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。

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-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。

钛合金激光-电弧复合热源焊接工艺

对钛合金厚板进行激光-电弧复合焊接,并对焊接接头能进行试验研究,结果表明,激光-电弧复合热源焊接新工艺实现了对钛合金厚板的优质高效连接,焊接接头的抗拉强度平均在950 MPa以上,达到母材强度的95%以上;平均冲击强度高于567.3 kJ/m^2;疲劳强度在600 MPa水平可达0.7～1万次,550 MPa水平可达3～6万次,500MPa水平可达7～12万次。

激光-电弧复合热源焊接异种镁合金的数值模拟和实验研究

本文为AZ31-AZ80异种镁合金激光-电弧复合热源焊接的热-力耦合过程建立了一个合适的数值模拟模型。首先,基于能量守恒定律和傅里叶热传导定律,建立了非线性瞬态热传导的三维温度场的微分方程并根据非线性瞬态热传导的分析,得到了代表初始条件和边界条件的方程。其次,选择了“双椭球热源+三维高斯热源”的组合形式来构建激光-电弧复合热源,对熔池的形态以及温度、应力、位移和塑性应变的分布进行了数值模拟。实际的焊接实验是在激光-电弧复合焊接机上完成的。最后,详细讨论了激光和电弧在镁合金的复合热源焊接中的相互作用机制。复合热源可以促进激光能量和电弧在熔池中的吸收,使能量在熔池中的分布更加均匀,焊接参数得到相应的改善。该工作可以为镁合金的激光-电弧混合焊接工艺的优化提供理论指导和数据支持。

铝/钢异种金属Nd:YAG激光-MIG复合热源熔-钎焊接工艺

铝与钢异种金属的优质高效焊接一直是焊接领域的一项技术难题。针对铝与钢焊接的技术困难和特点,提出了可实现铝与钢熔-钎连接的大光斑激光-电弧复合热源焊接方法,用该焊接方法实现了5A02铝合金板与镀锌钢板的优质高效连接。试验结果分析表明,接头钢母材未发生熔化,焊缝与钢母材为钎焊连接,拉伸试样的破坏位置发生在接头铝母材热影响区,接头的抗拉强度与铝合金电弧熔化焊接头强度相当。

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。

镁/钢填镍夹层激光-电弧复合对接熔化焊特性

利用激光-电弧(TIG)复合热源的能量密度梯度分布特征,通过添加镍箔夹层,开展了AZ31B镁合金与Q235钢对接熔化焊研究.采用电子万能拉伸试验机、扫描电镜、X射线衍射仪等手段分析了焊接接头的组织特征以及力学性能.结果表明,采用该方法能够实现镁/钢异质金属对接焊接成形,界面结合良好,接头钢侧形成了由Fe,Ni,Al元素构成的明显过渡区,焊缝主要由α-Mg和大量弥散分布的白色Al Ni相颗粒组成.焊接接头断裂在钢侧界面附近,断口形貌呈现准解理断裂特征,接头平均抗拉强度为232 MPa,可达镁合金母材的90%.

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.

焊后热处理对6061-T6铝合金激光-电弧复合焊接性能的影响

6系铝合金熔焊中接头强度低主要是由于接头中易出现气孔和热影响区软化造成的。首先用激光诱导电弧复合热源在5 mm厚6061-T6铝合金板材上进行堆焊,研究铝合金在不同工艺参数下接头中气孔的变化规律;然后采用复合热源对3 mm厚铝合金进行冷填丝对接焊,为消除接头软化区,对接头进行530℃×1 h固溶处理+水淬+185℃×6 h时效处理,并对接头的力学性能、断口特征、显微组织进行分析。结果表明:通过调节焊接工艺参数,焊缝中的气孔可以得到控制,进而得到无气孔的接头;热处理前复合焊接接头强度为母材的63.9%;热处理后,接头的强度达到母材的85.2%,接头薄弱区(热影响区中的过时效区)得到消除。

ZL114铝合金激光—电弧的复合焊接

设计了一种激光—电弧复合热源焊接ZL114合金的新工艺,并对焊后的试件进行了X光检测、抗拉强度和金相组织等实验。结果表明,该种新工艺对铝合金有良好的适应性和可行性,是焊接领域的一个趋势。

电弧对激光吸收与散焦的定量测量

复合热源焊接过程中 ,激光与电弧之间相互作用的物理机制一直是复合热源焊接技术研究中的难点。激光形成的锁孔对电弧有吸引、压缩作用 ,由于激光穿过电弧时能量被电弧吸收和散焦 ,对锁孔的稳定形成有直接影响 ,因此研究激光穿过复合电弧时的吸收与传输特性对分析复合热源焊接机理、合理选择工艺参数有重要意义。文中设计一种新型试验方法 ,采用激光烧蚀有机玻璃的方法定量测量CO2 激光穿过电弧时 ,电弧对激光的吸收与散焦特性 ,通过有机玻璃的烧蚀深度和烧蚀宽度反映激光能量的损耗 。

“十一五”国家科技支撑计划项目成果介绍

“十一五”期间，哈尔滨焊接研究所承担了科技部“十一五”国家科技支撑计划“先进近净成形与模具制造技术”重点项目之“大功率固体激光-脉冲电弧复合热源焊接技术研究”课题。该课题在国内首次系统地研究了目前国际上代表激光-电弧复合热源焊接发展方向且在焊接制造领域极具应用潜力的大功率固体激光-熔化极脉冲电弧复合热源焊接的应用基础理论及高性能金属材料大功率固体激光-脉冲熔化极电弧工程应用技术与工艺，旨在为大功率固体激光-熔化极电弧复合热源焊接技术在我国交通运输、航空航天、能源电力、军工制造等高端装备制造业中的推广应用奠定应用基础理论和工程应用技术基础。