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。

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。

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。

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-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。

激光-电弧复合焊接技术的研究与应用

为了应对工业生产中对焊接技术的日益增长的要求,对激光-电弧复合焊接技术的原理和应用进行系统研究。通过实验对比分析和工艺参数优化的方法,研究了激光功率密度、焊接速度、电弧形态等因素对焊接质量和效率的影响。结果表明,激光-电弧复合焊接技术相比传统焊接方法在厚板快速焊接、焊缝质量保证及自适应性方面具有明显优势,焊接速度可提高至3-5倍,且焊缝形貌平直美观,接头强度高。然而,该技术仍存在设备成本高、操作难度大、焊接稳定性不足等问题。

船用11mm厚AH36钢激光-电弧复合焊接工艺研究

采用激光-电弧复合焊接方法,以ER70S-6焊丝为填充材料,对船用11mm厚AH36钢进行焊接。分析焊接速度、激光功率及送丝速度对焊缝成形的影响,得出合适的焊接参数,并通过对焊接接头进行无损检测,以及拉伸、弯曲、宏观、冲击和硬度试验,研究了焊接接头力学性能。结果表明:在确定的焊接参数下,船用11mm厚AH36钢激光-电弧复合焊接焊缝正反面成形好,抗拉强度为520MPa,断裂于母材位置,焊缝与母材熔合良好,接头焊缝、熔合线、熔合线+2mm、熔合线+5mm位置平均冲击吸收能量为101~221J,接头母材、热影响区、熔合线及焊缝硬度为155~342HV,满足ISO相关标准和中国船级社规范要求。

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.

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。

焊接速度对CO_2激光-GMAW-P复合焊接等离子行为及熔滴过渡影响研究

在CO_2激光和GMAW-P复合焊接过程中,焊接速度是用来控制对工件热输入的重要参数,但是焊接速度的改变也会影响到等离子行为及熔滴过渡。文中研究了焊接速度对激光致等离子体形态、熔滴过渡和输出电信号的影响,通过高速摄影观察了焊接过程激光等离子体和熔滴过渡,采集了焊接过程电流电压信号,试验结果表明,较低的焊接速度会产生大量的激光致等离子体,这种等离子体的产生改变了熔滴内电流分布,阻碍了熔滴过渡,增加了弧长及熔滴尺寸。

激光功率对2195铝锂合金光纤-半导体激光复合焊接形貌与气孔的影响

光纤-半导体激光复合焊接技术充分结合了光纤与半导体激光热源的优势,在激光加工领域拥有巨大的潜力.针对2195铝锂合金开展光纤-半导体激光复合焊接试验,并定量研究激光功率对焊接形貌与气孔的影响.结果表明,光纤激光功率显著影响焊缝熔深,半导体激光功率显著影响焊缝上熔宽.基于回归分析方法建立焊缝横截面积预测模型.此外,光纤与半导体激光均对焊缝气孔缺陷的控制起着重要的作用,较高的光纤激光功率有利于降低气孔缺陷.对于4 mm厚2195铝锂合金,采用光纤激光功率为3.0 k W、半导体激光功率为2.5~3.0 k W时,熔池温度高且光纤-半导体激光复合作用范围大,焊接接头气孔缺陷少.

电弧状态对铝合金激光-电弧复合焊接工艺过程稳定性的影响

焊接过程稳定性是决定焊缝质量的重要因素,而焊接飞溅和焊缝表面形貌是焊接过程稳定性的直接体现。为了得到稳定的铝合金激光-MIG电弧复合焊接过程,本研究采用高速摄影的方法统计焊接飞溅数量,并分析焊缝表面成形质量,对焊接过程稳定性进行了综合定性评价,结合激光焊接与电弧焊接基本原理,探讨了减少飞溅、稳定焊接过程的原理。在本试验条件下,提高纯Ar保护气的流量、电弧弧长和光丝间距,降低电弧电磁收缩力,可以减少飞溅数量。复合焊接飞溅数量减少的主要原因可以归结为两点:激光对熔池的预热作用扩大了熔池前端的面积,使熔滴融入熔池的过程更平稳;工艺优化使电弧对熔滴的作用力保持在合理范围。相关结果为复合焊接稳定的工业应用奠定了工艺基础,指明了工艺优化方向。

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-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。

YAG激光等离子弧复合焊接热源光谱特征分析

利用所研制的YAG激光等离子弧复合热源,进行了不锈钢激光等离子弧复合焊过程的电弧、光致金属蒸气成像观察和光谱分析。研究结果表明,不锈钢的激光焊金属蒸气云与等离子弧具有完全不同的动态特征,其线光谱峰出现在不同的波长带,激光焊Ar谱线波长出现在520 nm,等离子弧焊的Ar谱线波长均大于696 nm,当激光与等离子弧复合,线光谱是两者的组合,谱线强度增大,可观察到Fe、Cr和Ni等的特征光谱产生。复合焊线光谱特征与激光功率、焊接电流、热源间距和热源顺序密切相关,当热源间距很大时,复合焊的光谱特征实际上是两种热源特征光谱的简单组合,这主要取决于激光与电弧的相互作用。

YAG-MIG复合焊接条件下复合等离子体动态特征

利用高速摄像,对单YAG、单MIG、YAG-MIG激光电弧复合焊接铝锂合金5A90时的等离子体动态过程进行了深入研究。结果表明:①YAG-MIG复合焊的等离子体在MIG弧存在阶段,与MIG弧具有相近之处,其周期性与MIG相似,但在MIG弧熄灭阶段与MIG焊和YAG焊都有明显的区别;②在强MIG等离子体复合强YAG等离子体时,复合焊的等离子体强度和形状发生明显变化,且不是二者的简单叠加结果。它呈现一种不规则的弧,充分说明尽管在单激光焊接时等离子体较弱,但在复合焊时,它对MIG弧的影响不容忽视;③在MIG微弧复合强YAG金属蒸气/等离子体时,发现其等离子体的强度高于单一激光焊,且形状也有较大差别,表明此时虽然MIG电弧仅为微弧,但它对YAG金属蒸气/等离子体有显著的影响。

激光-电弧复合焊接接头缺陷的研究现状

激光-电弧复合焊接是将两个热源的能量集中到一起,克服各自的缺点,并且具备激光焊接和电弧焊接的综合优势。对激光-电弧复合焊接技术的焊接缺陷进行全面地梳理和总结,结合国内外激光-电弧复合焊接缺陷的研究现状,综述了激光-电弧复合焊接技术焊接缺陷的产生原因和解决措施。

高强度激光-电弧复合焊接技术在船体焊接中的性能研究

为探究高强度激光-电弧复合焊接技术在船体焊接中的性能变化,研究以20mmDH40船用高强度钢为研究材料,首先分析了母材和焊丝的化学组成与力学性能,接着采用Ⅰ型坡口进行对接实验,并采用控制变量的方法,探究焊接速度、激光功率、送丝速度对焊缝外观的影响。实验结果表明,当控制焊接速度在1.0~1.4m/min,激光功率在4.4~4.8kW,送丝速度在4.8~6.0m/min之间时,此时工件焊缝各类参数值均有较好表现,复合区和激光区能够实现良好过渡,工件在焊接过程中能够避免飞溅和塌陷等问题。综上,将激光-电弧复合焊接技术用于船体焊接能够取得较好的焊接效果,为船舶焊接领域提供新的参数指导。

T4003不锈钢激光-电弧复合焊接工艺特性研究

为了探究复合热源对T4003铁素体不锈钢焊接特性的影响,采用光纤激光-电弧复合焊接研究了工艺参数对接头形貌和组织性能的影响规律,优化了工艺参数,重点分析了焊缝金属和热影响区-40℃低温冲击韧性和提升机理。结果表明,在优化参数下,复合接头性能优异,拉伸试样均断裂于母材,抗拉强度为530 MPa,且180°横向正弯和背弯试验中均未发现裂纹;焊缝金属平均冲击吸收功为50 J,略高于常规电弧接头,但是热影响区平均冲击吸收功提升显著,达到32 J,为电弧接头的3倍,提升的主要原因在于激光-电弧复合焊接的低热输入降低了热影响区粗晶区晶粒尺寸;冲击断口形貌表明,复合接头焊缝金属在终断区尚未出现韧脆转变,仍然以韧窝为主,但是热影响区在中部扩展区出现明显的准解理形貌,开始出现韧脆转变。该研究促进了激光-电弧复合焊接在铁素体不锈钢中的应用。