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国内外激光焊接机工艺技术的研究较量

发布时间:2020-05-27

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国内外激光焊接机工艺技术的研究较量

近年来,国内外的研究团队从激光焊接机激光的移动方式、热源组合等角度不断探索研究最合适的工艺参数,提高了多种激光焊接方式的技术,包括激光深熔焊、激光-电弧复合焊接等。激光焊接的研究不在流于表象,而是通过高速相机、光谱分析等现代表征方法研究焊接的工艺特性,尝试探索焊缝缺陷的形成机理。另一方面,激光焊接的内在变化较为复杂,各研究团队尝试通过引进磁场、多电弧和电场等外部能量应用到激光焊接过程中,重点研究其对改善焊缝的缺陷,提高其力学性能和焊接质量。


激光焊接机工艺


国内激光焊接工艺研究

采用激光焊接可以获得高质量的接头强度和较大的深度比,与传统焊接技术相比,具有较大的功率密度,对难以焊接的材料有较好的焊接效果,能够对不同性能的材料进行焊接。因此国内外学者对其进行了大量的研究。

国内对激光工艺的研究主要集中于从各焊接工艺的焊接速度、激光功率、离焦量、激光脉冲波形和保护气流量等参数上,并进一步对焊接接头的力学性能、组织演变和调控等进行了深入研究。激光压力焊接是一种独特的激光焊接技术,该技术将激光诱导加热与传统的平滚焊相结合。

激光压力焊接的工作原理是:将需焊接的工件用激光束局部熔化,然后在高压下轧制产生焊接接头。由于熔化区相对狭窄,避免了产生收缩和气体腔等焊接缺陷,该技术还可用于连接薄板。北京工业大学激光工程研究院黄婷副教授团队研究了纯铝激光压力焊接过程中的组织演变,如图2所示。


激光压力焊接原理图


该团队研究了纯铝焊接过程中微观组织演变的基本方面。通过深入分析激光压力焊接过程中试件的微观组织,推断出在轧制之前就开始了凝固过程,因此新结晶的材料经历了塑性应变。

激光-电弧复合焊接(见图3)作为21世纪极具前景的加工方法,被许多学者深入研究。长春理工大学的张川通过调整工艺参数的方式,对于50CrV/SPHE 异种钢的焊接工艺进行研究,分析对焊缝成形和熔滴过渡的影响,研究结果显示激光功率在 2800~3400W范围内,焊丝受热均匀,焊接过程稳定。


激光焊接机原理


华中科技大学的王磊将振荡扫描与激光-电弧复合焊接相结合,弥补焊缝的缺陷。采用横向、纵向和圆形三种振荡扫描方式焊接铝合金材料,利用高速摄像机和光谱分析熔滴的变化,结果显示圆形的扫描方式优化的参数范围远大于横向和纵向,且可以促进和等离子体的相互作用形成直径更小的熔滴,其有利于细化晶粒。等离子电弧的能量相比之下更加集中,北京化工大学的冯聪等人发现激光-等离子电弧焊接在平板焊接方面对于间隙和错边有良好的适应性。

国外激光焊接工艺的研发

国外对焊接工艺的研究集中于改善焊接条件和引进外部能量。J.A. Francisa等为了探索该工艺应用于连接大型、安全关键的核部件的潜力,如蒸汽发生器或压水堆(PWR)中的增压装置,采用真空激光焊接技术,以150mm/min的速度,使用16kW的激光,在两个焊道中,生产SA5083级钢的80mm厚焊缝。并介绍了真空激光焊接的优点,以及与电子束焊接在工艺物理方面进行了比较。得出真空激光焊接值得进一步发展,因为它为未来的核能建设计划提供了重要的希望。


Bunaziv I等人在采用光纤激光-MAG复合焊接的同时考虑了冷金属转移脉冲(CMT+P)电弧模式,用金属芯焊丝焊接45mm厚高强度钢(对接双面焊),比较了不同的脉冲方式和前后导弧对焊缝的影响。对比传统的脉冲电弧焊,发现两者都能提供高质量的焊接。但是CMT+P模式可以在有限的进给速度范围内提供更稳定的熔滴转移。

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