能场辅助激光焊接焊缝成形及缺陷控制综述.pdf
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1、激光焊接是一种能量密度高、热影响区窄、工件变形小的高效焊接方法,但单激光焊接仍存在很多的问题,如冷却速度较快,易产生裂纹、气孔等缺陷。加入合适的气场或采用摆动激光可有效抑制飞溅和气孔等缺陷;采用电弧辅助激光焊接可有效提高焊接过程稳定性,减少接头缺陷;通过超声波场、磁场、电场辅助激光焊接能够细化晶粒、降低元素偏析和裂纹敏感性,提升接头性能。分别从工艺优化、加入辅助热源、加入辅助能场3 个角度对激光焊接研究现状进行了总结;最后对目前能场辅助激光焊接研究中存在的问题进行分析,并对其发展前景进行展望。关键词:激光焊接(LW);能场辅助;焊缝成形;缺陷控制;问题及展望D0I:10.16080/j.iss
2、n1671-833x.2023.13.060料均可实现有效的连接。与传统焊接技术相比,激光焊接不仅焊接效率高,而且热影响区窄、焊接变形小,被誉为2 1世纪绿色制造技术 2 。目前,激光焊接技术已广泛应用于航空航天、铁路、船舶等领域,如航空发动机壳体、高速列车转向架等 3 。但在实际激光焊接过程中,仍存在一系列问题 4-5:(1)焊接等离子体对激光的屏蔽作用使激光能量传输效率降低;(2)焊接过程冷却速度较快,易产生裂纹、气孔等缺陷;(3)蔡创熔池流动剧烈,过程稳定性较差,影副教授,博士,主要研究方向为激响焊接质量;(4)咬边、桥接能力差。光焊接。为解决激光焊接中存在的问题,学者们尝试从多个角度解
3、决问题,从工艺激光焊接是一种以聚焦的能量角度出发,比如加入不同气场或采用束作为焊接热源辐射于待焊处,将待摆动激光焊接,可以有效抑制接头焊处的部分材料熔化实现连接的焊缺陷。不同气体具有不同的电离电接技术。激光束能量密度高,焊接时位,采用不同保护气体焊接时产生等加热、冷却过程速度快,对大部分材离子体的强度不同、等离子体羽流效应的抑制作用不同,并且匙孔内部的蒸汽压也有一定的差异,因此采用合适的气流场可以有效抑制飞溅和减少接头的气孔率。摆动激光对熔池产生搅拌作用,能够增加熔池的流动性,使接头热输入更加均匀,消除咬边等缺陷,焊缝成形得到有效改善。并且由于激光摆动使熔池反复受热,增加了熔池凝固时间,可减少
4、气孔等缺陷;从辅助热源的角度出发,加入电弧辅助激光焊接,不仅能使电弧在焊接过程中更加稳定,同时电弧和激光的耦合还可以使熔滴过渡更加稳定,减小飞溅等缺陷;从辅助能场角度出发,加人磁场、超声波场或电场也可改善接头缺陷。激光焊接时若加入磁场或电场可改变带电粒子的运动、液态金属的流动性及焊接等离子体的形态,从而改善焊缝成形且抑制缺陷,提升焊缝性能;若加入超声波,由超声波产生的空化效应、声流*基金项目:国家自然科学基金(518 0 54 56);四川省科技计划(2 0 2 1YFG0209);中央高校基本科研业务费专项资金(2 6 8 2 0 2 1CX108)。60航空制造技术2023年第6 6 卷第
5、13 期Multi-Energy Field Composite Manufacturing效应、机械振动及热效应可降低元素量密度也变得更低。为解决这一问偏析,破碎晶粒,使晶粒更加细小,从题,Liu等 15 采用三维摆动激光焊而提升接头性能。在焊接过程中加入不同的能场,如电弧能场、磁场、超声场、摆动能场 6-8 等可以有效改善焊缝成形,多能场复合制造接铝合金,改变匙孔内的能量分布,其焊接路径如图4 所示,结果表明,振镜光纤传输电机激光光束减少接头缺陷,提升接头性能。因此,YLS-6本文从工艺优化、辅助热源、辅助能反射镜场3 个方面对目前不同能场辅助激辅助光源光焊接的作用原理和研究现状展开综述,
6、并对其存在的问题及发展前景进行了展望。1工艺优化1.1摆动能场辅助激光焊接摆动能场辅助焊接是指在激光焊接时通过振镜装置实现激光束按照预设的轨迹运动,其焊接原理如图1所示 9。通过光束摆动对熔池产生搅拌作用,增加熔池的流动性、抑制焊接缺陷 10 1。Pang等 12 研究了“s形摆动激光和圆形摆动激光模式下铝合金的焊接特性,采用摆动激光后,接头飞溅明显减少,特别是采用圆形摆动后接头无咬边、下塌缺陷,焊缝成形得以改善,并且激光摆动后还能有效抑制气孔的产生,如图2 所示。Kabasakaloglu等 13 采用“8”字形摆动激光焊接铝合金,试验发现,激光在-1mm焦距处低频率摆动时匙孔不稳定,导致气
7、孔率较高;激光在-2mm焦距处低频率摆动时激光焊接接头的气孔率从1.8 6%降至0.5%,气孔率降低使接头性能显著提高。同时,光束摆动对熔池的搅拌作用形成的带状结构和柱状晶也提高了接头性能。为进一步研究摆动激光对气孔缺陷的影响,Ai等14 建立了摆动激光焊接过程熔池动态行为的三维数值模型,如图3 所示。“o形摆动使熔池反复受热,增加了熔池的凝固时间,使熔池内的气泡有更多的机会逸出,气孔率降低。虽然加入摆动激光后抑制了熔池气孔的形成,但能光纤kW激光器聚焦镜头高速摄像工作台移动方向图1摆动激光焊接原理示意图Fig.1 Schematic diagram of oseillating laser
8、weldingl咬边咬边50um焊接气孔200 um(a)无摆动Fig.2Fracture morphology of jointli2熔池后部熔池截面1mmt=0.1195 s焊接方向t=0.12 sFig.3Fluid fow on upper srface of the molten pol fter adding osilatig laserl2023年第6 6 卷第13 期航空制造技术6 150um200 m(b)“s 形摆动图2 接头断裂形貌 I2IX1mm1mmt=0.1205 s图3 加入摆动激光后熔池上表面的流体流动14 150um100m(c)圆形摆动1mmt=0.1215
9、 sT/K16001400120010008001mm600t=0.122 s0.2 m/s论坛FORUM当垂直摆动频率与平面摆动频率之比为1时,激光在匙孔前壁处为负离焦,提高了焊接热输入,使焊接过程更加稳定,气孔率降低,如图5所示。Tan等 16 研究了“s”形激光摆动加正弦分布的激光功率对铝合金焊接接头的影响,功率分布如图6 所示。当施加周期性变化的功率时,接头晶粒出现循环的“生长一抑制一生长”现象,这种生长机制细化了接头的晶粒组织,减少了柱状晶区域的宽度,焊接接头抗拉强度提高了3 5.3%,达到母材的99.1%。摆动激光焊接不仅在抑制焊接缺陷方面表现出色,在异种金属焊接时也能明显提高接头
10、性能。Zhou等 17 在研究摆动激光改善Ti/A1接头性能时发现,激光摆动对熔池产生的搅拌作用抑制了AI向Ti的扩散,减少了富铝化合物的生成。与不摆动激光焊接接头相比,最大载荷提高了7 6.3 8%其性能提升的原因主要是激光摆动使接头缺陷减少、连接宽度的增加和界面金属间化合物种类的改变,如图7所示。为了进一步降低金属间化合物层的厚度,提高接头性能,Chen 等 18 采用“S”形摆动加以正弦曲线分布的激光功率对Ti/A1接头进行焊接,通过在低熔点母材侧采用大激光功率,在高熔点母材侧采用小激光功率,实现低熔点侧熔化金属向高熔点侧铺展形成接头,同时由于高熔点侧激光功助,可以在一定程度上提高匙孔稳
11、定性,抑制飞溅的形成,改善焊缝成形;同时,激光焊接产生的等离子体强度Y个个A(a)平面摆动轨迹Fig.4 Schematic diagram of 3D osillating laser pathlusiJe=200 Hz,J=50 HzJo=50 Hz,f:=100 Hzfe=100 Hz,f=200 HzFig.5 Joint section morphologies a dfferent osillation frequenciesis功率/W最大功率50004800460044007420074000会因气体种类的不同而有所差别。因此国内外许多学者对气流场辅助激光焊接的焊接特性展开了研
12、究。YZX+X(b)垂直摆动轨迹图4 三维摆动激光路径示意图1512mm2mm2mm(a)faj/f#1图5不同摆动频率下的接头截面形貌15I最小焊接方向功率焊接路径200mmXY(c)3 D 摆动轨迹2mmJe,=50 Hz,f=50 Hz2mmfe=100 Hz,f:=100 Hz2mmfa,=200 Hz,f:=200 Hz(b)faj/f=1激光束“S”曲线功率恒定功率率较小、温度较低,从而避免了金属间(a)激光焊接示意图化合物层的过度生长。P=4700W虽然摆动激光的应用能有效抑5400制焊缝缺陷,改善焊缝成形,但是摆5200F动激光的能量密度会有所降低,导致5000M/oMod焊缝
13、熔深减小。特别是同功率下激48004600光熔/钎焊接异种材料时,摆动激光4400F会导致接头润湿性显著下降。采用4200F三维摆动或变功率摆动模式可有效4000E解决激光能量密度下降所带来的问00.51.01.52.02.53.03.54.0 4.55.0Time/ms题,并增强工艺适应性。(b)激光功率分布对比1.2气流场辅助激光焊接图6 激光功率分布示意图1在激光焊接时加人气流场进行辅Fig.6 Schematic diagram of laser power distributionlal62航空制造技术2023年第6 6 卷第13 期“S”曲线功率恒定功率焊接路径焊接方向0.8Mul
14、ti-EnergyField Composite Manufacturing500um500umTiTi500umAIA1(a)无摆动(b)摆动频率150 Hz图7 不同摆动频率下Ti/AI接头横截面元素面扫描结果11Fig.7Scanning results of Ti/Al joint cross section element at different osillating frequenciesli7Wang等 19 研究了辅助气体对响,Ahn等 2 1 分别采用氩气和氮气钛合金焊接熔深的影响,喷嘴角度越对铝合金进行了激光焊接,并对接头小,保护区的范围越大,在不同的喷质量、缺陷形成及显
15、微组织进行了分嘴角度下,保护范围随气体参数的变析。试验发现,在焊速较低时,由于化如图8 所示;在气体流量相同的情具有更高的电离电位,降低了等离况下,气体喷嘴倾角一定时,氮气的保子体羽流效应,因此可以有效减少接护区范围大于氩气。Schmidt 等 2 0 研头缺陷、提高焊接质量。氮气同时也究了局部气体流动对奥氏体不锈钢适合于较高焦点位置焊接,其补偿了全熔透激光焊接飞溅形成和熔池动正离焦引起的有效功率降低和熔池力学的影响,试验发现,随着气体流速平均温度降低的影响,但成本也相应的增大,匙孔内部压力增大,焊接时产升高。生的飞溅降至最小值,但气体流速超Xu等 2 2 研究了保护气体对脉过2 2.4 L/
16、min后,飞溅量增大。为进冲激光焊接等离子体羽流的影响,发一步研究气体种类对接头质量的影现在一个波动周期内,氩气作为保护多能场复合制造26060452203015018014010060500um20Ti10气体参数/(Lmin-)图:保护范围随气体参数的变化111Fig.8Shielding size varied with gasparametersl19)气时的等离子体强度、电子温度和喷射持续时间均大于氮气,并且随着500um500umA1(c)摆动频率2 0 0 Hz12保护气流量的增加,等离子体的电子温度降低,等离子体喷射持续时间缩短,如图9所示。因此较大保护气流的氨气氛围更能提高激
17、光利用率。Li等 2 3 采用体积分数10 0%Ar、8 0%A r +2 0%CO,和 10 0%CO2作为保护气研究3 0 4 不锈钢的焊接性能,结果表明,3 种保护气接头的金相组织、显微硬度、冲击韧性有较大差异;由于CO,的低电离势,导致其较Ar相比易电离,随着保护气体中CO,的含量增多,匙孔内蒸汽压力增大,匙孔的稳定性增加,气孔减少,但接头硬度降低,如图10 所示。气场对激光焊接异种材料同样有很大的影响,例如Xia等 2 4 采用纯Ar、C O,+A r 和纯CO,对铝钢进行搭接焊,保护气中加人适量的CO,可以提高熔化金属量,改善钎料的润湿14161820500040003000200
18、01000050007氩气氛围10 L/min氩气氛围16 L/min氩气氛围2 2 L/min10 L/min16 L/min0.0050.010时间t/s(a)氩气氛围Fig.9 Changes o eletron temperature of plasma plume with diferet shielding gasesea氨气氛围10 L/min氨气氛围16 L/min4000氢气氛围2 2 L/min3000200022 L/min100000.0150.020图9不同气氛中等离子体羽流的电子温度变化(2)10 L/min0.0050.010时间t/s(b)氨气氛围2023年第6
19、 6 卷第13 期航空制造技术6 316 L/min0.0150.02022 L/min论坛FORUM性,改变金属间化合物层的种类,提升接头性能。保护气体是激光焊接中的重要参数之一,采用合适的气体可有效提高接头性能,在后续的研究中可探索混合气体对接头性能的影响机制。此外,可开发多元混合保护气来降低生产成本,提高工艺适应性,减少接头缺陷。2电弧能场辅助激光焊接20世纪 7 0 年代,英国学者 Steen2首先提出了激光一电弧复合焊接。激光-电弧复合焊接能充分利用电弧工艺适应性强、激光功率密度高等优点 2 6-2 8 。与传统单激光焊接相比,复合焊接能有效降低焊接成本,改善焊缝成形质量,提高焊接过
20、程稳定性,因此广泛应用于航天航空、汽车、船舶、轨道交通等领域 2 9-3 0 。电弧能场辅助激光焊接中,电弧既作为一种能场,也作为一种热源作用于工件。激光作为主热源,电弧作为副热源,两种热源结合在一起,可以实现“1+1 2”的复合效应,不仅可以提高焊缝质量,还能改善桥接能力、抑制焊接缺Ar2mmAr+CO2焊缝凹陷CO2Df/mmFig.10 Weld section morphologies under different shielding gases and different64航空制造技术2023年第6 6 卷第13 期陷。其工作原理如图11 所示 2 3 。Sun等 3 1 利用激
21、光-TIG复合焊连接6 0 6 1-T6铝合金,探究在不同参数下气孔形成机理,试验结果表明,影响焊接缺陷的主要因素为脉冲激光能量,并且电弧电流在一定范围时,可以减少焊接气孔形成,电弧电流对气孔率的影响如图12 所示。Zhang等 3 2 利用激光-电弧复合焊对AA6082-T6铝合金进行了连接,并探索了激光、电弧之间耦合机理,结果表明,激光电弧间耦合作用使得电子能级发生跃迁,如图13 所示;耦合作用随激光功率的增大、激光与电弧间距的减小、焊接电流的减小而增大,其使得熔滴过渡更加稳定,减少了飞溅的产生,其原理如图14 所示。Ning等 3 3 研究了激光-电弧复合焊接过程中激光和电弧的距离对激光
22、能量耦合的影响,研究发现,激光和电弧的距离会影响复合焊接过程中匙孔的形状,从而影响激光能量耦合效率。激光和电弧的距离越小,一个脉冲周期内匙孔深度增大速度越快,但同时匙孔壁在反冲压力作用下沿匙孔径向后移动的距离越缩颈焊缝宽度增加焊缝余高缩颈焊缝宽度增加+5+3图10 不同保护气体和不同离焦量的焊缝截面形貌12 3 defocusing distances:31大,匙孔直径增大,从而显著削弱了激光在匙孔内多次反射的能力。因此,激光脉冲周期内的总能量耦合效率随着激光和电弧距离的减小而降低。周建等 3 4 在激光电弧复合焊接时发现,熔池的波动会影响激光、电弧之间的耦合,并且当光丝间距为4mm时,熔池波
23、动较小,激光电弧呈现周期性耦合,焊缝成形良好。在电弧能场辅助激光焊接过程中,由于激光和电弧两种热源的共同作用,电弧行为与熔滴过渡变得十分复杂 3 5。Cai等 3 6 研究了光纤激光-MIG复合焊接在短路、球状和喷射过渡模式下的熔滴过渡行为,并比较了电弧焊和复合焊接在3 种模式下的熔滴过渡频率、焊接电流波形和等离子体形貌。Liu等 3 7 研究了钛合金脉冲激光-GTA复合焊接过程中热源距离对熔池稳定性的影响,研究表明,通过精确调整热源距离可以激光束母材匙孔焊接方向图11电弧能场辅助激光焊接工作原理示意图 2 3 Fig.ll Schematic diagram of the workingpr
24、inciple of arc energy field assisted laser1613.8%1412缩颈6401401501601700-3焊枪一电弧welding/2a1 mm6.3%2.4%2.2%2.1%180-5-7-10电弧电流/A图12电弧电流对气孔率的影响13 1Fig.12Influence ofarc currents on theporosityl31Multi-EnergyField Composite Manufacturing焊丝焊丝熔滴路径阴极发射电子阳极电弧阴极熔池母材(a)电弧焊中电弧与母材的相互作用激光光束焊丝阳极激光诱导的高温区和电磁场(b)激光-电弧
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- 辅助 激光 焊接 焊缝 成形 缺陷 控制 综述
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