激光电弧复合焊在低合金高强钢中的应用

1、激光-电弧混合焊接摘要本文以低合金高强度钢为试验材料，研究了激光-电弧复合焊接中熔滴转移特性和电弧特性。采用高速摄像头和电子信号采集系统进行跟踪捕捉，然后对捕捉到的图像进行分析，确定焊接参数。对液滴转移和等离子体形态以及焊缝形成的影响。研究表明，电弧能量对等离子体形态大小的影响远大于激光能量，而激光功率主要影响焊接熔深。在其他参数不变的情况下，激光功率越大，穿透力越大；电弧影响焊接熔深宽度，电弧电流越大，熔宽越大，熔深越大。当电流过大时，穿透深度会减小。这是因为过大的电弧电流产生的等离子体对激光进行屏蔽和阻碍，从而削弱了激光的能量。另外，气体流量的增加也会使焊接过程不稳定，焊接熔深先增大后减小

2、，熔滴过渡频率降低，熔滴直径增大，焊缝成形不好。关键词激光-电弧复合焊接；液滴转移；电弧特性；激光功率；等离子体激光复合焊接电弧在低合金中的高强度钢摘 要本文以高强度低合金钢为实验材料，研究激光-电弧复合焊接熔滴传递特性和电弧特性，采用高速摄像机和电子信号采集系统跟踪镜头采集，然后对采集到的图像进行分析，确定焊接 参数 熔滴 转移 到 等离子体 对 形貌 的 影响 和 对 焊缝 的 影响.研究表明：等离子弧能量的影响远大于激光能量形态的大小，激光功率主要影响焊缝熔深而其他参数保持不变，熔深越大激光功率越大；影响焊缝宽度，电弧电流越大，焊缝宽度越大，电流过大时会造成熔深减小，因为电弧电流过大会产

3、生激光产生的等离子屏蔽和阻碍能量t的作用/he激光减少，额外的气体流量会导致焊接过程的不稳定，减少第一次焊接熔深增加，熔滴转移频率降低，熔滴直径增加，焊接不良。关键词激光 - 弧焊,熔滴 转移,电弧 特性,激光 功率,等离子体目录 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc454709315 摘要 PAGEREF _Toc454709315 h 我 HYPERLINK l _Toc454709316 摘要 PAGEREF _Toc454709316 h 二 HYPERLINK l _Toc454709317 第 1 章 引言 PAGEREF _Toc454709317 h

4、 1 HYPERLINK l _Toc454709318 1.1学科背景 PAGEREF _Toc454709318 h 1 HYPERLINK l _Toc454709319 激光-电弧复合焊接 PAGEREF _Toc454709319 h 研究现状1 HYPERLINK l _Toc454709320 1.2激光、电弧及激光-电弧复合焊接的特点 PAGEREF _Toc454709320 h 2 HYPERLINK l _Toc454709321 1.2.1电弧焊的焊接特性 PAGEREF _Toc454709321 h 2 HYPERLINK l _Toc454709322 1.2.2

5、激光焊接的焊接特性 PAGEREF _Toc454709322 h 2 HYPERLINK l _Toc454709323 1.2.3激光-电弧复合焊的焊接特性 PAGEREF _Toc454709323 h 3 HYPERLINK l _Toc454709324 1.3激光-电弧复合焊的焊接原理 PAGEREF _Toc454709324 h 3 HYPERLINK l _Toc454709325 激光发展趋势电弧复合焊 PAGEREF _Toc454709325 h 4 HYPERLINK l _Toc454709326 1.5本文主要研究内容 PAGEREF _Toc454709326

6、h 6 HYPERLINK l _Toc454709327 第 2 章 激光电弧复合焊接试验材料、设备和方法 PAGEREF _Toc454709327 h 8 HYPERLINK l _Toc454709328 2.1测试材料 PAGEREF _Toc454709328 h 8 HYPERLINK l _Toc454709329 2.2测试设备 PAGEREF _Toc454709329 h 8 HYPERLINK l _Toc454709330 2.2.1 YAG激光器 PAGEREF _Toc454709330 h 8 HYPERLINK l _Toc454709331 2.2.2 MI

7、G弧焊机 PAGEREF _Toc454709331 h 9 HYPERLINK l _Toc454709332 2.2.3焊接机器人 PAGEREF _Toc454709332 h 9 HYPERLINK l _Toc454709333 2.2.4高速摄像机 PAGEREF _Toc454709333 h 10 HYPERLINK l _Toc454709334 2.2.5焊接接头装置 PAGEREF _Toc454709334 h 10 HYPERLINK l _Toc454709335 2.3实验研究方法 PAGEREF _Toc454709335 h 11 HYPERLINK l _T

8、oc454709336 2.4焊接参数的选择 PAGEREF _Toc454709336 h 11 HYPERLINK l _Toc454709337 2.4.1焊接电流的影响 PAGEREF _Toc454709337 h 11 HYPERLINK l _Toc454709338 2.4.2保护气体的选择 PAGEREF _Toc454709338 h 11 HYPERLINK l _Toc454709339 2.5章节总结 PAGEREF _Toc454709339 h 12 HYPERLINK l _Toc454709340 第 3 章液滴迁移特性 PAGEREF _Toc4547093

9、40 h 13 HYPERLINK l _Toc454709341 3.1焊接参数对熔滴转移的影响 PAGEREF _Toc454709341 h 13 HYPERLINK l _Toc454709342 3.1.1激光功率和电弧功率 PAGEREF _Toc454709342 h 13 HYPERLINK l _Toc454709343 3.1.2气流对液滴转移的影响 PAGEREF _Toc454709343 h 16 HYPERLINK l _Toc454709344 3.2不同过渡方式对焊缝的影响 PAGEREF _Toc454709344 h 16 HYPERLINK l _Toc4

10、54709345 3.3液滴转移受力情况 PAGEREF _Toc454709345 h 16 HYPERLINK l _Toc454709346 3.3.1重力 PAGEREF _Toc454709346 h 16 HYPERLINK l _Toc454709347 3.3.2表面力 PAGEREF _Toc454709347 h 17 HYPERLINK l _Toc454709348 3.3.3等离子流 PAGEREF _Toc454709348 h 17 HYPERLINK l _Toc454709349 3.3.4电磁收缩力 PAGEREF _Toc454709349 h 17 HY

11、PERLINK l _Toc454709350 3.4章节总结 PAGEREF _Toc454709350 h 17 HYPERLINK l _Toc454709351 第4章焊接接头的显微组织和力学性能分析 PAGEREF _Toc454709351 h 19 HYPERLINK l _Toc454709352 4.1焊接接头显微组织分析 PAGEREF _Toc454709352 h 19 HYPERLINK l _Toc454709353 4.2焊接接头力学性能测试与分析 PAGEREF _Toc454709353 h 21 HYPERLINK l _Toc454709354 4.2.1

12、显微硬度 PAGEREF _Toc454709354 h 21 HYPERLINK l _Toc454709355 4.2.2拉伸性能测试 PAGEREF _Toc454709355 h 22 HYPERLINK l _Toc454709356 4.2.3拉伸断裂结构分析 PAGEREF _Toc454709356 h 23 HYPERLINK l _Toc454709357 4.2.4冲击性能测试 PAGEREF _Toc454709357 h 23 HYPERLINK l _Toc454709358 4.3焊接接头缺陷分析 PAGEREF _Toc454709358 h 24 HYPERL

13、INK l _Toc454709359 4.4章节总结 PAGEREF _Toc454709359 h 26 HYPERLINK l _Toc454709360 结论 PAGEREF _Toc454709360 h 27 HYPERLINK l _Toc454709361 至 PAGEREF _Toc454709361 h 28 HYPERLINK l _Toc454709362 参考文献 PAGEREF _Toc454709362 h 29 HYPERLINK l _Toc454709363 附录 PAGEREF _Toc454709363 h 31介绍主题背景在焊接结构中，高强度钢以其优异

14、的性能和显着的经济效益得到越来越广泛的应用。其屈服强度远优于普通碳素结构钢。低合金高强度钢碳含量低，焊接性和成型性好，对冷脆倾向和时效不敏感。当合金元素2.5%的合金钢为低合金钢时，可通过热轧或热处理直接使用。该类钢应用范围广，可大批量生产，受到了需求者的更多关注1 。与其他焊接热源一样，激光焊接也有其缺点：成本高、准备要求高、容易产生缺陷。低合金高强度钢对热输入很敏感，而传统焊接方法的热输入较大。随着热输入的增加，韧性降低。激光电弧复合焊接是激光焊接和电弧焊接的结合，可以达到最好的效果。结合缺点，由于激光复合焊接的焊接速度非常快，可以减少热输入，避免大热输入带来的不利影响。其接头的力学性能明

15、显优于普通焊接方法。作为一种新的焊接方法，可以改变功率密度在时间和空间上的分布，改善母材和热影响区的温度分布。显微组织转变和应力状态，高焊接速度减少了工件的变形，加快了焊接效率。国外激光-电弧复合焊接研究现状激光电弧复合焊接技术最早由英国研究人员在 1970 年代发明和使用。进入本世纪后，由于激光器和弧焊设备性能的提高，激光电弧复合焊接得到了迅速发展。目前，该领域发展较快的国家包括美国、德国和瑞典。今天的激光复合焊接已经从单一的电弧和激光逐渐发展到多领域、全方位的焊接技术。而美国、德国、日本等国家已经开始将这种焊接技术应用于高低碳钢、不锈钢、铝合金等不同材料。 2000年，德国Fruanhof

16、er研究所首次将该技术应用于输油管道。不久之后，德国Meyer-Werft造船厂首次将该技术用于船舶焊接。当今的激光复合焊接技术已广泛应用于汽车生产、航空航天技术和各种电焊。随着微电子、医疗设备等高精度、高性能设备的发展，激光-电弧复合焊接因其能够满足这些焊接设备的高性能要求而受到越来越多的关注和应用2 。激光、电弧和激光-电弧复合焊接的特点电弧焊的焊接特点的能源是焊接电弧，在焊接过程中对焊件起到热量的作用，是焊件熔化形成焊缝的前提。电弧的本质是气体放电，是气体放电的一种表现。电弧放电是气体放电的最终形式，通常伴随着熔化和蒸发 3 。以激光焊接为基础的电弧焊是一种简单经济的焊接方法，按电极性能

17、可分为MAG焊（气体保护气体保护焊）和TIG焊（非气体保护气体保护焊） 。与激光焊接相比，电弧焊具有以下优点：(1)弧焊设备简单，投资少，焊接过程中能量损失小。( 2 )焊丝熔化时需要高能量，高能量热输入和低焊接速度使焊件在焊接过程中吸收大量热量，导致焊件变形大。(3)弧焊时不存在热源能量的反射和折射问题，可焊接高亮度型材，焊接适用性广。(4)较厚的焊件可选择不同坡口，弧焊时热影响区大，对焊件的装配要求较低，焊接结构设计灵活性大，焊前准备工作简单。电弧焊的缺点是：(1)焊接过程是一个局部受热不均匀的过程。由于高热输入和低焊接速度，结构件的变形会引起应力集中等缺陷。(2)焊接接头性能参差不齐。焊

18、缝金属是木材和填充金属在热作用下熔合而成的铸造结构。热影响区的组织和性能在焊接热的影响下会发生变化，导致焊缝韧性下降。发生脆性断裂。激光焊接的焊接特性与其他焊接工艺相比，激光焊接有其独特的优势：(1)激光功率密度高，可焊接高熔点、难熔金属或两种不同金属。(2)聚焦光斑小，加热速度快。激光束可以聚焦到波长大小的光斑，用于小区域的焊接。(3)热影响区小，热变形可以忽略不计。激光能量密度集中虽然会产生大量热量，但焊接过程中焊接速度大，散热快，因此对热影响区的影响很小，因此基本没有变形。焊接过程中的焊件。问题。(4) 激光可在真空中传播，可有效焊接焊缝的密封，不会带来拆卸困难，从而降低成本，无环境污染

19、。(5)可焊接特殊材料，如高脆性、高强度的金属和非金属材料，应用范围更广。(6)激光焊接装置易于与计算机连接，可准确定位，实现自动焊接，在高速焊机条件下获得高质量、高精度的焊缝。即使具有激光焊接的优势，激光焊接设备的高成本也是一种非常昂贵的资源。激光-电弧复合焊接的特点激光-电弧复合焊是电弧焊与激光相结合的一种新型焊接方法。它有效地将能量传递不同的两种焊接方式结合起来，共同作用于工件表面，从而完成加热和焊接过程。过程。激光-电弧复合焊接可以充分发挥两种热源的优势，弥补各自的不足，热能输入的相互补充可以使焊后更好的焊接。激光电弧复合焊接的优点是：(1)由激光和电弧组成的热源共同作用于工件表面，电

20、弧产生的等离子体可以促使熔池更好地吸收激光产生的能量。同时，在电弧的作用下，等离子体与激光产生的等离子体在材料表面有效结合。电弧可以加热基材，激光降低电弧的阻力，能量得到充分利用。复合焊缝的熔合宽度和热影响区远小于电弧焊。由于焊接速度快，能量耗散快，工件吸热，很大程度上减少了工件变形。因此，获得了高质量的焊缝，提高了生产效率，降低了成本。(3)两种不同的热源同时作用于工件，实现高速高质量焊接，能量利用率高，热损失少，装夹精度要求低，内容间隙较大。可选择不同的填充材料来改善焊缝的微观结构和性能。激光-电弧复合焊的焊接原理激光与电弧的作用方式可分为近轴式和同轴式：(1) 侧轴激光和电弧不在同一轴上

21、作用，焊接装置简单，易于组装。(2)同轴激光与电弧同轴，热源对称，方向性对接头影响不大。在激光-电弧复合焊接过程中，两个热源之间存在很大的相互作用，直接影响焊缝的成型质量。因此，有必要了解激光和电弧两种热源的相互作用机理，以确定工艺参数对激光-电弧复合焊接焊接结果的影响。在焊接过程中，如果材料表面的激光功率密度过大，激光会穿过熔池形成小孔，伴随着大量光致等离子体的产生，而等离子体浓度超过一定的临界值，会影响激光。到屏蔽。电弧和激光相互配合，会稀释焊接区的等离子体，削弱其屏蔽作用，增加熔深。激光的波长越长，由于光子和电子之间的相互作用，等离子体对激光能量的吸收就越大。可以看出，等离子体密度对吸收

22、系数的影响很大，而温度对其影响不大。降低等离子体密度和提高温度会降低吸收系数。电弧与激光的相互配合会降低等离子体的密度和吸收系数，增强激光的穿透能力。图1-1激光电弧复合焊接示意图激光-电弧复合焊接的发展趋势激光电弧复合焊接在汽车上的应用近年来，汽车制造向轻量化方向发展，汽车制造过程中车门和车身逐渐采用低合金高强度钢。德国大众率先将该技术应用于车身和车门的焊接。随着激光-电弧复合焊接技术的日益成熟，复合焊在汽车车身焊缝焊接中的比例越来越大，并有取代传统气体保护焊的趋势。图1. 2位激光电弧复合焊在车身焊接中的焊接部位。在某系列汽车车身焊接中，车身内所有焊缝均采用混合焊接，车门焊缝总长度为498

23、0mm 。高达3570 毫米 4 。在汽车制造业中，装配间隙往往过大，无法焊接。激光-电弧复合焊接能够更好地适应焊接环境，具有更高的焊接效率，降低成本和工期 5 。通过选择不同的工艺参数可以得到焊缝的结构和形状。不同的工艺参数会影响穿透深度和宽度。在不同的条件下，可以满足不同的需求。复合焊接的弧焊部分可用于焊缝金属。焊缝的填充改变了焊缝区的成分，使焊缝具有更好的力学性能，同时激光部分增加了熔深，两种热源的耦合作用使焊接过程更加稳定。体内激光-电弧复合焊接( 2)在船舶上的应用中国是世界上海域面积最大的国家之一，造船产量仅次于中国和日本。但是，中国的造船水平还达不到世界先进水平，总体上还比较落后

24、。焊接技术是造船的关键技术之一。焊缝的质量将直接影响船舶的制造周期、生产周期和产品质量。激光-电弧复合焊接技术的发展，使欧美等一些国家放弃了传统的焊接技术。在造船过程中，激光-电弧复合焊接的发展逐渐取代了传统的焊接机技术。一定的优势，并发挥主导地位。激光-电弧复合焊接焊接速度快，焊接效率高，自动化程度高，焊后变形量小。这已逐渐发展成为船舶焊接，尤其是高强钢焊接的关键技术。它具有明显的优势。这在国外已被广泛研究和应用，而中国相对落后。 2002年，德国Meyer-Werft造船厂首次将激光-电弧复合焊接用于船舶建造。船厂在加强筋焊接中采用CO 2激光-GMAW复合焊，使生产过程自动化程度高。更多

25、，焊缝质量更好，台面变形更小，焊后加工时间和装配难度大大降低。目前，一些大型造船厂已采用该技术 6 。图 1-3德国Meyer-Werft 造船厂使用激光弧焊制造目前，一些快艇、渡轮或军舰上已经使用了低合金高强度钢材。传统的焊接方法难以实现这种新型材料的理想焊接，从而限制了低合金高强度钢材的应用。激光-电弧复合焊接可以克服这些缺点，提高船舶制造效率，节约生产成本。(3 )激光-电弧复合焊接在其他领域的应用激光-电弧复合焊接技术在输油管道和压力容器的焊接中也发挥着非常重要的作用。由于石油管道和压力容器的生产需要较大的壁厚，普通焊接方法难以满足生产需要。由于热输入的影响，传统的焊接方法很难一次焊接

26、好板材，工艺难度较大。语言比较复杂，多层焊需要加工坡口，容易产生缺陷。然而，激光-电弧复合焊接具有较宽的熔深和较大的一次熔深，以避免缺陷的发生。本文的主要研究内容本文的主要内容如下：(1)首先介绍了激光-电弧复合焊接的工作原理，并简要介绍了激光-电弧-复合焊接的发展历程、研究目的和意义。(2)焊接时焊接参数对焊接过程的影响，如焊接电流、离焦量、激光功率、焊接速度和灯丝间距。(3) 对激光-电弧复合焊接过程中熔滴转移的形式进行了详细研究。(4)焊接过程中的工艺特性，如焊缝熔深、对接间隙、焊接速度和焊缝的显微组织性能。(5 )研究焊接接头焊后的性能，利用拉伸和弯曲试验检测焊接接头的应力状态。激光电

27、弧复合焊接试验材料、设备和方法测试材料试验采用180mm20mm10mm或300mm50mm8mm的低合金高强度钢作为试验材料，牌号为Q460 。 _ _ _ 强度、硬度、耐磨性和耐腐蚀性。其力学性能见下表：表2-1 低合金高强度钢的力学性能机械性能抗拉强度,s / MPa屈服强度， b /MPa 5 /%标准周长 4 60 5522 7-40表2-2 低合金高强度钢化学成分元素思_小号C磷莫内容0.60N2 He ）大于空气时，保护气体会包围焊缝表面，保护效果更好。但就电离量而言，不同保护气体的电离量也不同。 Ar的电离量最低，焊接时易电离，可降低焊接时的等离子体浓度。就电离量而言，降低血浆

28、浓度的效果为 He N 2 Ar 。在普通焊接中，N 2单独用作保护气体。保护气体的选择非常重要。合理的保护气体不仅可以保护焊缝，而且可以有效地耦合两个焊接热源，以获得高质量的焊缝。章节摘要本章主要介绍测试中使用的测试设备。液滴转移特性焊接参数对熔滴转移的影响滴转移是复合焊接中非常重要的焊接现象。转移方式可分为三种方式：短路转移、粒子转移和射流转移。这三种过渡方式有很大的不同。短路过渡的基本条件是用较细的焊丝在较低的电弧电压和较小的电流下进行焊接。引弧初期，焊丝末端受热逐渐熔化，在末端形成熔滴并长大。此时，焊丝仍以一定的速度前进。当熔滴长大到一定尺寸时，会与熔池接触，造成短路过渡。粒子转移需要

29、大的焊接电流。在高电弧电压下，电弧产生的等离子体会被拉长，增加熔滴与熔池之间的距离。弧被拉长以避免接触。当液滴增大到一定程度时，就会发生剥落，形成粒子过渡。在高电压和大电流的情况下很容易发生射流转变。这种情况下，电弧的热输入较大，焊丝的熔化量增加，有利于熔滴的传递。电磁收缩力和等离子体流动力也随着电流的增加而增加。液滴的转变方式变为射流转变，转变频率降低，液滴尺寸减小。射流过渡稳定性好，焊接过程无明显缺陷，焊缝成型美观，提高了焊接质量。激光功率和电弧功率激光功率和电弧功率是激光-电弧复合焊接过程中非常重要的参数。功率的选择将直接影响焊缝的形成，也会影响焊缝的熔深宽度和深度。电弧功率直接影响送丝

30、速度和焊缝熔敷金属量，进而影响熔深；激光功率主要影响穿透深度1 1 。当激光功率和电弧功率匹配不同时，两个热源的耦合也会不同。要想获得良好的焊缝，必须选择合理的焊接参数范围。该测试基于激光和电弧功率之间的差异。通过高速摄像机拍摄参数对复合焊接的影响，以及不同情况下的熔滴转移方式，以优化理想的工艺参数范围 12 。测试参数如下表所示：表3-1 影响焊缝激光功率的参数第一组第二组第三组（千瓦）我（一）U(V )我（一）U(V )我（一）U(V )五1.51602518026200271.22.01602518026200271.22.51602518026200271.23.01602518026

31、200271.24.01602518026200271.2其他焊接参数为灯丝间距为0 mm ，离焦量为-1 mm ，激光焊接保护气体为30%He+70%Ar 。弧焊保护气体为20%CO 2 +80%Ar，气体流量为16L/min 。图3-1可以看出，在相同的电流和电压下，当激光功率从1.5kW变化到4.0kW时，焊缝表面不同程度地出现了焊接飞溅。 ，焊接过程中产生的飞溅比第一组严重，焊缝不理想，焊缝表面有咬边现象 13 ；激光功率为2.5kW4.0kW时焊接飞溅依然存在，飞溅现象同样严重，但焊接后得到的良好焊缝的外观得到很大改善，咬边缺陷减少。这是因为当电流为160A时，液滴的传递方式为短路传

32、递，这种情况下，液滴传递不稳定，容易发生飞溅。保护气体的存在也会产生飞溅，如CO2气体在高温下会分解CO ，而CO在高温下膨胀会导致爆破产生飞溅。F=1.5kW I=160A F=1.5kW I=160A U=25fecabdP=4.0kW I=160A U=25P=3.0kW I=160A U=25P=2.0kW I=160A U=25fecabdP=4.0kW I=160A U=25P=3.0kW I=160A U=25P=2.0kW I=160A U=25F=2.5kWI=160AU=25F=2.0kWI=160AU=25图3-1 I=160 , U= 25激光功率变化对焊缝形状的变化从

33、图3-2可以看出，当I = 180和 U = 26时，在激光功率变化过程中，焊缝表面成型良好，飞溅少，焊缝优于第一组，但形成了焊缝。不如功率大的时候好。造成这种现象的原因是，当激光功率较高时，其稳弧能力较强13 。对比焊缝的形成情况，测试效果优于第一组测试，因为在这种情况下，熔滴的转移方式是熔滴转移，过渡过程更加稳定，而且熔滴的大小更均匀。下面的焊接过程更稳定。但是，当激光功率较小时，激光和电弧不能很好地耦合，电弧产生的等离子体会成为激光的屏障。随着激光功率的增加，耦合情况得到改善。这时，在观察焊缝表面时，可以发现电弧有不同程度的偏移，这是由于等离子体作用引起的过渡熔滴的波动 14 。从图3-

34、3可以看出，当I =200和 U=27时，在激光功率变化过程中，焊缝成型始终良好，基本无飞溅，无明显缺陷。从液滴过渡图可以看出此时的过渡方式为射流过渡，液滴过渡速度快且液滴尺寸小，电弧利用率高，没有等离子体的屏蔽作用弧15 。当激光功率在2.5kW以下时，激光与电弧的耦合不理想，电弧发生偏移，电弧产生的等离子体对激光有屏蔽作用，激光的稳弧效果不理想。理想的。激光的增加会改变稳定电弧的情况，焊接熔深会增加。P=2.5kWI=180A U=26P=2.5kWI=180A U=26P=2.5kW I=180A U=26fedcbaP=4.0kW I=180A U=26P=3.0kW I=180A U

35、=26P=2.5kW I=180A U=26P=2.5kW I=180A U=26fedcbaP=4.0kW I=180A U=26P=3.0kW I=180A U=26P=2.5kW I=180A U=26P=3.5kW I=180A U=26图 3 - 2I=180, U=26 激光功率对焊缝的影响fedcbaP=3.0kW I=200A U=27P=4.0kW I=200A U=27P=2.0kW I=200A U=27P=3.5kW I=200A U=27P=2.5kW I=200A U=27P=1.5kW I=200A U=27fedcbaP=3.0kW I=200A U=27P=4

36、.0kW I=200A U=27P=2.0kW I=200A U=27P=3.5kW I=200A U=27P=2.5kW I=200A U=27P=1.5kW I=200A U=27图 3 - 3I =200 , U=27 激光功率对焊缝的影响从三组实验来看，激光功率会增加熔深，同时稳定电弧，使焊缝外观更好。当激光功率速率较小时，激光的作用不如电弧大，电弧产生的等离子体屏蔽了激光，激光功率损耗大，两个热源之间的耦合激光和电弧不好 16 。电弧功率的不同会导致熔滴的转移方式不同。当电流为160A时，熔滴为短路过渡，熔滴转移会在焊接过程中产生飞溅。焊接成型不良会产生气孔和咬边。和其他缺陷。当电流

37、为180A时，液滴的过渡方式由短路过渡到喷射过渡，过渡方式更加稳定。当激光功率增大时，焊缝外观好，激光-电弧复合好，焊接过程更稳定。当电流为180A时，在合适的电压下，激光和电弧两种热源可以有效结合，实现激光-电弧复合焊接的稳定焊接17 。当电流为200A时，熔滴过渡方式完全变为射流过渡，过渡过程更加稳定，焊缝成型良好，基本无缺陷。当激光功率较小时，激光的效果不明显，电弧产生的等离子体会屏蔽激光的效果，焊缝表面会飞溅，激光的利用率低。液滴转移的气流复合焊接中，保护气体对焊接效果也有很大影响。在焊接过程中，保护气体可以保护熔池免受空气侵蚀。保护气体可以提供气体介质，同时保护熔池金属。在复合焊接中

38、，保护气体的流量主要影响熔滴的转移方式。气体流速的增加会降低液滴的转移频率，但会增加液滴的直径。其原因是气体流量的增加会导致喷嘴处气体流量的增加。这时，保护气体会产生阻止熔滴落下的力，引起电弧偏移。在这种情况下，熔滴从焊丝末端落到熔池中。随着时间的增加，当自身重力大于气体作用力时，液滴会脱落，导致液滴过大，过渡频率明显降低；同时，气体流量的增加抑制了等离子体的膨胀，增加了工件对激光的吸收。 .有效提高焊缝深度和焊接过程的稳定性。不同过渡方法对焊缝的影响混合焊接在焊接过程中可分为三种典型的过渡方式，熔滴过渡过程中的应力条件也因过渡方式不同而不同。当液滴的跃迁方式为短路跃迁或粒子跃迁时，跃迁过程中

39、跃迁频率较低的液滴尺寸相对较大。这种过渡方式容易造成熔池的对流紊乱，使小孔的机械平衡失衡，导致小孔塌陷，使小孔内的金属蒸气无法消除。不能排除金属蒸气形成气孔，液态金属会在挤压力的作用下喷出飞溅。同时，当熔滴直径较大时，焊丝末端落到熔池的过程中会对熔池产生很大的冲击力，熔池会因此而波动。并导致焊缝边缘被咬边。过渡方式为喷射过渡时，熔滴尺寸小而均匀，熔滴沿焊丝轴线注入熔池，焊接过程稳定，焊缝表面光滑均匀，无明显缺陷。液滴转移应力在复合焊接中，熔滴传递特性的变化是由于应力状态的变化。重力复合焊接时，重力是促使熔滴下落的力，熔滴的大小会直接影响自身受力。但当液滴传递方式为喷射和液滴传递时，重力的影响几

40、乎可以忽略不计。重力与自身质量成正比，因此液滴的重力可表示为：(3.1 )其中， R为液滴半径， g为重力加速度，为密度。表面力复合焊接，熔滴存在于焊丝末端。在熔滴与焊丝分离之前，熔滴与焊丝之间有一个表层。在这层表面上相互吸引的力就是表面力。过渡力是防止液滴脱落的主要力，其大小可表示为：(3.2 )R为液滴半径， 为表面力系数，表面力系数受多种因素影响。等离子流在等离子体流动过程中促进液滴脱落的力可以表示为：(3.3 )其中， CD为等离子体系数，通常为0.44 ，根据保护气体的雷诺系数确定， 为等离子体的密度， V f为等离子体流速， Ap为等离子体的有效面积.电磁收缩力电磁收缩力是液滴中电

41、流的洛伦兹力的体现。激光的加入改变了焊接过程中电弧的原始形状，从而改变了熔滴沿焊丝轴线的电流分布。激光的加入不仅改变了电磁收缩力的大小和方向，还使电磁收缩力在导线轴线方向上形成一个点角。当高速运动的液滴有电流通过时，电流产生的电磁收缩力会对液滴产生作用力，作用方向不一定。这是一个障碍。弧形会影响电磁收缩力对液滴传递的影响。作用方向总是指向大截面的方向。因此，电磁收缩力不仅可以促进液滴的传递，也可以阻碍液滴的传递。章节总结(1 )激光功率的变化主要影响穿透力，激光功率的增加会增加穿透力。激光功率在2.5kW以上，电流180A，电压26V时，激光-电弧复合焊焊接过程稳定，焊缝平整，表面缺陷不明显，

42、飞溅少。(2 ) 180A左右的电弧电流是熔滴转移的最佳值。电流小于180A时为短路过渡，过渡不稳定，焊缝成形不良；当焊接电流大于180A时，过渡方式为熔滴转移焊接过程中的稳定飞溅。少，焊缝成型良好。(3)当电弧电流在200A左右时，灯丝间距保持不变，电弧产生的等离子弧会屏蔽激光，工件对激光的吸收效率会降低，导致熔深浅。(4 )保护气对熔滴的转移也有很大的影响，保护气的气体流速会影响熔滴的大小，对焊缝的形成有很大的影响。焊接接头的显微组织和力学性能分析焊接接头直接决定焊接接头的力学性能，因此研究焊接接头的显微组织对提高焊接接头的力学性能具有重要意义。除了母材对接头组织的影响外，焊接过程中的焊接

43、参数、焊接速度和焊后的冷却速度都会对焊缝产生一定的影响。通过对焊接接头断口的分析可以发现，热影响区晶粒粗大，形成上贝氏体，在冷却过程中会出现马氏体-残余奥氏体成分，从而导致碳含量 脆性区的变化形成脆性区，降低了焊接接头的韧性。表4-1拉伸试件焊接参数编号线能量我（一）U (V)伏（米/分钟）磷（千瓦）DLA (毫米)斜角1-10.460818026133我1-20.511220017.6133我1-30.568022029.4133我2-10.541220027.613.53我2-20.571220027.6143我2-30.481220027.612.53我焊接接头的显微组织分析激光和电弧，

44、线能大，过冷度会影响晶核的形成。在一定的过冷度下，有利于晶核的形成和生长。熔池边缘温度梯度差越大，即固液相自由能隙越大，越有利于晶核的生长。过快的冷却速度有利于凝固过程，也有利于获得较大的过冷度，因此形成了一定的形核条件。在凝固过程中，母材主要以晶粒为晶核生长，导致焊缝区金属主要由较粗的柱状晶组成。根据焊缝金属的状态及成分、组织和性能的变化，焊接接头可分为四个区域：焊缝、熔合区、母材和热影响区。这四个区域统称为焊接接头。热影响区是基体在激光或电弧等热源作用下发生变化的区域；熔合区是焊缝和母材之间的边界。焊缝的不完整性根据其对结构完整性的影响可分为缺陷和缺陷。焊接飞溅和夹渣是焊接缺陷的一种表现形

45、式。图 4-1 显示了焊接区的微观结构。由于激光能量密度高而电弧能量密度低，复合焊接焊缝的金相组织为粗大的先共析铁素体、马氏体+针状铁素体的混合组织和少量贝氏体。图 4-1焊接区显微组织马氏体是低合金高强度钢焊缝中的典型组织。在电子显微镜下观察马氏体表明马氏体中存在许多位错。马氏体的存在会使焊缝具有更高的力学性能。强度和硬度是由于相变和时效强化的作用。马氏体的出现不仅减少了裂纹的发生，而且通过其独特的机制（马氏体的高密度位错）降低了应力集中。熔化的母材和焊丝之间会形成熔池。熔池的形成是焊缝形成的前提。当热源消失后，焊缝中熔池中的金属会逐渐冷却，由液态变为固态。变化过程中会发生组织转变： 1、熔

46、池由液态金属完成凝固； 2 、熔池凝固后，由于冷却过程中温度梯度的变化，引起相变，这两种结晶过程都会导致焊缝。电镜下观察结果不同，因为相变发生在结晶过程，导致其形态发生变化 18 。焊缝金属的结晶和凝固可分为以下几个阶段第一阶段是自由结晶。在液相线以下的温度下，会出现初生固体晶体。这时，液态金属会多于固态金属。在相变过程中，液态金属会自主流动并改变其形状。自由晶区不发生应力集中，出现的固体晶体不再旋转或移动，不变形。第二阶段接触正在生长的结晶区。随着时间的推移，由于焊接热源的温度会逐渐变冷，从液相线的某个区域开始，液相金属逐渐减少，固相晶体逐渐增加。先前自由生长的晶体是由于固相晶体数量的增加产

47、生接触，并在一定程度上建立了一定的强度连接，生长出来的晶体难以移动。由于此时的温度还没有达到完全固相的条件，所以还会有一定量的液态金属，结晶发育不完全，剩余的液态金属会在固态金属之间流动。第三阶段临界结晶区。液态金属完全变成固态金属。这是因为随着温度的降低，液态金属明显减少，此时剩余的晶间液态金属不能在固相金属之间移动，会形成封闭的液膜。在液态金属向固态金属转变的过程中，由于固态晶体的逐渐增多，会产生一定的收缩力。由于金属本身不足以支撑收缩力引起的变形，会出现裂纹，此时没有液晶的补充。结果，产生裂缝。该温度区对焊接裂纹的敏感性较高，故称为临界结晶区。第四阶段固相区。液态金属完全凝固形成一个整体

48、。2 、晶体特性焊缝的凝固结晶具有一定的特点。焊缝结晶时，熔池冷却速度过大，金属区域处于过热状态。结晶发生在运动状态。结晶过程首先发生在熔池壁上，形成柱状。晶核的生长方向是从熔池壁到焊缝中心。焊接接头力学性能测试与分析显微硬度450500300350400550600650450500300350400550600650图4-2焊缝中心硬度曲线对比在激光-电弧复合焊接中，显微硬度可用于测量焊接接头的力学性能。该图为不同线能量下焊接接头不同区域的硬度变化曲线。在三种不同的线能量下，焊缝中心的硬度最高为0.56kJ/mm。较大的线能量输入和过快的冷却速度会使显微硬度更高。由于焊缝中存在马氏体和贝氏

49、体，焊缝区的硬度低于热影响区，焊缝中合金元素也较多。拉伸性能测试表4-2焊接接头拉伸试验结果编号截面尺寸（mm 2 ）破断力（ N ）抗拉强度（MPa ）1.13.12x5.542447712331.23.14x5.481893110382.13.14x5.4612387655图 4.3 为不同线能量输入拉伸试验的应力-应变曲线(二)（C）图4.3拉伸试验应力-应变曲线图 4 - 4拉伸后的试样通过应力-应变曲线和拉伸试验断口分析，断口方式为韧性断裂和脆性断裂。这是因为高强度钢中锰、硅等元素的含量较高，锰增加了钢的淬透性，回火后材料的脆性也增加了，而硅元素增加了钢的强度。由图4-3可以看出，在

50、没有屈服阶段的拉伸曲线中，试件的断裂方式以脆性断裂为主，变形量很小。试件的断裂部分位于焊缝的热影响区，这是由于热影响区存在粗大组织，增加了该部分的脆性。拉伸断裂结构分析图 4-5工件断口形貌如图4-5所示，观察工件的断口形貌可以发现，接头断口处有很多凹坑，而且凹坑的形状也不同，断口不齐。其原因是过热区有粗大的组织，使工件在拉伸过程中在过热区断裂。多相组织是晶界铁素体、侧板条马氏体和珠光体的混合物。侧板条马氏体和珠光体的存在是过热区韧性差的根本原因，而晶界马氏体的韧性较好，此时过热区的力学性能会变得很不均匀。 ，从而形成各种形状的凹坑。冲击性能测试冲击试验可以检测材料的韧性，可以宏观地表达被测材

51、料的力学性能。图4-6为复合焊接接头的冲击图图4-6复合焊接接头冲击断口图图 4-7冲击试验断裂结构图4-7为冲击试样的断裂结构图。从观察图中可以看出，冲击试样的断口表面也有凹坑。但与拉伸试样相比，冲击试样的断口更小，冲击断口在焊缝位置。这是因为复合焊中焊丝的熔化改变了焊缝中熔敷金属的成分，使焊缝位置的锰含量高于母材，使焊缝的显微组织细化。 ，并且在冲击过程中发生准解理断裂。焊接接头缺陷分析无论采用何种焊接方法，都会存在焊接缺陷，而激光-电弧复合焊接中经常存在的缺陷就是气孔。气孔的产生是由于熔池结晶过程中部分气体未能排出造成的。气孔不仅会出现在焊缝表面，还会出现在焊缝上。毛孔的出现通常有两种方

52、式：结晶过程中没有析出周围气体，如氢空穴。这是因为焊接过程中焊缝位置的温度远高于其他位置，熔池温度最高，大大增加了氢的溶解度，降低了冷却过程中的冷却速度。熔池中的溶解氢不会形成空洞而析出。( 2)金属气孔，由于复合焊接过程中激光和电弧在同一个熔池中共同工作，激光的加入会产生针孔效应。当小孔闭合时，来自小孔的蒸汽不来并在小孔闭合形成蒸汽孔时凝固，蒸汽孔不逸出，有时形成孔。在拉伸试验中，有些样品会在焊缝处断裂，在断裂处会发现气孔。如图4-8所示，裂缝中孔隙的位置如图所示。图 4 - 8 裂缝中存在的孔如图所示，焊缝存在气孔，拉伸时气孔周围会产生应力集中，降低了焊接接头的强度，导致焊缝的抗拉强度低于

53、母材。图4-9存在孔隙时的断裂形态图4-9 为裂缝结构的整体形态。气孔存在于焊缝部位，分布不规则。在拉伸过程中，气孔首先在气孔存在的部分被破坏，导致不规则断裂。混合焊接是两个热源的联合作用。在熔池结晶过程中，不会过冷。在相态变化之前，可以同时排出焊缝中存在的气体，避免气孔的产生。但是，当装配要求过高时，焊缝的熔合宽度和熔深会增加，导致气体不能及时逸出而产生气孔。气孔的存在会改变焊接接头的力学性能，在生产过程中应避免此类缺陷。通过拉伸和冲击试验可以看出，复合焊接的焊接接头比母材具有更好的强度和硬度，并且在受到外力作用时，焊接接头的安全性高于母材。章节摘要(1)当熔池冷却速度过大时，金属处于过热状

54、态，焊缝在熔池壁上形成柱状晶体。焊缝从左右向焊缝中心生长，焊缝中心垂直向上生长。(2)焊缝组织比木材更均匀，激光的效果得到很好的体现。(3)激光-电弧复合焊接接头热影响区晶粒度最小，母材区晶粒度最大，反映了激光对晶粒度的细化作用。(4)硬度试验表明焊缝热影响区硬度最高，焊缝硬度低于热影响区。(5)拉伸试验表明热影响区先断裂；冲击试验表明，焊缝位置首先断裂，这是由于焊丝熔化过程中熔敷金属成分的变化引起的。综上所述(1 )激光-电弧复合焊接在各个领域得到了广泛的研究和应用，但在焊接工艺方面还存在很大的不足。(2)熔滴过渡方式多样，主要受激光功率和电弧功率的影响。在液滴转移过程中，液滴本身的重力和等

55、离子体流动力是促进液滴转移的力；金属蒸气的表面力和反作用力是阻碍液滴转移的力。( 3)不同的过渡方式对焊接质量影响很大。选择合理的焊接参数可以避免飞溅和气孔的产生；过渡方式为喷射过渡时，焊接过程稳定，焊缝外观美观，焊接质量好。( 4)保护气体的气体流量对焊接效果也有很大影响。保护气流量应选择在合理的范围内。当保护气过大或过小时，焊接时熔滴的直径会随着保护气的增加而增大。 ，液滴转变频率随着保护气体的增加而降低。( 5)电弧能量对等离子体的影响远大于激光功率。当电弧功率过大时，产生的等离子体会屏蔽激光，导致工件对激光的吸收率下降。至本论文是在导师莉莉的悉心指导下完成的。导师深厚的专业知识、严谨的

56、学术态度、精益求精的工作作风、孜孜不倦的高尚品德、严格自律、宽大的作风、朴实平易近人的人格魅力对我影响深远。不由自主地树立了崇高的学术目标，掌握了基本的研究方法，也让我明白了许多与人为善、为人处事的原则。从选题到完成，本论文的每一步都是在导师的指导下全新完成的，导师倾注了大量心血。论文快要写完的时候，我的心情无法平静。从立项到论文顺利完成，有多少可敬的老师、同学、朋友给了我无言的帮助，请在此接受我的诚挚用意！最后，我要感谢在艰辛中抚养我长大的父母，你们！参考 1李，董春林，卢高尚，等。YAG/MAG激光电弧复合焊接技术研究J .焊接技术, 2004, 33 (4): 21-232关桥，方军，董

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