基于Visual-Environment的复杂结构薄壁件激光焊接工艺优化

为了缩短试验周期、节约试验成本、提高试验效率,基于Visual-Environment软件平台,采用3D高斯热源模型对多焊缝复杂结构薄壁件激光焊接过程进行数值模拟计算。复杂结构薄壁件焊缝多达19条,为对接和搭接两种接头形式。首先采用试验与数值模拟计算相结合的方法对典型接头焊缝形貌进行优化。在此基础上,采用热循环曲线法对复杂结构薄壁件的焊接顺序和约束条件进行优化,获得了最优的焊接工艺。研究结果表明,采用3D高斯热源模型,选择合适的热源参数能够获得与实际激光焊接接头形貌较一致的温度场云图。采用优化后的焊接工艺所获得结构件的最大变形量与未优化的相比,由3mm减小至0.5mm以内,满足了实际生产需求。

保护气体对高氮钢焊接熔滴过渡模式和气孔缺陷的影响研究

采用激光-电弧复合热源对8 mm厚的高氮钢板进行焊接试验,研究不同保护气体组成对焊缝形貌、熔滴过渡特征和气孔缺陷的影响。结果表明,采用纯氩做保护气体时,熔滴过渡模式以射流过渡为主,并伴有少量排斥过渡;保护气体成分为Ar+N_2混合气体时,熔滴过渡模式为短路过渡;保护气体成分为Ar+N_2+O_2混合气体时,熔滴过渡模式为射流过渡。保护气体的组成对焊缝气孔缺陷也存在一定的影响,保护气体为纯氩时,焊缝气孔率最大,其值为2.52%;保护气体为90%Ar+10%N_2时,气孔率最低,仅为0.16%;Ar+N_2中添加1%的O_2后,气孔率略有升高,但与纯氩时相比,气孔率仍下降明显。采用Ar+N_2+O_2三元混合气作为保护气体时,能够有效抑制焊缝内气孔数量,同时可以改善熔滴过渡模式,提高焊接过程稳定性。

离焦量对高强钢激光填丝焊熔滴过渡特性的影响

为了研究离焦量对激光填丝焊熔滴过渡及相关特征的影响,获得稳定过渡模式,借助高速摄像系统观察了不同离焦量下的熔滴过渡行为,并将其分为液桥过渡、混合过渡和滴状过渡3种类型进行了分析。结果表明,离焦量为-1mm和+3mm时的液桥过渡模式可以保证焊接过程的稳定性,获得的焊缝质量良好,焊缝截面无气孔等缺陷;而离焦量为+5mm时的过渡模式为滴状过渡,此时焊接稳定性最差,焊接过程中匙孔会完全闭合,焊缝表面成形不规则,焊缝截面底部出现大的气孔。该研究结果对实际生产有指导作用。

激光-电弧复合焊过程的熔滴过渡特征与受力分析

利用高速相机对高氮钢激光-电弧复合焊接过程的熔滴过渡、熔滴形态、等离子体形态进行采集与分析。采用图像处理与数学计算相结合的方法给出熔滴在电弧空间飞行时的受力大小和加速度。初步计算激光产生的金属蒸气对熔滴的反冲力的大小和分布。结果表明:熔滴呈现颗粒过渡的临界焊接电流为180 A附近;熔滴呈现射滴过渡的临界焊接电流200 A附近。激光的加入对电弧具有明显的压缩作用,在熔池表面这种压缩作用更为剧烈。通过观测和计算给出电弧焊和激光-电弧复合焊时熔滴刚脱离焊丝的加速度分别达到70 m/s^2和50 m/s^2。在实际复合焊接过程中,当熔滴落入熔池位置与激光匙孔间距为3 mm时,从激光匙孔喷发的金属蒸气对熔滴的反冲力非常小。激光的加入主要改变了电弧形态,近而改变熔滴上下表面的压力差,使得熔滴在接近熔池表面发生合并和过渡频率减慢。

高氮钢激光-电弧复合焊接熔池表面流动行为

焊接熔池流动行为是影响焊缝成形和接头质量的关键因素之一,其特征难以直接获取。试验采用ZrO_2颗粒作为示踪粒子,利用高速相机观察示踪粒子运动轨迹,开展高氮钢激光-电弧复合热源焊接熔池表面流动行为的研究。研究结果表明:单独激光焊接时,其熔池的流动主要受匙孔尺寸变化的影响;单独电弧焊接时,其熔池的流动则主要受电弧压力和熔滴进入熔池时所产生的冲击力的影响;而激光-电弧复合焊接时,其熔池的流动既受电弧压力和熔滴进入熔池时所产生的冲击力的影响,同时,匙孔的存在也会影响其熔池的流动。在激光-电弧复合焊接过程中,示踪粒子的直线移动距离随着焊接电流和电弧电压的增加而增加;而激光功率的改变对其直线移动距离的影响并不显著。研究结果揭示了不同焊接工艺及其参数对高氮钢焊接熔池表面流动行为的影响规律,为高氮钢焊接工艺的选择提供了理论依据。