激光电弧复合热源焊接技术及其应用

激光电弧复合热源焊接技术是1976年由英国学者W．Steen首次提出的，几十年来，人们从未停止过对激光复合热源焊接技术的研究。它是将激光与电弧两种截然不同的热源复合在一起，同时作用于同一零件的待焊位置，既发挥了两种热源的优势，又弥补丁各自的不足，成为一种全新高效的焊接方法。

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。

激光-电弧复合焊接的热源相互作用

为了研究激光-电弧复合焊接的热源相互作用,提升对复合焊接复杂物理过程的认识程度,进一步优化工艺参数,采用CO2轴快流激光器和钨极氩弧焊机在3mm厚316L不锈钢板上进行了复合焊接试验研究。定义无量纲参数——复合焊接熔化效率增量δ来表征热源相互作用的变化。结合焊缝成形、等离子体形貌,通过δ半定量分析了激光、电弧热源间距和能量配比对热源相互作用的影响。结果表明,在优化的参数组合下,δ高达83.6%。其中,电弧对工件的预热作用能够提高激光能量的利用率,增强热源相互作用,但是激光-电弧等离子体相互作用才是提高热源相互作用程度的关键机制。

铝合金激光—小功率脉冲MIG电弧复合热源焊接特性分析

针对5A06铝合金,通过一系列对比数据综合分析了MIG焊和激光-MIG复合热源焊接技术在焊缝熔深、焊缝成形、焊接速度、焊接热输入等方面的优缺点。结果表明,在MIG平均电流小于200A的小功率脉冲MIG电弧区域内,等热输入且等焊接速度条件下,激光-MIG复合热源焊接技术与MIG相比可以提高焊缝深宽比1～2倍,增加焊缝熔深0.43～2.5倍;等热输入且等平均焊接电流条件下,与MIG相比,激光-MIG复合热源焊接技术可以提高焊接速度0.6～1.5倍,增加焊缝熔深0.5～5.9倍;激光-MIG复合热源焊接技术可以用高于MIG焊0.6～6.5倍的焊接速度和更小的焊接热输入获得与MIG同样的焊缝熔深;与MIG焊相比,激光-MIG复合热源焊缝的铺展性更好,更适合于高速焊接;MIG复合2kW的激光能量后会增加平均电弧电压、减小平均电流。

激光-电弧复合热源焊接研究及应用现状

激光-电弧复合热源焊接可以增大焊接熔深,提高焊接速度,增大装配间隙,是一种很有前途的新型焊接热源。本文介绍了激光-电弧复合热源焊接这一焊接方法的发展、特性、复合形式、机理及研究应用现状。

低合金高强钢激光-电弧复合热源焊接冷裂纹敏感性分析

通过扩散氢含量测定,并利用经验公式计算JFE980S低合金高强钢冷裂纹敏感性和焊前预热温度,同时采用斜Y形坡口试验、金相试验以及残余应力测定等方法,研究低合金高强钢抗冷裂性能,对比分析了激光-电弧复合焊和MAG焊工艺对接头抗冷裂性能的影响.结果表明,激光复合焊抗冷裂性优于MAG焊方法.因复合焊加入了激光,使得焊缝熔深增加,拘束减小,并且激光在前,对焊接试板有一定的预热作用,使冷裂纹形成倾向进一步降低,特别是在无法预热的情况下,激光复合焊更能够体现出优势.

Nd:YAG激光+脉冲MAG电弧复合热源焊接参数对焊缝熔深的影响

试验研究Nd:YAG激光+脉冲MAG电弧复合热源焊接过程中焊接参数对焊缝熔深的影响。研究结果表明,复合热源焊缝熔深随电弧功率和激光功率的增大而增大,随焊接速度的增大而减小,并且在相同参数下,复合热源焊缝熔深稍大于激光焊缝熔深而显著大于脉冲MAG焊缝熔深。对于不同焊接电流,光丝间距在0～3mm内复合热源焊缝取得最大熔深,且取得最大熔深的光丝间距与焊接电流大小有关;复合热源焊缝熔深在离焦量为2mm时取得最大值。试验结果分析表明,在激光+电弧复合热源焊接过程中激光功率不仅决定复合热源焊缝熔深,而且可以极大地提高焊接速度;MAG电弧也可提高Nd:YAG激光焊的热效率。

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—MAG电弧复合热源焊接过程的影响因素

针对激光-MAG电弧复合热源焊接过程的几个主要影响因素展开了研究。通过焊接电弧分析仪发现激光-MAG电弧复合热源焊接时,光斑-焊丝之间的距离为1 mm时,焊接电弧最稳定。通过对熔深、熔宽的分析发现,复合后熔深能够增加1.5倍以上,并且激光-短路过渡电弧MAG复合热源焊接还能够改善焊缝的润湿性,增加熔宽,减弱焊缝的咬边现象,与单独激光焊接时相似,当激光的焦点位于工件表面以下1mm时,熔深达到最大值。

激光一同轴电弧复合焊接热源焊接

在建立和研究空心钨极电弧的基础上，对激光一同轴电弧复合焊接热源焊接特性进行了深入研究。试验结果表明，激光与电弧相互作用增强的效果十分显著，采用同轴电弧作为辅助热源增大焊接熔深的效力优于激光一旁轴电弧复合焊接热源焊接效果。在试验的基础上，得到了激光一同轴电弧复合焊接热源焊接熔深的变化规律。

激光-电弧复合热源焊接技术

具有焊接质量好、焊接速度快等优点的激光-电弧复合热源焊接技术,已经广泛地应用于汽车、航空等工业的薄壁金属焊接中。然而,常用的激光源价格昂贵、体积庞大并且电-光转换效率低,大大限制了复合焊技术的推广和应用。新一代高性能激光-光纤激光的开发和应用拓宽了激光-电弧复合热源焊接技术的应用范围,使其更易于实现工程化。通过介绍当前世界上激光-电弧复合热源焊接技术的应用和研究情况,展现了激光-电弧复合热源焊接技术广阔的应用前景,阐述了其发展方向。

激光-熔化极电弧复合热源焊接特性

论述了激光-电弧复合热源焊接技术的热源特性和焊接特性,高速高焊接过程稳定性是其主要优势之一。针对工程应用关键问题进行了分析,研究表明,激光-熔化极电弧复合热源焊接技术具有单面焊双面成形能力强、焊接适应性强、焊接变形小、热损伤小、接头力学性能高、焊接效率高等优点,是提升高性能金属材料焊接质量的有效方法。

激光-电弧复合热源焊接

在激光热源的基础上复合电弧进行焊接,可以降低焊接成本,提高焊接效率。本文综述了激光-电弧复合热源焊接国内外研究的现状,对旁轴式和同轴式两种复合方式进行了分析比较,并展望了该技术的发展前景。

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。

低功率脉冲激光-电弧复合热源高效焊接过程中的“匙孔”行为研究

激光-电弧复合热源焊接技术由于具有焊接熔深大、效率高、质量好等优点而受到广泛关注。采用低功率脉冲激光-钨极惰性气体保护(Tungsten inert gas,TIG)焊电弧复合热源技术进行镁合金板材的焊接,研究激光脉冲作用消失之后的等离子体行为和激光'匙孔'行为。在上述试验结果的指导下优化工艺参数,对比研究采用单独激光焊、TIG电弧焊和复合热源焊这三种方法实现镁合金板材对接焊相同效果时焊接效率的差异。研究结果表明,激光'匙孔'和'匙孔'等离子体的形成是实现复合热源高效焊接的前提条件,恰当的工艺参数可以使得激光'匙孔'维持稳定的开口状态,这种状态提高了电弧的稳定性和能量密度,延长了镁等离子体的恢复时间,因此能够提高复合热源的焊接效率。达到相同焊接效果时复合热源的焊接效率分别达到单独激光焊接效率的7.14倍和单独TIG电弧焊接效率的4.29倍。

自保护药芯焊丝激光–电弧复合热源焊接电弧稳定性的分析

以自保护药芯焊丝(414N-O)为研究对象,借助电弧分析仪和高速摄像,对不同工艺参数下激光–电弧复合热源焊接电弧稳定性进行了试验研究.结果表明,复合热源焊接过程中,激光的加入明显的减小了自保护药芯焊丝电弧作用点漂移概率,拉长了电弧空间,降低了熔滴短路过渡概率,提高了电弧稳定性;工艺参数中,光丝间距和送丝速度对平均焊接电流影响显著;电弧电压和送丝速度对平均焊接电流变异系数影响显著;激光功率对平均焊接电流的影响幅度与光丝间距和送丝速度有关,光丝间距和送丝速度越大,激光功率对平均焊接电流的影响越小;电弧电压对平均焊接电流的影响幅度与光丝间距有关,光丝间距D_(LA)=0 mm时,影响最显著;激光前置比激光后置更有利于平均焊接电流变异系的稳定.

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。

激光及激光+电弧复合热源焊接技术的研究与应用

一、概述 激光焊接技术在航空航天、造船、车辆制造等工业领域中的应用日趋广泛,仅就大功率激光焊接使用的设备而言,目前主要采用的是气体激光器和固体激光器。固体激光器与气体激光器相比,其波长短,光束可通过光导纤维传送，可与机器人和焊接专机配合，具有柔性自动化的特点，是焊接用激光器的发展方向。哈尔滨焊接研究所是我国最早开展大功率固体激光焊接技术的研究机构。

高强钢激光-电弧复合热源焊接技术及应用

国内最早从事大功率固体激光加工技术研究并最先建立先进激光加工技术中心的单位之一。

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。