（光学专业论文）采用填充焊丝的激光—tig复合焊接工艺研究.pdf

摘要 摘要 激光电弧复合焊接是将物理性质、能量传输机制截然不同的两种热源复 合起来进行焊接，既发挥了两种热源的优势，又弥补了各自的不足，是一种具 有广阔应用前景的先进焊接方法。本文以低碳钢为实验材料，以n d ：y a g 和c 0 2 激光加工系统以及直流数字焊机为主要实验设备，针对采用填充焊丝的激光一 t i g 旁轴复合焊接工艺技术开展了以下几方面的研究工作： 首先，依据研究复合焊接工艺的实验要求和激光焊接头结构特点，分别设 计了采用填充焊丝的n d ：y a g t i g 和c 0 2 t i g 旁轴复合焊接装蜀，确定出了主 要的工艺参数范围，为进行复合焊接工艺研究提供了装备条件。 其次，研究了激光一t i g 填丝复合焊接的工艺特性，包括n d ：y a g t i g 及 c 0 2 t i g 复合方式。考察了主要焊接工艺参数如热源间距、两热源能量匹配、 电弧角度、电弧气氛等对焊接过程稳定性和焊缝成型的影响规律。结果表明： 热源间距影响焊接过程中的电弧形态及金属羽辉或光致等离子体的稳定性，决 定了两热源的能量耦合情况，表现为焊缝截面上熔宽的变化特征；热源能量匹 配是决定焊缝成型的主要因素，激光能量主要决定焊缝熔深，电弧能量主要决 定焊缝熔宽；电弧角度在一定范围内对焊接效果影响并不明显；电弧气氛的选 择在c 0 2 t i g 复合焊接中是重要的，h 拿弧避免了对激光束能量的屏蔽，获得 了稳定的深熔焊接过程。 最后，以优化后的c 0 2 t i g 复合焊接工艺参数为基础，考察了复合焊接在 对接和搭接焊时的工艺适应性，并与激光焊接进行了比较。在对接焊中，得出 了以间隙和错边为参考依据的加工区域图，在搭接焊中，绘出了搭接间隙一焊接 速度曲线。结果表明：无论何种接头形式，工艺适应性方面复合焊接均优于激 光焊接。对接焊接头中存在间隙或错边时，复合焊与激光填丝焊的适应性相近； 间隙和错边同时存在时，复合焊接适应性较好，在加工区域图中，复合焊接加 工区域明显大于激光焊接区域。在搭接焊中，复合焊接对上下板间隙的适应性 明显优于激光焊接，且焊接速度也更高。 采用填充焊丝的激光t i g 复合焊接充分利用了激光和电弧各自的优势，极 大地提高了焊接效率。由于采用t i g 电弧，避免了焊接过程中熔滴过渡等复杂 的物理过程，焊接稳定性好；填充焊丝可以有效地改善焊缝冶金过程和接头性 能，在改善焊缝成型和提高工艺对接头装配的适应性方面具有明显的作用。总 之，采用填充焊丝的激光一t i g 复合焊接是一种具有明显优势的先进连接方法。 关键词激光：t i g 电弧；复合热源；复合焊接；焊缝成型；工艺适应性 a b s t r a c t a b s t r a c t l a s e r a r ch y b r i dw e l d i n gi sa na d v a n t a g ejo i n t i n ga r ta n dh a sap r o s p e r o u s f u t u r ew h i c hs y n t h e s i st h el a s e ra n da r cw e l d i n gr e s o u r c ew h i c hh a sd i f f e r e n t p h y s i c a lc h a r a c t e r sa n de n e r g yt r a n s i t i o n s i tp r o v i d e sm a n ya d v a n t a g e sn o tf o u n di n e i t h e r i nt h i sp a p e r , b ya d o p t i n gc 0 2l a s e ra n dn d ：y a gl a s e ra n dd c d i g i t a lw e l d e r , s o m ei n v e s t i g a t i o n so nl a s e r - t i gh y b r i dw e l d i n gw i t hf i l l e rw i r ew e r em a d e t h e m a t e r i a lu s e di nt h ee x p e r i m e n t sw a sl o wc a r b o ns t e e l t h er e s u l t sc a r lb e s u m m a r i z e da sf o l 】o w f i r s t l y , a c c o r d i n gt ot h ed e m a n d sf o rs t u d y i n gt h eh y b r i dw e l d i n ga r ta n dt h e c h a r a c t e r so ft h ec 0 2a n dn d ：y a gw e l d i n gh e a d s ，n d ：y a g t i ga n dc 0 2 一t i g h y b r i dw e l d i n gh e a d sw i t hf i l l e rw i r ew e r ed e s i g n e da n dt h em a i np a r a m e t e r sw e r e g i v e n t i l lt h e n ，t h ek e yd e v i c e sw e r ep r o v i d e df o rs t u d y i n gt h eh y b r i dw e l d i n ga r t s e c o n d l y , d i f f e r e n tw e l d i n gr e s o u r c e sc o u p l em a n n e r ss u c ha sn d ：y a g t i g a n dc 0 2 一t i g w e r ea p p l i e da n ds t u d i e d t h ee f f e c t so ft h ev a r i o u sw e l d i n g p a r a m e t e r sw e r es t u d i e ds u c ha st h ed i s t a n c eb e t w e e nl a s e rb e a ma x i sa n de l e c t r o d e d l a ，w e l d i n gr e s o u r c e se n e r g yc o u p l em a n n e r , a r ca n g l ea n da r ca t m o s p h e r eo nt h e p r o c e s s i n gs t a b i l i t ya n dw e l df o r m a t i o n t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h ed i s t a n c ed l a h a dg r e a ti m p a c t so nt h es t a b i l i t yo fa r ca n d p l u m eo rl a s e ri n d u c e dp l a s m at h a tc a n b er e a df r o mt h ec h a r a c t e r si nc r o s ss e c t i o no fs e a m ，e n e r g yc o u p l ew a st h em a i n r e a s o no fw e l d i n gf o r m a t i o nt h a tt h ew e l dp e n e t r a t i o nw a sd e c i d e db yl a s e rp o w e r w h i l et h ew e l dw i d t hw a sd e c i d e db ya r cp o w e r , a r ca n g l eh a dl i t t l ee f f e c t so n w e l d i n ga n da r ca t m o s p h e r ew a sm o f ei m p o r t a n ti nc 0 2 t i gh y b r i dw e l d i n gt h a t o n l yh e l i u ma r cc a ng i v es t a b l ew e l d i n gp r o c e s s f i n a l l y , t h et o l e r a n c e si n b u t tjo i n t i n ga n dl a pjo i n t i n gw e r es t u d i e di n o p t i m i z e dc 0 2 一t i gh y b r i dw e l d i n ga n dt h ec o m p a r e sw i t hl a s e rw e l d i n gw e r em a d e i nb u t tj o i n t i n g ，t h ep r o c e s s i n ga r e a sw e r ef i n i s h e di nt h er e f e r e n c e so fg a pa n d u n f i t n e s sa c c o r d i n gt ot h ee x p e r i m e n t sr e s u l t s i nl a pj o i n t i n g ，t h er e l a t i o no fw e l d i n g s p e e dv e r s u st h eg a pw a sg i v e n t h er e s u l i ss h o w e dt h a tt h eh y b r i dw e l d i n ga r th a d b e t t e rt o l e r a n c et h a nl a s e rw e l d i n ga r t sn e i t h e r 协b u t tj o i n to rl a pj o i n t t h eh y b r i d w e l d i n ga n d l a s e rw e l d i n gw i t hf i l l e rw i r eh a dn e a r l yt h es a m et o l e r a n c ew h e nt h e r e w a so n l yg a po ru n f i t n e s si nb u t tj o i n t i n gb u tt h ef o r m e rh a dg r e a t e rt o l e r a n c ew h e n t h e r ew e r eb o t hg a pa n du n f i t n e s st h a nt h el a t t e r i nl a pjo i n t i n g ，t h eh y b r i dw e l d i n g a r th a db e t t e rt o l e r a n c ea n dh i g h e rw e l d i n ge f f i c i e n c yt h a nt h el a s e rw e l d i n gd i d 北京t 业大学理学硕一l j 学位论文 i ng e n e r a l ，t h el a s e r t i gh y b r i dw e l d i n gw i t hf i l l e rw i r es y n t h e s i z e sb o t ht h e l a s e ra n da r cw e l d i n ga d v a n t a g e sa n di m p r o v e st h ew e l d i n ge f f i c i e n c yg r e a t l y b y e m p l o y e dt h et i ga r c ，i th a sn od r o pt r a n s f e ri nt h ew e l d i n gp r o c e s sa n dg i v e sa s t a b l ew e l d i n gp r o c e s s e x c e p tf o ri m p r o v i n gt h ew e l dm e t a l l u r g ya n dt h ew e l d p e r f o r m a n c e ，t h ef i l l e rm a t e r i a lc a l la l s oc o n t r o lt h ew e l d i n gf o r m a t i o na n di m p r o v e t h et o l e r a n c eo ft h ew e l d i n ga r t t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h el a s e r - t i gh y b r i d w e l d i n gw i t hf i l l e rw i r ew a sa na d v a n c e dw e l d i n g a r t k e yw o r d s ：l a s e r ；t i ga r c ；h y b r i dh e a tr e s o u r c e ；h y b r i dw e l d i n g ；w e l df o r m a t i o n ； w e l d i n gt o l e r a n c e i v 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽 我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过 的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构的学位或证二8 而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢 意。 签名：逛趑：日期：塑! 丝 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送交 论文的复印件，允许论文被查阅和借阅：学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用 影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：边拯 导师签名：趔 第1 章绪论 ll 激光一电弧复合焊接原理及研究现状 1 11 激光一电弧复合焊接原理及分类 馓光焊接具有能量密度高、焊接速度快、热输八量小、柔性强、自动化程 度高、焊接接头质量优良、焊接结构变形小等一系列突出优点【1 2 1 ，在电力、汽 车、造船、航空航天、化学化工以及武器工业等领域得到了广泛的应用。随着 应用领域的扩大，为解决激光器本身功率受限和激光焊接中存在的能量利j j 率 低、随焊接厚度增加导致生产成本急剧增加的问题，国内外研究学者对此进行 了不断地探索p j j 。英国学者w ms t e e n 于2 0 世纪7 0 年代末创造性地提出了 电弧强化激光焊的概念，它是采用激光焊接中通过匹配一定形式的辅助电弧， 形成激光一电弧复合热源焊接“】，复合焊接原理示意图如图l 一1 所示。 体夏是熙护气 一圈r 等离子体、占：罗咒，保护气 一 j 堑! 兰：耋堡耋型茎呈堡圣 圈1 2 激光电弧复合焊接复合方式原理幽 f i 9 1 - 2s e t u po f l a s e ra n da r c i nh y b r i d w e l d i n g 从图卜2 看出，激光电弧旁轴复合形式通常采用激光垂直于材料表面入 射，电弧与激光轴线呈定角度与激光共同作用于同一熔池，形成激光一电弧 复合焊接1 12 - ”】。在这种复合方式中，通过改变电弧角度以及两热源在材料表面 的距离可以获得不同能量分布特性的复合热源，工艺适应性好，焊接时可以方 便地控制焊缝成型，焊接头结构简单。由于电弧与激光束有一定角度，引起复 合热源在工件上的作用区域为非对称分布，当焊接电流增大到一定程度时，激 光与电弧的作用点严重分离，影响焊接过程稳定性，因此焊接过程容易受到焊 接方向的限制，对于平面复杂焊缝及三维焊接较为困难。同时，激光束要穿过 电弧区域才能达到工件表面，当焊接电流较大时，电弧对激光束的屏蔽作用严 重。 激光一电弧同轴复合式采用檄光和电弧同轴布置”j 6 】，通常采用设计特殊 光路或聚伟激光穿过环形钨极的方法实现。该方式突出特点是提供了一个对称热 源，使得热源加热特性不受焊接方向的限制，在三维零件及复杂二维的焊接中具 有明显的优势，但通过调制热源的能量分布特性改善焊缝成型困难。 复合焊接常用的激光源有n d ：y a g 激光和c 0 2 激光。n d ：y a g 激光可通过 光纤传输，柔性较好，但由于当前激光器技术的限制，复合的激光功率较小。 采用c 0 2 激光器可以实现大功率激光束与电弧的复合用于大厚材料的复合 焊接，其缺点是工作的柔性较差。同时，激光产生的等离子体与电弧等离子体 相互作用，焊接物理过程复杂。辅助电弧从最初的t i g ( t u n g s 把n i n e r tg a s ) 发展 了m i g ( m e l t i n gi n e r tg a s ) 、m a g ( m e l t i n ga c t i v eg a s ) 及p l a s m a 电弧等1 1 7 , 1 8 , 1 9 , 不同热源复合，相应的热源特点、工艺特性、焊缝成型以及适用接头形式存在 很大的差别目前主要的复合形式有以下几种： 激光- - t i g 复合焊接。激光与t i g 电弧组成复合热源进行焊接是最早研究的 复合形式【2 0 , 2 1 0 2 卫一】。由于激光的引导和压缩作用，电弧稳定性提高焊接过程 稳定，焊缝熔深增加，成型质量得到改善同时电弧对光致等离子体具有稀释作 用，使母材吸收的激光能量增加，小孔开口扩大，有利于气体逸出，焊缝中气孔 卜潲 ，囊一 i-，蠢 ，夔迦上 第1 章绪论 减少，获得优质焊接接头。激光- - t i g 复合焊接方式工艺简单，过程稳定性好， 利用电弧增强激光作用，可用小功率激光器代替大功率激光器焊接金属材料。由 于t i g 电弧加热特性，降低了对接头装配精度的要求。 激光- - m i g m a g 复合焊接。通常采用c 0 2 激光或n d ：y a g 激光与电弧旁轴或 同轴复合方式，利用填充焊丝，增加了焊接适应性，焊接速度快，能量利用率高， 是目前广泛应用的焊接方式。在激光- - m i g m a g 焊接中，填充材料的加入可以 改善单一激光焊接时的焊缝的化学成分及微观组织，降低了热裂倾向，提高了焊 缝的综合力学性能【2 5 , 2 6 , 2 7 , 2 8 】。材料填充量大，适合开坡口和大熔敷量的对接和角 接接头，在中厚板及铝合金等高反射率的有色金属焊接中拥有明显优势。 激光一等离子弧复合焊接。该方式通常采用同轴方式，等离子弧由环状电 极产生，激光束从等离子弧中间穿过，形成激光一等离子弧复合热源【2 巩3 0 j 。该 方式中，等离子弧一方面为激光焊接提供额外的能量，提高焊接速度，进而提 高整个焊接过程的效率；另一方面产生热处理的效果，延长冷却时间，减小硬 化和残余应力的敏感性，改善焊缝的微观组织性能。该复合焊接方式在增大熔 深，提高焊接速度，避免了气孔、咬边等焊接缺陷方面具有良好的效果。此外， 该复合方式热源集中且呈圆对称分布，在中厚板以及三维零件焊接中具有明显 的优势。 1 1 2 激光一电弧复合焊接技术研究现状 激光一电弧复合焊接综合了激光焊与电弧焊的优点，出现之初便得到了焊 接界的广泛关注。随着研究的深入，逐步拓展了复合焊接的理念，对复合焊的 认识早己超出了当时电弧仅仅是辅加能量的设想，同时发展了复合焊接的许多 新优势。例如，德国亚琛大学焊接研究所提出的激光双m i g 电弧复合的工艺， 在零间隙时的焊接速度与激光单电弧复合相比提高3 3 ，相当于埋弧焊焊接速 度的8 倍，热输入量减少2 5 。 借助现代化的分析测试手段，对复合焊接机理认识方面也取得了一定的进 展。日本的y n a i t o 等人f 3 i 】利用高速摄像和x 射线实时监测系统观察了n d ：y a g 激光和t i g 电弧旁轴复合焊接不锈钢时电弧等离子体和金属蒸汽羽辉的相互作 用和熔池流动行为。指出复合焊接可以有效地稳定深熔4 , t l ，降低气孔率。s f u j i n a g a 等人【3 2 】采用矩形波调制形式的n d ：y a g 激光和旁轴t i g 电弧研究了 6 0 6 1 铝合金的焊接情况，利用高速c c d 相机从熔池正上方捕获了焊接过程中熔池 和小孔的信息。指出，相对于激光焊接，激光- - t i g 电弧复合焊接可以有效地增 大熔深、减小飞溅，抑制结晶裂纹。m k u t s u n a 等人 3 3 1 研究了c 0 2 激光和m a g 电弧在焊接碳钢工艺参数如电弧电流、焊接速度、离焦量以及两热源间距对飞溅、 电弧稳定性、等离子体形成以及焊缝成形的影响，考察了两热源间足e d l a 不同时 光致等离子体和电弧等离子体的相互作用机理。指出，射流过渡优于短路过渡； 。镳“蒸 旁鞠 第1 幸绪论 的陈彦宾教授等提出了采用环形钨极实现激光一t i g 电弧同轴复合的概念，并进 行了相关实验研究；甘肃工业大学的樊丁与日本大阪大学的中田一博等人联合设 计y a g 激光一脉冲m i g 旁轴式复合焊接工作头，开发了焊接铝合金的新工艺，但 均未见实际应用报道。 采用填充焊丝的激光t i g 复合焊接方式充分利用了激光和电弧各自的优势， 提高了焊接过程稳定性和工艺适应性。由于两热源的耦合，激光对电弧具有吸引 和压缩作用，使得在高速焊接时可以获得稳定的电弧【3 7 , 3 8 】，提高了焊接效率；电 弧可以很好的稳定激光焊时产生的深熔小孔，抑n d , 孑l 波动，提高焊接的稳定性； 对于c 0 2 激光而言，电弧还具有稀释等离子体避免对激光能量屏蔽的效果【3 9 , 4 0 1 ； 由于该复合热源采用的是t i g 电弧，因此焊接过程中不涉及熔滴过渡等复杂的物 理过程，过程稳定性好；填充焊丝在提高接头质量和改善工艺对接头准备的适应 性方面具有很好的效果，在薄板件的焊接中具有很明显的优势【4 lj 。然而，目前未 见相关文献的研究报道，因此，开展填充焊丝的激光t i g 复合焊接工艺特性研究 具有重要意义，本文对这种采用填充焊丝的激光t i g 旁轴复合焊接的工艺特性进 行了实验研究。 1 2 激光一电弧复合焊接应用现状 激光一电弧复合焊技术，结合了激光和电弧的优点，对焊缝的几何形状产生 积极的影响和满意的效果，降低了接头准备精度的要求；焊缝的韧性更好；通过 添加辅助材料可改善焊缝组织，减少焊缝背面下榻；大大提高焊接速度，缩短焊 接周期，大大降低了焊接成本。另外，复合焊接还能够改善像铝合金、异种材料 等的焊接性。因此，激光复合焊接技术无论从工艺角度，还是从经济角度都具有 广阔的发展和应用前景。在工业发达国家，激光电弧复合焊接已经在汽车、船舶、 管道以及航空航天等工业部门广泛应用。 在汽车制造领域，激光一电弧复合焊高焊速和良好的间隙适应性得到了世 界各大汽车公司的青睐，极大地提高了焊接质量和生产效掣42 。到2 0 0 3 年底， 大众汽车公司大约8 0 的焊缝优先采用激光焊接技术进行焊接，其中绝大部分 焊缝采用激光电弧复合焊接技术。现在大众汽车公司已经将激光一m i g 焊接技 术应用于汽车的大批量生产中，在l u p o 轿车的生产过程中，侧面铝质车门门槛 采用了复合焊接，将来还将用于新一代g o l f 轿车的镀锌板焊接中。 ：! 室：些耋茎耋茎尘三茎：耋三 蚓1 5 复合焊接在汽车制造中的应片j f i gl - 5 a p p l i c a t i o n so f h y b r i d w e l d i n g i na u t o m o t i v e f a b r i c a t i o n i n d u s l r y 在大众公司p h a e t o n 高级敞蓬轿车的车门焊接中，为保证强度同时又减轻车 门重量，采用冲压、铸造和挤压成形的铝件。大众公司与福尼斯公司合作，研制 开发的激光一电弧复合焊接，车门焊缝总长4 9 8 0 m m ，其中7 条m i g 焊缝( 总长 3 8 0 r a m ) ，1l 条激光焊缝( 总长1 0 3 0 r a m ) 1 q 4 8 条激光电弧复合焊缝( 总长 3 5 7 0 m m ) 采用复合焊接的焊缝长度是激光焊接焊缝长度的3 倍。大众公司的材 判专家认为，复合激光焊为汽车工业提供了一种全新的焊接技术，大大提高了薄 板件甸隙和错边等的连接能力，从而可以更加充分地利用激光高速焊接时电弧焊 接的工艺稳定性。 另外，复台焊接技术在b m w 5 系轿车的铝合金隔板与内高压变形加工的铝台 金支架的焊接中同样发挥了巨大的效益。在新型奥迪a 8 汽车的生产中侧顶粱 上有各种规格和形式的接头采用了激光m 1 g 复合焊接工艺焊缝总长达到 45 m ，图i - 6 为采用复合焊接工艺完成的汽车车门及焊缝表而成形。 图1 6 复合焊接的车门及焊缝表面 f i g i - 6 d o o r m a d eb yh y b r i d w e l d i n g 卸d t h es e a l l i i 绪* 同时，在t 业发达国家的船舶制造工业中，激光电弧复台焊接技术已经获 得了非常广泛的应用。圈1 7 是德国的m e y e r 船厂采用c 0 2 激光一m i g 复合焊接 来实现平板对接和筋板焊接，极大地提高r 生产效率和焊接质量，目前该船厂 在考虑在更多地生产环节上采用复合焊接技术。 凹1 - 7m e y e r 船厂装备的傲光m i g 复合焊接装置及焊缝成形 f i 9 1 - 7 h y b r i d w e l d i n ge q u i p m e n t s i n m e y e rs h i p y a r da n d t h e w e l d i n gs e a m 图1 _ 8 为德国w a m o w w e r f i 船厂改装的龙门式n d ：y a g 檄光一g m a 复合焊 接头。图1 - 9 为丹麦o d e n s e 船厂装备的激光m i g 复台焊接设备，单边焊接厚 度1 2 m m ，双面焊接厚度2 0 m m 焊接速度可以达到2 5 0 0 m m m i n ，极大地提高 了生产效率、降低了生产成本。 图1 8 德国w e m 船厂的复合焊接装置图i - 9 丹麦o d e n s e 船厂撤光m i g 复合焊接设备 f i 9 1 - 8 h y b r i d w e l d i n ge q u i p m e n t sf i g l - 9 h y b r i d w e l d i n ge q u i p m e n t s i n w e 币s h i p y a r d i n g e r m a n y i n o d e n s es h i p y a r d i n d e n m a r k 激光电弧复合焊将两种焊接技术有机的结合起来，获得了优良的综合性 能，在提高焊接质量和生产工艺性的同时，改善了成本效益比。改变了能量在 时间和空问上的分布，改善母材热作用和影响区域的温度分布，从而改善了焊 缝及热影响区的冷却条件、组织转变和应力状态：改善了某些材料的可焊性， 例如锚合金、镁台金以及异种材料等；由于引入了电弧作为焊接热源，提高了 激光焊接的能量利用率和焊接能力，提高了生产效率，降低了生产成本，在今 后的工艺生产中具有更太的竞争力：同时，激光一电弧复合焊接对焊前零件装配 误差要求降低。正是由于复合焊接的上述特点，这一新兴的焊接方法在工业生 产的各个领域得到了越来越广泛的应用。 北京丁业大学理学硕十学位论文 目前，对于复合焊接的研究主要集中在焊接工艺及装置的探索上，对激光 与电弧之间的相互作用机理尚未形成系统理论【4 3 , 4 4 , 4 5 】，有待进一步完善；在复 合焊接过程稳定性及小孔行为的研究方面还有待进一步深入；同时，在生产中 的很多装置设计问题也没有很好的克服【46 1 。相信随着这些关键问题的逐步解决， 激光一电弧复合焊接必将在在工业生产的各个领域发挥越来越重要的作用。 1 3 本文的研究内容 激光一电弧复合热源焊接是将物理性质、能量传输机制截然不同的两种热 源复合起来进行焊接，既发挥了两种热源的优势，又弥补了各自的不足，是一 种具有应用前景的焊接方法。当前，激光一电弧复合焊接已成为焊接界和工业 界研究的热点，对焊接装备以及工艺技术的研究逐步深入。本文以低碳钢为实 验材料，分别采用n d ：y a g 和c 0 2 激光加工系统和直流数字焊机，针对激光一 t i g 填丝复合焊接技术开展了以下几方面的研究工作： ( 1 ) 依据研究复合焊接工艺的实验要求和激光焊接头结构特点，设计开发 了旁轴式激光- - t i g 填丝复合装置，确定了装置主要工艺参数范围，主要包括 激光离焦量f 、两热源间距d l a 、电弧角度c l 以及送丝角度p 等。通过实验研 究了装置参数范围内复合焊接的工艺特性，确定出了不同装置参数时焊接过程 以及焊缝成型规律，对与装置相关的复合焊接工艺进行了优化； ( 2 ) 研究了填充焊丝的n d ：y a g - - t i g 以及c 0 2 - - t i g 复合焊接的工艺特 性、焊接过程稳定性以及焊缝成形规律，对比了不同激光源时的复合焊接工艺 特性，归纳和总结了复合焊接主要工艺参数的影响规律； ( 3 ) 利用高速摄像观察了n d ：y a g t i g 复合焊接过程中的电弧和金属蒸 汽羽辉形态以及c 0 2 - - t i g 复合焊接中电弧形态和光致等离子体的波动行为， 结合焊缝成形情况对比分析了复合热源特性对焊缝成形的影响规律； ( 4 ) 以优化后的c 0 2 t i g 填丝复合焊接为例，研究了对接和搭接焊时的工 艺适应性。在对接焊中，考察了对接头装配误差包括f s j 隙、错边以及间隙和错 边同时存在时的工艺适应性；与激光焊接、激光填丝焊接进行了对比，得出了 三种焊接工艺以间隙和错边为参考量的加工区域图，并对加工区域图的大小及 规律进行了分析，探讨了热源特性以及填充材料对工艺适应性的改善情况。在 搭接焊中，考察了复合焊接工艺对上下板装配间隙的适应性并与激光焊接进行 了对比，得出了装配间隙焊接速度关系曲线并对曲线进行了分析。 8 21 实验设备 第2 章实验设备及方案 21 1n d ：y a g 激光n y _ 系统 德国r o f i n s i n a r 公司生产直流激励灯泵浦c w 0 2 5 n d ：y a g 固体激光器， 工作波长10 64m 最大功率2 5 0 0 w ，光束聚焦特征参数值k f = 2 5 m m m r a d 。 运动执行结构采用关节型焊接机器人和三轴联动工作台，很好地保证了实验条 件的一致性和重复性。系统各部分实物如图2 1 所示。 图2 - 1n d ：y a g 激光加工系统 f i 9 2 - in d ：y a gl a s e r w e l d i n gs y s t e m 该加工系统中激光束通过芯径为6 0 0 9 m 的石英光纤传输，透射聚焦镜焦 距1 2 0 m m 。采用德国p r o m e t e c 公司生产的u f f l 0 0 型光束光斑质量诊断仪测 量了柬腰位置处的功率密度分布如图2 - 2 所示，柬腰位置附近的光斑直径与离 焦量的关系如图2 3 示。 北京t 业大学理学硕士学位论文 曩z 岛 饕?， i 哉面 八 y 截面 一 j x 缅 图2 2y a g 激光加工系统聚焦光束束腰位置功率密度分布图 f i g 2 2p o w e rd e n s i t yd i s t r i b u t i o na tt h ef o c a lp o s i t i o n 7与5- 4321o123 456 d e f o c u s i n gd i s t a n c ei nm m 图2 3y a g 激光加工系统光斑直径与离焦量的关系( f = - 1 2 0 m m ) f i g 2 3r e l a t i o n s h i po ft h eb e a md i a m e t e rw i t ht h ed e f o c u s i n gd i s t a n c ef o rf - = 12 0 m m 2 1 2c 0 2 激光加工系统 德国r o f i n s i n a r 公司生产板条式扩散冷却d c 0 3 5s l a bc 0 2 激光器，工作 波长入= 1 0 61 tm ，光束直径巾= 1 7 m m ，额定输出功率p = 3 5 0 0 w ，光束模式为 准t e m 0 0 模，激光聚焦特征参数k f - - 3 7 m m m r a d 。激光束经镜组传输，抛物 面铜镜聚焦，聚焦镜焦距f = - 3 0 0 m m ，聚焦光斑直径巾= o 2 6 m m 。运动执行结构 1 0 4 3 2 1 o 9 8 7 6 5 4 3 2 1 1 1 1 ， o o o 0 0 o o o e u j ullolaein 采用德国血轴联动加工机床，系统实物如图2 - 4 所示。 幽2 - 4c 0 2 辙光加工系统 f i g2 - 4 c 0 2 l a s e r w e l d i n gs y s t e m 采用p r o m e t e cu f f l 0 0 光束光斑质量诊断仪测量聚焦光束光斑半径和功率 密度及分布，得到束腰位置的功率密度分稚如图2 5 所示，束腰位置附近的光 斑直径与离焦量的关系分别如图2 - 6 所示。 怍 球i 匕i l i 厂 卜刈上 圈2 - 5c o ：激光加工系统柬腰位置功率密度分布图 f i 9 2 - 5p o w e rd e n s i t yd i s t r i b u t i o na t t h e f o c a lp o s i t i o n i ! 至三些奎茎呈茎堡：! ：茎堡篁塞 d e f o c u s i n gd i s t a n c ei n r f l m 图2 6c 岛激光加工系统光斑直径与离焦量的关系 f i g2 - 6 r e l a t i o n s h i po f t h eb e a md i a m e t e r w i t h t h ed e f o c u s i n gd i s t a n c e 2 13 直流数字t i g 焊机 奥地利f r o n i u s 公司生产模块化直流数字焊机，采用数字化的焊接程序和连 续的电流调节，工作电流3 5 0 0 a ，工作电压1 0i v 3 00 v ，焊接时采用正接方 式；焊机采用数字信号传递控制信息，响应速度快，抗干扰性能力强。电源输 出能量的控制由电流、电压、时间通过拂同方式完成，具有很好的工艺稳定性。 焊机实物如图2 7 所示。 图2 7 直流数字焊机 f i g2 - 7 d c d i g i m l w e m e r eelu；一 2 l4 复合焊接装置 为研究n d ：y a g 激光和c 0 2 激光与t i c j 电弧复合焊接时的工艺特性，设计了用 二n d ：y a g 和c 0 2 激光的复合焊接装置，其实物如图2 8 所示。该装置结构紧凑， 参数调节方便稳定性好，其参数调节范围如表2 1 所示，装置设计依据及调节 见本文第三章的详细介绍。 图2 - 8 填丝复合焊接装置( 左n d ：y a g - t i g 复合，右c 0 2 - t i g 复合) f i 9 2 - 8h y b r i d w e l d i n gh e a d w i t h f i l l e r w i r e ( 1 e f t ：n d ：y a g - t i g , r i g h t ：c 0 2 - t i g ) 表2 1 复台焊接装置允许的参数范围 热源间距d l 15 - 2 0 r a m 0 1 5 m m 电弧角度n 1 5 7 0 01 5 。、4 5 0 、6 0 。 送丝角度b 1 5 - 4 5 03 0 。、4 5 。 2 15 金相显微镜及分析软件 实验完成后依据标准程序制取试样包括切割、研磨、浸蚀，浸蚀液采用 4 硝酸酒精。处理完成后，采用o l y m p u s s z 6 1 体视显微镜( 如图2 9 ) 和 o l y m p u s p m g 3 金相显微镜( 如图2 一lo ) ，观察了焊缝截面及形貌。将采集到 的图像通过c c d 在计算机上成像，利用o l y c i a m 3 金相分析软件( 如图2 - 1 1 ) 对焊缝形貌进行了测量和分析。 垫至三些耋茎茎茎些耋耋些耋三 图2 - 9 体视显微镜( o l y m p u s - s z 6 1 ) f i g2 - 9s t e r e o m i e m s c o p e ( o l y m p u s s z 6 幽2 - 】0 金相显微镜( o l y m p u s - p m g 3 ) f i g2 - 1 0 m e t a l l o m l c r o s c o d e ( o l y m p u s 。p m g 3 量l 墨j 墨；墨l 型照f 鱼j 到量苎= 二1 坐叫 二丘l 1 i 。! 二j 图2 - 1 】金相分析软件 f i g2 - l lm e t a l l o g m p h i c a la n a l y z es o f t w a r e 22 实验方案 为研究和对比复合焊接的工艺特性，实验分别以n d ：y a g 激光和c 0 2 激光 为激光源，低碳钢为实验材料，采用填充焊丝的激光- 直流t i g 旁轴复合焊接方 式，激光垂直材料表面入射电弧与材料表面形成夹角c t 焊丝与材料表面央 角o ，定义电弧延长线与材料表面的交点与激光轴线的水平距离为两热源间距 d l a 。实验布置图如图2 1 2 所示，实验中涉及的主要参数及说明见衷2 - 2 。 图2 12 实验布置圈 f i g2 - 1 2s c h e m a t i c d i a g r a mo fe x p e r i m e n t a ls e t u p 表2 - 2 实验主耍参数表及意义 t a b l e2 2 m a i nd a l a f f l e t e t sa n d t h e i r m e a n i n g so f e x o e r i 工艺因素l参数及意义 激光功率p ( w ) 聚焦镜焦距f ( m m ) 离焦量a f ( m m ) 电弧 直流正接 电弧气氛 电流( a ) 钨极直径25 r a m 与材料表面夹角( o ) 电弧长度l ( i n t o ) 送丝速度v d ( m m i n ) 拖丝送丝 送丝与材料表面夹角1 3 ( 。) 复合 热源间距d l ( m m ) 焊接速度v s ( m m i n ) 实验主要研究了n d ：y a gt i g 及c 0 2 t i g 填丝复合焊接工艺特性包括 激光与电弧能量的匹配、两热源间距、电弧角度、电弧气氛及材料填充量对焊 北京t 业大学理学顾十学位论文 接过程及焊缝成形的影响规律，对比了不同激光时复合热源焊接工艺特性及焊 缝成型的差异；探讨了填充焊丝的c 0 2 t i g 复合焊接在对接和搭接时的工艺适 应性，将实验结果与激光焊进行了对比，得出了以间隙和错边为参考依据的加 工区域图和间隙焊接速度关系曲线。 第3 荦填丝复合焊接装胃设计 第3 章填丝复合焊接装置设计 在激光t i g 填丝复合焊接中，工艺参数较多，电弧角度、电弧气氛以及热 源间距等都对焊接过程的稳定性产生重要影响。因此，装置达到的工艺参数范 围以及实验条件的一致性对研究复合焊接的工艺特性是必须首要考虑的问题。 同时，结构紧凑、调节方便以及装置的整体刚性等也是设计时需要考虑的重要 因素。 3 1 填丝复合焊接对装置的要求 在填丝复合焊接中，工艺复杂，参数较多，为研究多个工艺参数对焊接的 影响，装置设计中需考虑主要工艺参数可调性及调节范围。同时，为保证实验 条件的一致性和可重复性，装置应调节简单方便、位置可靠。对复合焊接具有 重要影响的工艺参数及要求如下： 两热源间距在旁轴复合焊接中，热源间距和两热源的能量匹配决定了复合 热源的特性，是焊接时重点考虑和控制的工艺参数。对复合焊接装置而言，要 求热源间距能够从零开始，直至两热源完全分离，这就要求热源间距的调节范 围要尽可能大，且能够保证每次实验时间距的精度和稳定性。在热源间距较小 时，要重点考虑焊枪的布置，避免与激光束相交造成钨极以及保护气喷嘴的烧 损，在热源间距较大时要考虑保护气对焊接熔池的有效保护。 电弧角度电弧角度影响到材料表面的电弧形态，直接决定了对材料的加热 特性以及对熔池的电磁作用力，是旁轴复合焊接中的重要工艺参数。为研究不 同电弧角度对复合焊接的影响规律，要求电弧角度与热源间距相互独立，同时 调节范围包括电弧与材料表面呈4 5 度时的情形。从工艺角度出发，电弧角度范 围越大越好；从装置方面看，电弧角度的上限是热源间距最小时焊枪与激光焊 接头紧密贴合且激光束与焊枪不相交，下限是钨极与材料表面在给定高度时焊 枪与材料表面贴合的位置。 填丝角度由于复合焊接工艺采用了t i g # l - 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