能源节约型激光诱导电弧复合焊技术及应用

围绕低能耗绿色焊接制造技术及理论开展研究,阐述低功率激光与电弧之间的相互作用机理,提出低功率脉冲激光诱导电弧复合高效焊的设计思想,建立了能源节约型的复合焊制造技术体系.结果表明,采用低功率脉冲激光对电弧进行诱导使电弧能量密度显著提高,实现了激光与电弧两种热源之间的良好调控.采用低功率激光诱导电弧复合焊技术成功实现了镁合金、钛合金及钢铁等多种金属材料的优质高效焊接.该技术的发展为实现低能耗绿色焊接制造起到了积极的推动作用.

基于镍合金中间层的镁/钢异质金属激光-电弧复合胶焊技术

采用激光-TIG电弧复合胶焊技术实现了AZ61镁合金与Q235钢之间的良好连接.重点讨论了激光-TIG复合胶焊的焊缝表面形貌、焊缝区组织及元素分布特征.结果表明,在胶粘剂厚度一定时,焊接热输入是影响焊缝成形的关键因素.胶粘剂在复合热源作用下分解气化并逸出熔池,在一定程度上增强熔池内部液态金属的流动性,促进熔池内部异质金属之间冶金反应和相互混合.通过镍合金层与胶粘剂的综合作用使镁/钢异质材料之间以冶金反应形式连接,提高了镁/钢异质金属连接结构的线载荷,增强了镁/钢异质金属的整体性能.

AZ31B/Q235激光诱导电弧填丝焊连接界面分析

利用激光诱导TIG电弧复合热源,通过添加AZ61镁合金焊丝,开展了1.6 mm厚AZ31B镁合金和1.0 mm厚Q235低碳钢板材对接焊研究.分别采用扫描电镜、电子探针、万能拉伸试验机、金相显微镜等仪器进行分析测试.结果表明,采用激光诱导电弧双面填丝焊接工艺,能够获得成形美观、连续的焊缝,焊接接头平均抗拉载荷为3.13 k N.连接界面包括两部分:镁与钢的对接界面为熔化焊接,主要以界面元素扩散为主;远离对接面的接头上下界面为镁合金在钢基体的润湿铺展连接.焊接接头断裂路径表明,连接界面发生的元素扩散是实现镁合金与钢高性能连接的关键.

“2011全国计算机辅助焊接工程学术研讨会”在大连成功举行

为了进一步促进和推动计算机及其相关技术在焊接领域的应用，交流现代焊接技术在“绿色、高效、节能、优质”高端工艺与装备方面的最新成果和发展动向，中国焊接学会计算机辅助焊接工程专业委员会、大连理工大学.

TA2中厚板低功率激光诱导双电弧高效焊接及机理

采用低功率脉冲激光诱导双TIG复合焊接热源(LITTW)实现了6 mm厚TA2纯钛中厚板的高效焊接,基于Ti粒子的动力学行为,研究了激光脉冲对电弧等离子体的影响.结果表明,LITTW比激光诱导单TIG焊接(LISTW)的电弧能量更加集中,焊接能耗仅为LISTW的50.9%,速度却达到LISTW的2.3倍.激光脉冲作用后,电弧等离子体由能量集中状态恢复到原始电弧形态存在一个恢复时间,在本试验条件下,LITTW的恢复时间为6.5 ms,比LISTW延长了3 ms.LITTW中稳定的匙孔形态为Ti粒子持续向电弧等离子体转移提供了条件,延长了电弧等离子体的恢复时间。

尖角磁场极性对双钨极氩弧焊电弧形态和焊缝特征的影响

针对双钨极氩弧焊(T-TIG)存在的电弧压力小、焊缝熔深浅等问题,引入不同极性的外加尖角磁场辅助T-TIG焊方法.分别采用高速摄像机和红外摄像仪研究不同极性的尖角磁场对电弧形态和焊缝特征的影响规律,并构建物理模型以揭示尖角磁场与电弧等离子体间的相互作用机制.结果表明,外加尖角磁场影响着T-TIG电弧形态和焊缝温度场,两种极性的尖角磁场都对其热影响区组织有细化作用.其中,在正极性的尖角磁场作用下,T-TIG电弧形态变化程度更大,焊缝温度场更加集中,焊缝熔深比未加磁场时增加37.1%,同时能量利用效率提高31.6%.

铝合金激光诱导MIG电弧增材制造成形尺寸规律

为了研究铝合金激光诱导MIG电弧增材制造过程中各参数对薄壁结构件成形尺寸的影响规律,利用二次通用旋转组合方法设计正交试验样本,通过二次回归方程建立了工艺参数(电弧电流I、堆积速度v、层间温度T、激光功率P)与成形墙体稳定区域的尺寸预测模型,并研究了单个工艺参数对试件成形的影响,经验证发现模型预测效果较好.结果表明,当电弧电流大于106 A时,参数对层宽的影响顺序由大到小为,电弧电流、层间温度、堆积速度、激光功率;参数对层高的影响顺序由大到小为,电弧电流、堆积速度、层间温度、激光功率.

铸造镁合金A-TIG补焊工艺分析

文中研究了TIG、A-TIG焊接方法对铸件焊缝熔深和缺陷的影响规律,并完成模拟铸件孔洞类缺陷的补焊试验.结果表明,在TIG与A-TIG对不同尺寸孔洞愈合的试验中,在相同的焊接参数条件下,A-TIG愈合孔洞的深度明显高于TIG,且焊缝中无焊接缺陷;在相同的补焊熔深条件下,TIG焊接电流远大于A-TIG,同时出现热影响区(HAZ)组织恶化,焊接缺陷产生.分析表明,A-TIG补焊工艺性能优于TIG补焊工艺性能主要是由于活性剂与电弧、熔池的相互作用导致.

激光功率对5356铝合金激光诱导MIG电弧增材制造组织性能的影响

为了改善MIG电弧增材制造5356铝合金的组织及力学性能,将低功率激光与MIG电弧增材制造结合,采用低功率脉冲激光诱导MIG电弧增材制造技术进行了不同激光功率下5356铝合金单道多层墙体成形试验,分析了激光功率对沉积态5356铝合金组织、显微硬度及拉伸性能的影响.结果表明,低功率脉冲激光诱导MIG电弧增材制造成形试样整体冶金结合良好、无明显的未熔合现象.墙体的微观组织主要呈等轴晶状,与单MIG电弧堆积的墙体相比,等轴晶变得细小均匀,显微硬度提高,波动较小.加入激光可以减少Fe元素、Si元素含量和气孔数量,使墙体的力学性能提高,当激光功率为300 W时达到最大值,较单MIG电弧堆积墙体的抗拉强度提高了12.0%.

TIG填锌丝对接焊接镁铝异种金属

采用普通TIG电弧作为焊接热源,对镁铝异种金属进行填加锌丝的对接焊试验.并利用金相显微镜、电子探针(EPMA)、万能力学性能拉伸机等现代分析手段对所得到的接头进行测试分析.结果表明,采用这种工艺得到了锌基的合金化焊缝,实现了6061铝合金和AZ31B镁合金的连接,焊缝主要由MgZn2和少量的铝、锌的固溶体构成,焊缝和铝合金母材之间不存在明显的过渡层,和镁合金母材之间有厚约20～100μm的过渡层.焊缝的硬度高于6061铝合金和AZ31B镁合金母材.对接接头的抗拉强度达到75 MPa.

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.

基于Labview的脉冲激光-电弧复合焊接相位匹配触发控制系统

介绍了基于NI Labview开发的脉冲激光-电弧复合焊接相位匹配触发控制系统.应用NI PCI6221数据采集卡对交流电弧信号进行采集,通过上位机对数据进行实时处理并捕获电弧特征点,从而精确识别电弧相位,实现在特定电弧相位对单脉冲激光的连续触发.提出了加锁触发思想,消除了激光的误触发,并实现了脉冲激光与电弧间的倍频关系及激光器的触发频率保护功能.结果表明,该系统实现了电弧特定相位与激光脉冲的精确触发控制,为脉冲激光与交流电弧能量的柔性复合以及两种热源相互作用机理研究提供了技术支持.

Cu-Ni交互作用对Cu/Sn/Ni焊点液固界面反应的影响

研究Cu/Sn/Ni焊点在250℃液固界面反应过程中Cu-Ni交互作用对界面反应的影响。结果表明:液固界面反应10 min后,Cu-Ni交互作用就已经发生,Sn/Cu及Sn/Ni界面金属间化合物(IMCs)由浸焊后的Cu6Sn5和Ni3Sn4均转变为(Cu,Ni)6Sn5,界面IMCs形貌也由扇贝状转变为短棒状。在随后的液固界面反应过程中,两界面IMCs均保持为(Cu,Ni)6Sn5类型,但随着反应的进行,界面IMC的形貌变得更加凸凹不平。Sn/Cu和Sn/Ni界面IMCs厚度均随液固界面反应时间的延长不断增加,界面IMCs生长指数分别为0.32和0.61。在液固界面反应初始阶段,Sn/Cu界面IMC的厚度大于Sn/Ni界面IMC的厚度;液固界面反应2 h后,由于Cu-Ni交互作用,Sn/Cu界面IMC的厚度要小于Sn/Ni界面IMC的厚度,并在液固界面反应6 h后分别达到15.78和23.44μm。

高强钢低功率脉冲激光诱导熔化极活性气体保护电弧仰焊成形

针对5 mm厚E36高强钢板材,开展了低功率脉冲激光诱导熔化极活性气体保护电弧复合仰焊试验。研究结果表明:相比于熔化极活性气体保护电弧焊,激光诱导熔化极活性气体保护电弧复合焊接接头的焊接热输入可降低29%。复合焊接通过减小焊接熔池尺寸,可有效抑制内凹缺陷的产生,进而增大工艺参数区间。拉伸和弯曲试验表明,无内凹缺陷接头具有良好抗拉强度和弯曲载荷;有内凹缺陷接头抗拉强度与母材相当,但最大弯曲载荷显著降低。

低功率YAG激光-TIG电弧复合焊接镁合金薄板工艺

以2 mm厚AZ31B变形镁合金薄板为研究对象开展低功率脉冲YAG激光-TIG电弧复合热源焊工艺研究,分析了激光与电弧的能量匹配对焊缝成形的影响规律.结果表明,镁合金薄板低功率YAG激光-TIG电弧复合热源焊接过程中,激光能量与电弧能量之间的相互匹配将直接影响焊缝的表面成形,获得理想焊接接头的工艺参数区间相对较狭小.为使焊缝成形均匀连续,焊接过程中需要对焊缝背面采用氩气进行保护,当保护气体流量为5～10 L/min时获得了具有最佳性能的焊接接头,其拉伸载荷达到镁合金母材的95%以上.

激光-电弧复合热源焊接钛合金薄板T形结构件

采用低功率激光-电弧复合热源工艺进行钛合金薄板T形结构件的焊接,焊后采用光学显微镜、X射线衍射仪等设备对接头进行分析.结果表明,激光-电弧复合热源焊接过程中激光可以诱导增强电弧、提高电弧穿透能力,采用激光-电弧复合热源易于进行T形结构件的连接;焊缝形成均匀细密鱼鳞纹,接头背面熔透均匀、过渡平缓,焊缝宽度小;焊缝主要由α'相和β相组成,焊接时脉冲激光和TIG脉冲电流对熔池的搅拌作用及金属蒸气和等离子体喷射对熔池的搅拌作用使得细小α'针疏松散乱;Al元素和Mn元素含量稳定,没有发生成分偏析.

窄间隙气体保护三丝间接电弧焊缝成形特征

首次提出了窄间隙气体保护三丝间接电弧焊新方法,并阐述了其原理,研究与分析了参数对焊缝成形的影响.针对焊缝表面成形凸起的成形缺陷,提出了在三丝间接电弧后,放置钨极电弧的方法.结果表明,窄间隙三丝间接电弧实现了良好的侧壁熔合,并且随着焊接电流增大、焊接速度降低、母材对接间隙减小,侧壁熔深增加.在没有后置钨极电弧的情况下,焊缝表面成形呈凸起状,后置钨极之后表面成形改善为凹状.在窄间隙焊接中,凹状的焊缝成形有利于下一道焊接时,焊根部母材熔合和焊道层间熔合.

铝合金激光-电弧复合增材制造工艺分析

复合热源能够发挥两者各自的优势,同时弥补两者各自的不足。采用基于弧焊的金属材料增材制造技术进行墙体堆积过程中,层间停留时间成为影响焊接性能的一个重要焊接参数。使用熔化极气体保护焊(MIG焊),通过改变不同的层间停留时间,对5356铝合金增材制造过程进行研究。研究表明,采用常规熔化极气体保护焊进行多层单道堆积墙体时,对不同层间停留时间进行控制,墙体可以获得较好的力学性能。在最佳的层间停留时间下,采用低功率激光电弧复合热源,通过适当的激光电弧能量匹配,可以进一步提高墙体的力学性能和墙体组织的均匀性。

激光诱导MIG电弧增材制造5356铝合金薄壁零件组织及力学性能

采用激光诱导MIG电弧增材制造的方法制造5356铝合金薄壁零件,并对沉积态材料的组织特征及力学性能进行研究。观察结果发现,沉积态5356铝合金的截面存在波浪形条纹,顶部区域由柱状晶和等轴晶组成;中下部区域的Mg含量高于顶部区域,组织主要为树枝状。拉伸结果显示,沉积态材料的平均抗拉强度为279.75 MPa,平均断后伸长率为24.38%。试样的强度性能呈各向同性,塑性性能存在一定的各向异性。试样内部存在氢气孔,液态金属中的氢无法逸出和激光小孔的瞬间失稳是形成氢气孔的主要原因。