激光-等离子弧复合焊技术的研究进展

激光-等离子弧复合焊技术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研究人员的重视。已发表的研究文献表明,与单独激光焊相比,此技术可显著提高焊接速度和间隙适应能力,有效地减少气孔和热裂纹,改善焊缝成形质量,可应用于剪裁拼板焊、涂层钢的搭接焊、填丝焊、薄板高速焊及表面合金化,适合于低碳钢、不锈钢及铝合金等材料,且能用于立焊。为了使该技术尽快应用于工业生产中,今后需加强复合焊炬的开发、焊缝成形机理以及关于此技术新的应用领域的研究。

激光-微束等离子弧复合焊接过程的结构负载声发射信号表征

采用脉冲YAG激光焊、微束等离子弧焊和激光-微束等离子弧复合焊对304不锈钢进行焊接试验,实时采集焊接过程中的结构负载声发射信号,研究声发射信号对焊接过程的表征.结果表明,激光离焦量为-2 mm的激光-微束等离子弧复合焊接,热源复合效果更好,焊缝表现出更显著的复合热源焊接特征.焊缝获得了更好的表面成形和熔深、熔宽.热源复合效果更好的焊接过程,其声发射信号波形表现出更大振幅,且更为均匀,并与激光热源的周期性相符,呈现出明显的复合热源焊接周期性.因此可以利用焊接过程检测到的结构负载声发射信号表征激光和微束等离子弧两种热源复合效果特征.

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。

铝合金VPPA-MIG复合焊接电弧形态及伏安特性

试验使用VPPA-MIG复合焊方法对铝合金进行对接试验.通过高速摄像和数据采集系统获取复合电弧形态和伏安特性.结果表明,由于磁场间的耦合作用,在VPPA正极性阶段电弧相互排斥,反极性阶段相互吸引,采取外加横向交变磁场,电弧摆动幅度明显减小.由于MIG焊电弧的存在,等离子电弧伏安特性发生了改变.弧柱气氛更容易电离,使得等离子电弧电压下降.等离子电流较小时,电弧电压随MIG焊电流的增加而降低;等离子电流较大时,随着MIG焊电流进一步增加,电弧电压降低程度有所减少.试验结果为实现厚板铝合金高效焊接及其电弧耦合机理研究提供理论依据.

基于弹性模量变化的7A52铝合金VPPA-MIG复合焊接残余应力测试

采用虚拟仪器和NI数据采集卡搭建了一种以小孔法为核心的残余应力测试系统,分析了7A52铝合金VPPA-MIG复合焊后残余应力的分布情况.为降低弹性模量误差对最终测量结果的影响,通过实测复合焊接接头不同区域的弹性模量,拟合弹性模量随测量点位置变化的曲线来修正弹性模量误差.针对10 mm厚7A52铝合金板材,完成了VPPA-MIG复合焊接残余应力测试试验.结果表明,焊缝两侧各区域上的残余应力分布基本关于焊缝对称,熔合区出现最大拉应力,最大横向残余应力σy与纵向残余应力σx分别为118和223 MPa.从熔合区至热影响区,残余应力均为拉应力,逐渐减小且高于焊缝中心的残余应力.与单MIG焊相比,复合焊的最大横向残余应力与纵向残余应力大于MIG焊,但高应力区比MIG焊窄.

铝合金LB-VPPA复合焊接热源模型

激光-变极性等离子弧(Laser beam-variable polarity plasma arc,LB-VPPA)属双高能束新型复合焊接热源。采用Y4-S2型高速摄像检测了LB-VPPA复合焊接热源形态,在理论分析复合热源产热机理的基础上,利用Fortran语言对SYSWELD软件热源模型进行二次开发,建立能够实现正、反极性循环加载的LB-VPPA复合焊接热源模型。经与实际焊接熔池形状对比研究发现,熔池上部采用双椭球体热源,下部采用三维锥体热源,同时在小孔根部植入圆柱体热源的组合式热源模型与实际LB-VPPA复合焊接热源吻合。从模拟6 mm厚7A52铝合金板的VPPA焊和LB-VPPA复合焊接温度场分布结果发现,LB-VPPA复合焊能量更为集中,可以在平焊位置下实现穿孔型焊接。经实际焊接工艺试验验证了上述模拟结果的准确性。因此建立精确的LB-VPPA复合焊接热源模型对开展厚板铝合金LB-VPPA复合高效焊接提供强有力的理论支持。

高强铝合金VPPA-MIG复合焊接焊缝成形机理

VPPA-MIG复合焊集VPPA穿透力强和MIG焊熔敷效率高的优点,弥补了单VPPA焊工艺区间窄且需立焊和MIG焊熔深浅的不足.使用Red Lake Y4高速摄像获取6 mm厚2A12铝合金VPPA-MIG复合焊接熔池图像,建立了熔池受力模型.对比分析了复合热源不同能量配比对焊缝成形和熔池形貌的影响及VPPA-MIG与单MIG焊缝成形特点.结果表明,VPPA-MIG复合热源相比单VPPA热源易保持焊缝成形稳定性.VPPA电流接近穿孔阈值时,配合较低功率MIG热源可以获得6 mm厚2A12铝合金良好焊缝成形;VPPA能量比例过低时,小孔较浅,熔化效率较低,不能起到增加熔深的作用;VPPA能量比例过大,易使熔池失稳,焊缝成形不良.热源输入功率相同时,VPPA-MIG复合焊比MIG焊显著增加焊缝熔深和深宽比,提高生产效率.

铝合金LB-VPPA复合焊接残余应力场预测

针对双高能束激光-变极性等离子弧(LB-VPPA)复合焊接热源,基于SYSWELD软件热源模型二次开发功能,在理论分析LB-VPPA复合焊接热源电弧形态的基础上,建立了"双椭球体+三维锥体+圆柱体"热源模型,通过正、反极性不同特性热源模型的循环加载,准确计算出了LB-VPPA复合焊接温度场.根据热弹塑性理论对相应节点应力的瞬时演变及焊后残余应力分布进行了数值计算,并通过实际焊接工艺试验获得的焊缝截面及残余应力的实际测量,验证了数值计算的准确性.通过分析对比10 mm厚5A03铝合金VPPA焊和LB-VPPA复合焊接残余应力场发现,LB-VPPA复合焊由于能量更加集中,高温区更为密集,虽然最大纵向残余应力相对较大,但呈最大残余拉应力的区域面积较VPPA焊小.研究结果对铝合金LB-VPPA复合焊接工艺的研究及实际应用具有一定的指导意义.

铝锂合金激光-等离子弧复合焊焊缝表面成形

铝合金激光-等离子弧复合焊(LB-PAW)中焊缝表面成形质量差。为了解其形成机理和解决方法,建立了可考虑等离子弧力作用的激光-等离子弧复合焊熔池流动数值分析模型,研究了不同热源次序对熔池速度场的影响,并进行了不同热源次序条件下铝锂合金焊缝成形试验。结果表明:在单纯激光焊、复合焊等离子弧前置和等离子弧后置3种条件下,熔池表面流动环路及速度存在很大不同;复合焊等离子弧前置时焊缝表面出现较深凹坑,纹理粗大,成形不良,等离子弧后置时焊缝表面平整,成形良好。在铝合金1420的LB-PAW中,熔池流动与焊缝表面成形情况密切相关,等离弧力是影响焊缝表面质量的主要因素之一,建议采用"激光在前,等离子弧在后"的热源次序进行铝合金焊接。

超声冲击时间对7A52铝合金VPPA-MIG焊接接头的影响

为研究超声冲击处理时间对7A52铝合金VPPA-MIG复合焊接头的组织及性能的影响,试验对单位面积的焊接接头进行2.5,5,10,15,30和75 min的超声冲击处理.通过观察接头的表面形貌,并对接头进行力学性能测试,以分析超声冲击处理时间对接头的影响.结果表明,7A52铝合金焊接接头超声冲击处理后,接头表面得到了明显强化,在超声冲击时间15 min时焊缝表面晶粒大小达到26.28 nm;在超声冲击时间75 min时焊缝表面硬度为138.8 HV,比原始焊缝显微硬度提高了36.3%;超声冲击处理30 min时残余压应力最大,为243.3 MPa.

超声冲击强化7A52铝合金VPPA-MIG焊接接头的疲劳性能

为改善7A52铝合金VPPA-MIG焊接接头的疲劳性能,本工作通过改变对焊接接头超声冲击的时间延长其疲劳寿命。试验中每条焊接接头各处分别受到2.5 min、5 min、10 min、15 min、30 min和75 min的超声冲击处理。试验利用扫描电镜、透射电镜和X射线衍射仪观察分析焊接接头的表面及晶粒形貌并计算焊接接头的表面晶粒度;利用显微硬度计、X射线应力分析仪和疲劳试验机对焊接接头进行硬度、残余应力及疲劳性能测试,综合分析超声冲击处理对焊接接头疲劳性能的影响。试验结果表明,焊接接头的超声冲击时间为2.5~30 min时,焊接接头处的缺陷明显减少,同时焊接接头表面的晶粒被细化至纳米级,超声冲击时间为30~75 min时,冲击表面出现裂纹;焊接接头经超声冲击处理后,其硬度最大可达140HV,较未处理的焊接接头硬度(100HV)提升40%,同时接头冲击后塑性变形层可达105μm;焊接接头处的残余应力在超声冲击处理后,由残余拉应力转为残余压应力,且在2.5~30 min时残余压应力呈增长趋势,最大可达-329.2 MPa,在超声冲击时间为30~75 min时残余压应力减小;经超声冲击处理的焊接接头的疲劳性能均有提升,在超声冲击处理时间为30 min时接头疲劳强度最优为87.63 MPa,未经处理的焊接构件疲劳强度为48.8 MPa,疲劳强度提升了79.57%。因此,对焊接接头进行超声冲击处理可强化其疲劳性能,延长焊接构件的使用寿命。本工作希望对7A52铝合金VPPA-MIG焊接构件的广泛使用提供理论依据。

钻孔法测量焊接残余应力误差因素分析

为提高焊接残余应力钻孔法测量结果的可靠性,需分析其测量过程中的误差因素,依据误差传递理论推导了由应变误差与释放系数误差传递给最终测量结果的误差公式,并由测量过程中的误差因素建立了一条影响最终测量结果的误差链.以2A12高强铝合金VPPA-MIG复合焊接板材为试验对象,定量分析了误差链中的弹性模量误差、贴片误差和应变读数取值时间误差传递到最终结果中的相对误差.结果表明,由弹性模量误差传递到残余应力σ_1,σ_2中的相对误差均很小;由贴片误差传递到残余应力σ_1,σ_2和Φ角中的相对误差在贴片24 h后均降为0%;由应变取值时间误差传递到残余应力σ_1,σ_2和Φ角中的相对误差在应变释放150 min后均降为0%.

模态试验法测试焊接残余应力机理分析及模型参数估计

为避免残余应力对焊接结构的不利影响,保证其可靠性,需要探究残余应力分布.模态试验法因具有快速和无损的特点,逐渐应用于残余应力测试.为实现模态试验法测试焊接残余应力,通过振动理论分析了模态试验法的机理,获得了薄板焊件中残余应力与固有频率的关系;薄板焊件中的残余拉应力使固有频率减小,残余压应力使固有频率增大.在此基础上,将钻孔法和模态试验相结合,借助数据拟合的方法,估计了模态试验法测试6 mm 7A52铝合金试板VPPA-MIG(variable polarity plasma arc-metal inert gas)复合焊接残余应力的模型参数,确立了固有频率与残余应力的数值关系.依据确立的数值关系,测得了7A52铝合金试板在不同复合焊接参数下的纵向残余应力分布.结果表明,接头各区域的残余应力分布特征与钻孔法测得的结果基本一致,偏差在4%范围之内,估计出的模型参数能够保证模态试验法测试结果的可靠性,实现了焊接残余应力的快速和无损测试.

非铁金属的焊接

2519高强铝合金双丝GMAW焊接工艺；大厚度铝合金变极性等离子弧穿孔立焊技术；铝合金表面激光熔覆研究现状；铝合金激光-电弧复合焊接工艺研究；大板式方舱铝合金蒙皮拼焊工艺研究.