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激光电弧复合焊工艺研究

2016届毕业生毕业论文（设计）

题目：

激光-电弧复合焊工艺研究

专业：

班级：

学号：

姓名：

指导教师：

完成日期：

2016年6月

摘要

激光-电弧复合焊技术是一种具有比较好的工业应用前景的新兴焊接技术，目前已经引起了国内外科研人员的重视。

激光-电弧复合焊接将两种物理性质和能量传输机制截然不同的热源复合在一起，实现了优势互补，提高焊接效率和质量。

这种新的焊接工艺不仅克服了两种焊接热源的缺点、综合了两者的优点，还产生了额外的能量协同效应，具有广泛的应用于工业生产领域的巨大潜力，也因此越来越受到人们的重视和青睐。

本文结合科学家的研究工作，概括了激光-电弧复合焊的产生与发展、激光-电弧复合焊的特点、激光-电弧符合焊接机理与模拟数值的研究现状。

并着重介绍了激光-电弧复合焊的工艺研究。

对焊接的熔滴过渡形式、激光功率、焊接速度等工艺参数进行了研究。

关键词：

激光-电弧复合焊，工艺研究，工业应用，焊接缺陷

Abstract

Laser-archybridweldingtechnologyisakindofhasagoodindustrialapplicationprospectofnewweldingtechnology,hascausedtheattentionofresearchersbothathomeandabroadatpresent.laser-archybridweldingwillbetwodistinctphysicalpropertiesandmechanismofenergytransmissionofheatsourcecompositetogether,realizethecomplementaryadvantages,improvetheweldingefficiencyandquality.Thenewweldingtechnologynotonlyovercometheshortcomingsoftwokindsofweldingheatsource,takingadvantagesofboth,alsoproducesynergisticeffect,theadditionalenergyiswidelyusedinindustrialproductioninthefieldofgreatpotential,andthereforemoreandmoregetpeople'sattentionandfavor.

Incombinationwiththeresearchworkofscientists,thisarticlesummarizestheoriginanddevelopmentoflaserandelectricarccompoundwelding,laserandelectricarcwelding,laser-archybridweldingmechanismandthecharacteristicsofsimulationnumericalresearchpresentsituation.Andemphaticallyintroducesthelaser-archybridweldingtechnologywasstudied.Ofweldingdroplettransitionform,laserpower,weldingspeedandotherprocessparameterswerestudied.

Keywords：

Laser-archybridwelding,Technologyresearch,Industrialapplication,Welddefects

目录

前言1

1绪论2

1.1选题的意义2

1.2激光-电弧复合焊工艺研究的基本概述3

2激光-电弧复合焊工艺研究现状4

2.1激光-电弧复合焊工艺的产生与发展4

2.1.1激光-电弧复合焊的背景4

2.1.2激光-电弧复合焊的特点4

2.2激光-电弧复合焊的研究现状5

2.2.1激光-电弧复合焊工艺研究现状5

2.2.2激光-电弧复合焊机理研究现状5

2.2.3激光-电弧复合焊数值模拟的研究现状6

3激光-电弧复合焊工艺的研究8

3.1焊接前的预处理8

3.2焊接参数的制定8

3.2.1工艺参数与熔滴过渡8

3.2.2接头形式的选择9

3.2.3激光功率10

3.2.4光丝间距10

3.2.5焊接速度11

3.2.6激光与电弧的相对位置12

3.3焊后处理12

3.4激光-电弧复合焊焊接缺陷及检验13

3.4.1常见的焊接缺陷13

3.4.2焊接缺陷的特征、产生原因及预防措施15

3.4.3焊接检验18

3.4.4焊接检验方法与实施19

4激光-电弧复合焊工艺的应用22

4.1.激光-电弧复合焊工艺在造船方面的应用22

4.2激光-电弧复合焊工艺在桥梁方面的应用22

4.3激光-电弧复合焊工艺在管道方面的应用22

4.4激光-电弧复合焊工艺在汽车工业中的应用23

4.5激光-电弧复合焊在未来的发展方向23

结论25

致谢26

参考文献27

前言

激光焊接以其能量密度高、热影响区范围小、焊接速度快、熔深大、变形小和易实现自动化等优点而被广泛应用于各种结构件的焊接。

但是，与其他焊接热源一样，激光焊也有其缺点:

设备投资大，能量利用率低，焊前的准备工作要求高，接头中易产生气孔、裂纹、咬边等缺陷。

为避免单独激光焊所存在的问题，激光-电弧复合焊是最好的选择。

激光-电弧复合焊将激光焊和电弧焊两种工艺相结合，取长补短发挥各自优势，不仅能获得好的焊接质量和生产效益，而且还能降低成本、节约能源，实现优质、高效的焊接。

近年来，随着电弧焊设备和激光器性能的提高，激光-电弧复合焊技术的发展口新月异，已成为激光焊接研究的热点。

本文结合国内外激光-电弧复合焊的研究现状，概括了激光-电弧复合焊的特点、激光电弧复合方式、激光与电弧的相互作用、激光-电弧复合焊成型、激光-电弧工艺的研究以及激光-电弧复合焊缺陷的研究反馈复合焊工艺的不足。

1绪论

1.1选题的意义

焊接是一种重要的金属加工工艺方法，随着科学技术的发展，已逐渐发展成为一门独立的学科。

焊接技术是通过加热、加压，或者并用，并且用（或不用）填充材料，使两工件产生原子间结合的加工工艺和连接方式[12]。

目前国内外对焊接方法的分类，由于采用的角度不同而有不同的分类方法，但是按照各种焊接方法基本特点，总体上可分为三大类，即熔化焊、压力焊以及钎焊。

复合焊作为一种新兴的焊接方法正逐渐被广泛应用。

焊接应用广泛，既可用于金属，也可用于非金属。

焊接技术是随着金属的应用而出现的，古代的焊接方法主要是钎焊、铸焊和锻焊。

中国商朝制造的铁刃铜钺，就是铁与铜的铸焊件，其表面铜与铁的熔合线蜿蜒曲折，接合良好。

春秋战国时期曾侯乙墓中的建鼓铜座上有许多盘龙，是分段钎焊连接而成的。

经分析，所用的与现代软钎料成分相近。

随着科技的发展焊接放大也趋于多样化以满足生产、生活的需求。

焊接技术作为一种重要的材料加工工艺，在制造工业领域得到越来越广泛的应用，同时人们对焊接技术的要求也越来越高，希望能够获得一种优质、高效且成本低、适用范围广的焊接工艺。

激光焊先进焊接技术，因具有被焊工件变形很小，几乎没有连接间隙，熔深大、焊速快、热影响区小及操控精度高，焊接质量比传统的焊接方法要高，等优点。

而被广泛应用于工业生产。

同时激光焊也存在设备投资大、对工件装配精度要求高、接头搭桥能力差、易产生气孔和咬边、高反射率金属焊接困难等缺点。

传统的融化极气体保护焊虽然成本低焊缝变形和热影响区大等缺点，为了实现优质、高效焊接，科研人员将激光焊和融化极气体保护焊结合起来，形成了一种新的焊接技术，激光-电弧复合焊。

而随后的研究结果则表明，这种新的焊接工艺不仅克服了两种焊接热源的缺点、综合了两者的优点，还产生了额外的能量协同效应，具有广泛应用于工业生产领域的巨大潜力，也因此越来越受到人们的重视和青睐。

现代科技的发展，单一的传统焊接方法已经不能满足生活与生产的需求！

科学家们开始开发能满足人们各方需求的多元化焊接方法！

其中符合焊接在研究中占很大比重。

在复合焊中又以激光-电弧的复合焊尤为突出。

激光-电弧复合热源焊综合了激光焊与电弧焊的双重优点，可实现优质、高效焊接。

但相较于单热源焊，其工艺参数较多，难于优化。

若焊接过程中，工艺参数搭配不当，仍会出现焊接缺陷。

本文利用数值模拟和试验结合的方法，研究了激光-电弧复合焊小孔动态行为及流体动力学特征，分析了高速复合焊焊缝缺陷的产生及抑制机理，为提高复合焊工艺可靠性提供了技术支持。

激光-电弧复合热源焊接是近几年在国际上得到迅速发展和应用的焊接前沿新技术是轻金属材料优质高效连接的最佳熔焊工艺。

但对其内在的物理特征及其基础理论和关键技术问题还缺乏深入的研究。

文中分析了激光-电弧复合热源焊接工艺在国内外的研究现状。

本文重点研究了激光-电弧复合焊的工艺以及激光-电弧复焊工艺的主要应用。

1.2激光-电弧复合焊工艺研究的基本概述

激光电弧复合热源焊接技术是一种新兴的特种制造技术。

它是将物理性质、能量传输机制截然不同的两种热源复合在一起，同时作用于同一加工位置，既充分发挥了两种热源各自的优势，又相互弥补了各自的不足，从而形成一种全新高效的热源。

其原理如图1.1所示。

图1.1激光-电弧复合焊原理图

Fig1.1Theprinciplediagramofthelaserandelectricarccompoundwelding

激光-电弧复合焊技术是一种具有较好工业应用前景的新兴焊接技术，目前已经引起了国内外研究人员的重视。

激光-电弧复合焊接技术具有焊缝深宽比大、焊接变形小、能够满足造船厂对装配间隙的要求等优点，在我国船舶行业具有广阔的应用前景。

激光-电弧复合焊应用越来越广泛，在生产生活中的作用也越来越大本文主要从：

激光-电弧复合焊的研究现状、激光-电弧复合焊的工艺研究、激光-电弧复合焊工艺的应用等三个大方向上研究，激光-电弧复合焊研究进展。

2激光-电弧复合焊工艺研究现状

2.1激光-电弧复合焊工艺的产生与发展

随着现代科技的发展，在制造工业领域得到越来越广泛的应用，同时人们对焊接技术的要求也越来越高，希望能够获得一种优质、高效且成本低、适用范围广的焊接工艺。

激光焊作为一种焊接技术，因具有熔深大、变形小、焊速快、热影响区小、易实现自动化及操控精度高等优点而被广泛应用于工业生产，但它同时也存在设备投资大、对工件装配精度要求高、接头搭桥能力差、易产生气孔和咬边、高反射率金属焊接困难等缺点。

传统的电弧焊接虽然成本低、适用范围广，但又存在焊速低、熔深小、焊缝变形和热影响区大等缺点。

为了实现优质、高效焊接，研究者将激光焊和电弧焊接有机结合起来，形成了一种新的焊接技术—激光-电弧复合焊。

随后的研究结果则表明，这种新的焊接工艺不仅克服了两种焊接热源的缺点、综合了两者的优点，还产生了额外的能量协同效应，具有广泛应用于工业生产领域的巨大潜力，也因此越来越受到人们的重视和青睐。

激光-电弧复合焊综合了激光焊与电弧焊的双重优点，可实现优质、高效焊接。

但相较于单热源焊，其工艺参数较多，难于优化。

若焊接过程中，工艺参数搭配不当，仍会出现焊接缺陷。

2.1.1激光-电弧复合焊的背景

就目前而言，由于激光焊接的成本仍然较高，因此以激光为核心的复合热源焊接技术孕育而生。

激光电弧复合热源焊接技术是1976年首次提出的，几十年来，人们从未停止过对激光复合热源焊接技术的研究。

但是研究最多，应用最广的还是激光电弧复合热源焊接技术，它的主要目的是有效地应用电弧热源，以减小激光的应用成本、降低激光焊接的装配精度。

激光与电弧联合应用进行焊接有两种方式：

一种是沿焊接方向，激光与电弧间距较大，前后串联排布，两者作为独立的热源作用于工件，主要是利用电弧热源对焊缝金属进行预热或后热，达到提高吸收率、改善焊缝组织性能的目的。

另外一种方式是激光与电弧共同作用于熔池，焊接过程中，激光与电弧之间存在相互作用和能量的耦合，也就是我们通常所说的激光电弧复合热源焊接。

2.1.2激光-电弧复合焊的特点

激光与电弧相互作用形成的一种增强适应性的焊接方法，它避免了单一焊接的缺点和不足，具有提高能量、增大熔深、稳定焊接过程、降低装配条件、实现高反射材料的焊接等优点。

由于等离子体的吸收与工件的反射，因此单独使用激光焊，能量的利用率低，这样激光与电弧的复合，可以有效利用电弧能量，降低激光功率，节约成本。

复合热源焊接和同功率单激光焊接相比，熔深可以提高一倍多，可以减少填充金属的熔覆量。

与激光焊接相比，激光电弧复合热源焊接能减缓熔池金属的凝固时间，有利于相变充分进行，减少气孔、裂纹等焊接缺陷的产生。

同时复合热源焊接可以使材料的熔融量增加，可以改善融化金属与母材润湿性、消除焊缝咬边现象。

电弧的加入使得工件表面的熔合宽增大，降低热源对间隙、错边及对中度的敏感性，减少了工件对焊缝的加工、装配量，提高了生产效率。

由于复合热源焊接的速度快，热输入量小，因而热影响区小，焊缝的变形及残余应力小。

对于大厚板焊接，减少了焊接道数及焊后矫形工作量。

2.2激光-电弧复合焊的研究现状

激光-电弧焊并不是两种焊接工艺的简单叠加，而是通过激光与电弧的有机结合达到“1+1>2”协同效应。

激光-电弧复合焊与单纯的激光焊和电弧焊相比，经过激光与电弧的相互作用，则主要有着以下优点:

：

（1）MIG/MAG焊丝的填充，可调整焊缝合金成分，改善焊缝冶金性能和微观组织结构，减少气孔、咬边及未熔合等焊接缺陷的形成，从而提高焊缝质量。

（2）高速焊接时，MIG/MAG电弧弧根阴极或阳极斑点剧烈跳跃，熔滴过渡也不稳定，易产生飞溅，导致工艺过程剧烈波动。

引入激光作用于电弧，并在相对较高的保护气体流量下，不仅改变电弧的形态，也改变了熔滴的过渡方式，提高了工艺稳定性。

（3）与激光-TIG复合焊相比，具有较强的活力，可焊接的板厚更大，焊接适应性更高。

特别是由于MIG电弧具有方向性强及阴极雾化等特殊优势，尤其适合于大厚板及铝合金等难焊金属的焊接。

（4）通过调节弧与激光的不同作用位置，可有效提高间隙的容忍度，减少焊缝边缘的处理工作量。

它的高适应性不仅在于对间隙、错边、对中偏离的敏感性降低，还可减少焊接装夹、定位、焊后处理等许多工作。

2.2.1激光-电弧复合焊工艺研究现状

目前对激光-电弧复合焊接的研究多是侧重于焊接工艺方面，通过大量的工艺试验叠加来优化焊接工艺参数。

掌握不同焊接工艺参数对焊接质量的影响，有助于了解复合焊热源分布特征，是数值计算模型建立的前提基础。

激光功率、焊接速度、焊接电流、光丝间距等都是复合焊中对焊缝质量影响较大的工艺参数。

激光功率对复合焊焊缝熔深影响具有很大影响，焊缝熔深随激光功率的增加而增大，但其对熔宽影响不明显[1]。

对于光丝间距，复合焊过程中光丝间距存在一个最佳值（或范围）以获得最大熔深。

而焊接电流，焊缝熔深并不总是随着焊接电流的增大而增大的，而是在某一电流增加范围内，复合焊熔深出现了负增长[2]。

2.2.2激光-电弧复合焊机理研究现状

激光-电弧复合焊接过程是一个复杂的物理化学过程，焊接时在焊接区域充满了大量的高温激光致等离子体、电弧等离子体、受热蒸发的母材金属以及电离的保护气体等，所以研究复合焊接的机理难度不小。

近年来，国内外对其作用机理做了大量研究。

Moriaki等[8]在进行激光-MAG复合焊时测量了电弧电压的变化，发现单电弧高速焊时，电压波动范围很大，而复合后，电压波动范围明显减小。

他认为，单电弧焊时，电弧是由工件（阴极）的热电子发射来维持的，当焊速增大时，工件吸收的热量不足，因而电弧变得不稳定。

相反，在复合焊时，由于存在匙孔，焊接区域的带电粒子数陡然增加，因而热发射变得很容易，而且电弧也被明显压缩，弧柱能量密度增大。

Abe等[9-10]采用高速摄影观测了不同熔滴过渡形式下复合焊过程中熔池的稳定性发现，短路过渡电弧周期性的交替长大和熄灭会导致不稳定的焊缝熔池，不利于激光能量过渡到母材之中，因此，与短路过渡形式相比，喷射过渡形式更适合于激光-MIG复合焊。

陈彦斌等[4]采用脉冲激光烧蚀透明有机玻璃的方法测量了激光穿过电弧后的能量分布特性，结果表明，电弧对激光的吸收随激光功率的不同而不同，随焊接电流的增大而增大且当焊接电流增大到一定程度时，该吸收基本保持稳定；电弧对激光的散焦随焊接电流和激光功率的增大而增强。

天津大学的路登平等[11]用Stark扩展线宽法测定了单独电弧、单独激光和激光-电弧复合三种情况下的电子密度，有力的证明了激光和电弧等离子体之间存在的强烈相互作用，电弧有“稀释”激光等离子体的作用，但仅限于小电流电弧。

2.2.3激光-电弧复合焊数值模拟的研究现状

焊接是一个涉及多种学科的复杂的物理-化学过程。

随着计算机技术的发展，通过一组描述焊接基本物理过程的数学方程来模拟焊接过程，采用数值方法求解以获得焊接过程的定量认识，即焊接过程的计算机模拟，已成为研究焊接过程物理机制的重要途径，为焊接科学技术的发展创造了有力的条件。

电子计算机的发展推动了数值分析在焊接热过程中的应用。

数值分析法能够处理焊接过程中各种复杂的边界条件、热源分布和非线性问题，具有解析法不可比拟的优势。

因此数值分析在焊接热过程的研究中得到了广泛的应用。

根据焊接温度场的数值模拟，进行焊接工艺优化己成为趋势。

近年来，为了更好的理解激光-电弧相互作用的机理以及复合热源焊接过程中复杂的能量传输现象，一些研究者已经开始将数值模拟技术应用到了激光-MIG/MAG复合焊的计算之中。

杨世彦等[5]采用SurfacaEvolver有限元分析软件并根据电动力学和其它相关学科的基础理论，通过对射滴过渡系统中电磁能和重力势能的数学变换和描述，建立了适合于该软件运行条件的电弧射滴过渡数学模型，得到了熔滴液面形态，如图2.1所示。

Zhou等[6]首次对三维移动激光-MIG复合焊过程中熔滴和焊缝熔池之间的相互作用（包括流体流动，热量和质量传递以及温度分布）进行了数值模拟。

图2.2为熔滴过渡及其和熔池相互作用过程及温度场分布图。

但该模拟结果并没有出现焊接熔深增加的情况（同激光焊接相比），这和目前的绝大部分试验研究结果不太相符。

Reutzel等[7]也进行了激光-MIG复合三维瞬态热力学模型的数值模拟，为下一步预

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图2.1随焊接电流辩护的熔滴形态[5]

Fig2.1Variationofmetaltransfermodeswithweldingcurrent[5]

测焊接结构应力和变形的弹塑性有限元模型的热输入提供了一定了理论基础。

但是该研究只是将激光和MIG电弧两个单独的热源分布模型进行简单的叠加。

而没有考虑复合热源焊接过程中流体流动和质量传递，导致计算结果与实际存在一定的偏差。

图2.2熔滴和熔池相互作用过程及温度场分布的数值模拟[6]

Fig2.2Anddropofmoltenpoolandtheprocessofinteraction

betweenthedistributionoftemperaturefieldnumericalsimulation[6]

3激光-电弧复合焊工艺的研究

3.1焊接前的预处理

（1）技术准备：

焊工在施焊前需要进行的技术准备工作为：

熟悉产品图纸，了解产品结构；熟悉产品焊接工艺，了解产品焊接接头要求的焊工持证项目，掌握产品焊接接头的焊接参数。

（2）器材准备：

焊工在施焊前需要进行的器材准备工作为：

焊接设备及工装的检验调试；焊接参数调整，按焊接工艺的规定领取焊接材料。

（3）工件准备：

坡口清理,施焊前焊工应检查坡口表面，不得有裂纹、分层、夹杂等缺陷，应清除焊接接头的内外坡口表面及坡口两侧母材表面至少20mm范围内的氧化物、油污、熔渣及其它有害物质。

3.2焊接参数的制定

焊接前需要确定焊接工艺参数。

电弧焊工艺参数影响熔滴过渡和焊缝的成型，进而影响焊接接头的组织和性能；工艺参数选取不当还会引起各种焊接缺陷。

因此，选取合适的焊接工艺参数对确保焊接质量是至关重要的。

3.2.1工艺参数与熔滴过渡

（1）熔滴过渡的种类与特点

熔滴过渡状态是指焊条或焊丝熔化后滴入熔池的状态。

对熔滴过渡产生影响的因素包括：

焊接工艺参数、焊条（或焊丝）的成分与直径、保护气体的种类与成分等。

熔滴过渡过程复杂，对电弧的稳定性、焊缝成形和冶金过程均有影响。

传统上，通常将熔滴过渡分为自由过渡、接触过渡、渣壁过渡三种主要形式。

自由过渡又可分为滴状过渡、喷射过渡；接触过渡又可分为短路过渡、搭桥过渡；渣壁过渡是指沿渣壳或沿套筒进行的过渡。

短路过渡

消耗电极前端的熔融部分逐渐变成球状并增大形成熔滴，与母材熔池里的熔融金属相触，借助于表面张力向母材过渡，称为短路过渡（见图3.1（a））[12]。

短路过渡形式在CO2焊与MIG焊的小电流、低电压区尤为显著，被应用于熔深较浅的薄板焊接。

短路过渡在采用低电流和较小焊丝直径的条件下产生，短路过渡易形成的一个较小的、迅速冷却的熔池，适合于全位置焊接，如焊接根部间隙较大的横梁结构。

过渡

熔滴从焊丝端头脱落后，通过电弧空间自由运动一段距离后落入熔池的过渡形式成为自由过渡。

因条件不同，自由过渡又可分为滴状过渡和喷射过渡两种形式。

（1）滴状过渡：

焊接电流小时，熔滴的直径大于焊丝的直径，当熔滴的尺寸足够大时，主要依靠重力将熔滴拉断，熔滴落入熔池的这种过渡形式称为滴状过渡（见图3-1（b））。

（2）喷射过渡：

熔滴呈细小颗粒并以喷射状态快速通过电弧空间向熔池过渡的形式，成为喷射过渡，喷射过渡可分为射滴过渡和射流过渡两种形式。

图3.1几种熔滴过渡形式[12]

（a）短路过渡；（b）滴状过渡；（c）射流过渡

Fig3.1Severalkindsofmoltendropstransitionform[12]

（a）Shortcircuittransition；（b）Dropwisetransition；（c）Spraytransfer

3.2.2接头形式的选择

（1）对接接头

焊接接头是把同一平面上的两被焊工件相对焊接起来而形成的接头。

从受力角度看，对接接头是比较理想的接头形式，与其他类型的接头形式相比，它的受力状况较好，应力集中程度较小。

（2）T型接头

T形接头（包括T形和三联接头）及十字接头，是把相互垂直的或成一定角度的被焊工件（两块板或三块板）用焊缝连接起来的接头，是一种典型的电弧焊接头能承受各种方向的力和力矩。

（3）搭接接头

搭接接头是把两被焊工件部分的重叠在一起或加上专门的大搭接件用角焊缝或者塞焊缝、槽焊缝连接起来的的接头。

搭接接头的应力分布不均匀，疲劳强度较低，不是理想的接头类型。

但由于其焊前准备和装配工作简单，在结构中仍然得到广泛应用。

（4）角接接头

角接接头是被焊工件两端间构成大于30°、小于135°夹角的端部进行连接的接头。

角接接头多用于箱型构件上。

（5）端接接头

端接接头是两被焊工件重叠放置或者两被焊工件之间的夹角不大于30°，在端部进行连接的接头。

端