研究了焊接顺序、焊接热输入和两条焊缝的热输入比对焊接变形的影响。数值模拟结果表明:在本研究所采用的拘束条件下,焊接顺序对焊接变形有显著影响;对于非对称焊接结构,先焊局部刚度较大焊缝产生的焊接变形相对要小些;在两条焊缝热输入相同的情况下,焊接结构的变形大小与焊接热输入大小呈现正相关关系;两条焊缝的热输入比对于非对称结构的焊接变形也有较大的影响。

激光-MAG复合焊等离子体辐射分析

对于MAG焊、激光-MAG复合焊的等离子体辐射,采用中空探针,使特定点的辐射通过探针对其等离子辐射进行空间分布采集,对比分析激光复合前后等离子体辐射光谱的分布规律,并结合高速摄像,为激光-MAG复合焊的耦合机理研究和工程应用提供理论基础.结果表明,激光复合后,在电弧中心形成一个辐射明显增大的区域,区域外侧存在一个辐射降低区域;在电弧前侧激光复合作用位置,会形成一个以铁辐射谱线为主的"电离通道".激光复合后,电离通道的存在为电弧的稳定提供了基础;在中心区形成了能量集中的辐射通道,改变了电弧中能量的分布,使能量更集中于中心区域,获得比传统MAG焊更大的熔深.

低碳钢等离子-TIG耦合电弧高效复合焊接工艺性能分析

针对低碳钢材料焊接效率低的问题,提出了等离子-TIG耦合电弧焊接方法,通过设计集约化枪体结构促使等离子和TIG电弧在电磁力作用下实现稳定耦合,优化复合焊接热源特征,并研究了电弧形态、焊缝成形和力学性能.结果表明,等离子-TIG耦合电弧具有优异的深熔焊接特性,相对于等离子和TIG焊接方法具有更加合理的深宽比,且对熔滴、熔池有震荡搅拌效果,促使晶粒细化,并降低熔合区联生结晶倾向.使用5mm厚Q235B钢板进行对接试验,实现了稳定的单面焊接双面成形,焊缝美观无缺陷且抗拉强度优于母材.