高效焊接技術(shù)

1、高效焊接技術(shù)-激光+GMAW 復(fù)合熱源焊焊縫成形的數(shù)值模擬弧焊高效焊接技術(shù)主要以提高熔敷效率和焊接速度為目的。其中高熔敷效率焊接主要是在單位時間內(nèi)熔化更多的焊接材料, 以提高焊接材料的熔化速度為目的的高熔敷效率焊接，代表工藝為TIME焊接，主要用于厚板焊接；高速焊接是在提高焊接速度的同時提高焊接電流,以維持焊接熱輸人大體上保持不變，代表工藝以多絲弧焊技術(shù)為主，主要用于薄板焊接。另外，復(fù)合熱源和加活性助焊劑方法也成為高效焊接的主要研究方向，如激光復(fù)合焊、ATIG焊等。圖1激光復(fù)合高效焊接方法激光電弧復(fù)合焊最早是由英國的WSteen于20世紀(jì)70年代末提出的，它將物理性質(zhì)、能量傳輸機(jī)制截然不同的兩

2、種熱源復(fù)合在一起，同時作用于同一加工位置，既充分發(fā)揮了兩種熱源各自的優(yōu)勢，又相互彌補各自的不足，形成一種全新高效熱源。復(fù)合形式眾多，根據(jù)激光電弧在焊接時的空間位置不同，可以將復(fù)合形式分為旁軸與同軸。主要的激光復(fù)合高效焊接技術(shù)方法如下圖1所示作為一種高能束焊接方法，激光焊以焊接速度快、生產(chǎn)效率高、焊接精度高、能量控制精確等良好的材料加工性能，以及易實現(xiàn)加工的自動化、柔性化等獨特的優(yōu)勢，在汽車、造船、航空航天器制造、微電子等行業(yè)得到了大量應(yīng)用。但是，由于激光束焦點直徑很小(一般為0.20.6 mm)，激光加熱區(qū)域及工件中的受熱熔化區(qū)域也很小，焊縫橋聯(lián)能力差，對工件的裝配提出很高的要求，因而在實際生

3、產(chǎn)中的應(yīng)用受到了較多的限制。作為最常用的熔化極氣體保護(hù)電弧焊GMAW，可以提供適量熔化的填充金屬在對接間隙中搭橋或填充坡口，使焊縫具有很強(qiáng)的橋聯(lián)能力，增強(qiáng)了對裝配間隙變化的適應(yīng)性，降低了對工件裝配精度的要求。 GMAW 還具有應(yīng)用范圍廣、設(shè)備投資和使用費用低等優(yōu)點。激光+ G M A W 電弧復(fù)合熱源焊接就是將激光焊接和G M A W 結(jié)合起來實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)高效焊接生產(chǎn)的一種新型的焊接成形工藝。復(fù)合熱源焊接過程中G M A W 提高了焊縫的搭橋能力，增強(qiáng)了適應(yīng)性；而激光焊采用深熔焊接模式，高能激光束在熔池中產(chǎn)生小孔、穩(wěn)定電弧、保證能量穩(wěn)定準(zhǔn)確地輸出，從而可以保證在高速焊接條件下獲得理想的焊縫熔深和規(guī)

4、則的焊縫成形。相對于純激光焊， 可以以較低的激光功率通過與電弧復(fù)合焊接獲得相同熔深的焊接接頭，而激光功率的降低則町以節(jié)能、降低投資和生產(chǎn)成本。因此，激光+ G M A W 電弧復(fù)合熱源焊接是一種優(yōu)質(zhì)高效的焊接方法， 具有廣闊的市場應(yīng)用前景和很強(qiáng)的競爭力， 是當(dāng)前國際高效焊接技術(shù)研究的熱點。近年米， 歐盟、美國、日本、韓國、澳大利亞及俄羅斯等國家都紛紛投入大量資金開展激光+ G M A W 電弧復(fù)合熱源焊接技術(shù)的研究，以期使其更廣泛地應(yīng)用于人批量生產(chǎn)制造中。但是， 激光+ G M A W 電弧復(fù)合熱源焊接的研究工作目前人多只集中于工藝本身，對一些共性的科學(xué)問題還缺乏系統(tǒng)深入的研究，這在一定程度上

5、限制了激光+ G M A W 電弧復(fù)合熱源焊接技術(shù)的推廣和應(yīng)用通過對實驗結(jié)果和文獻(xiàn)資料的分析發(fā)現(xiàn)，住復(fù)合熱源焊接時，焊縫橫斷面成形的上、下部分分別主要由電弧和激光的熱作用所決定，即：熔深主要取決于激光深熔焊接過程形成的小孔效應(yīng)，而熔寬主要取決于電弧的熱流分布。為了建立復(fù)合熱源焊接的體積熱流分布模式，首先應(yīng)對純激光深熔焊接的體積熱源分布模式及其對焊縫成形的影響進(jìn)行研究。本文提出了幾種新穎的、適用的激光深熔焊接熱源模型，為下一步分析和建立激光+ G M A W 電弧復(fù)合焊接的熱源作用模式奠定了基礎(chǔ)。自激光電弧復(fù)合焊接發(fā)明者Prof. Steen 和他同事在利物浦大學(xué)發(fā)表第一篇關(guān)于增強(qiáng)激光電弧焊接已

6、經(jīng)過去25年了。在這些年來，通過一個混合焊炬將MIG/MAG（金屬熔化極惰性氣體保護(hù)焊/金屬熔化極活性氣體保護(hù)焊）電弧加入到集中的激光輻射中，MIG/MAG已經(jīng)逐漸成為最合適激光電弧復(fù)合焊接的電弧種類。 在焊接過程中，熱，動量和熔融填充材料通過MIG/MAG焊接方法轉(zhuǎn)移到焊接區(qū)，用來加強(qiáng)焊接激光束的深滲透作用。在激光電弧復(fù)合焊接中，激光束和電弧建立并推動一個共同的熔池向前形成焊縫，如圖2所示。圖2激光電弧復(fù)合焊接進(jìn)程示意圖圖3為集成混合型焊接噴嘴原理圖，該工藝氣體流出環(huán)形通道流進(jìn)靠近同軸的激光束的噴管嘴喉道。通道內(nèi)有一個可以讓氣體均勻擴(kuò)散分布的孔徑促進(jìn)氣體流進(jìn)入焊接區(qū)。這樣，橫向的空氣吸力（即

7、文丘里效應(yīng)）得到避免的同時保證了焊接區(qū)域得到有效的保護(hù)?？紤]到現(xiàn)有的各種不同的焊接任務(wù)，定制混合工藝和設(shè)備是有必要的。圖4展示了幾種工業(yè)上選擇使用的特別定制集成混合型焊接噴嘴。圖3 集成混合型焊接噴嘴原理圖圖4 采用集成噴嘴設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)定制的復(fù)合焊接頭1 激光深熔焊縫形狀的特點分析采用連續(xù)燈泵浦的Nd ：YAG固體激光器在8mm厚的碳鋼板上進(jìn)行堆焊實驗， 試件部分熔透。激光波長1.06um,輸出聚焦透鏡焦距為200mm,焦點直徑為0.6 mm，離焦量z=1mm。當(dāng)激光功率為1.8kw 、焊接速度為1.0 m/min時，焊縫橫斷面形狀的金相照片如圖5所示。由圖可見，激光焊縫的深寬比大，這是由于激光

8、焊接過程中在熔池中產(chǎn)生小孔效應(yīng)而造成的，對此必須加以考慮。但是，小孔的形成和維持是一個非常復(fù)雜的非線性光能量-材料耦合作用過程， 是能量和力動態(tài)平衡的結(jié)果，是激光深熔焊接過程中焊縫成形的決定性因素，也是目前激光焊接研究的一個焦點和難點。雖然已有若干理論模型，但由于涉及的問題極其復(fù)雜，這些模型都是在做了不同簡化假設(shè)的情況下建立起來的，還不能很好地解決問題。本文從宏觀的傳熱過程出發(fā)，根據(jù)激光焊縫斷面形狀的實驗結(jié)果，將重點放在構(gòu)建合適的體積熱源分布模式， 以反映小孔對焊縫成形的實際影響，從而能夠計算出符合實際的激光焊縫形狀與尺寸。52 激光深熔焊接的體積熱源作用模式根據(jù)圖5 所示的激光焊縫橫斷面特點

9、，激光熱源的作用模式應(yīng)該采取某類旋轉(zhuǎn)體體積分布。采用柱坐標(biāo)系（r，z）描述這類旋轉(zhuǎn)體。體積熱源沿工件厚度方向（z軸）作用，其主要特點是：（1）熱流作用區(qū)域的半徑r0（z）：任工件上表面，熱流作用區(qū)域最大； 存工件某一深度處（與熱源高度H相對應(yīng)），熱流作用區(qū)域最小。即沿工件厚度方向，熱流作用區(qū)域的半徑r0（z）以某種規(guī)律衰減。（2） 熱源中心軸上的熱流密度值qm（0,z）: 在熱源中心軸（z 軸）上，熱流密度值qm（0,z）以某種規(guī)律變化。激光焊接過程中，當(dāng)產(chǎn)生小孔時，激光在小孔表面多次吸收和反射，小孔底部接受的能量較高?？紤]這一特點，在工件上表面（z= ze），熱流值是qm（0, ze）；在工

10、件某一深度處（與熱源高度H 相對應(yīng)，z = zi，H = ze -z i），熱流值qm（0, z i）較大。即存在一個比例系數(shù)x在熱源高度范圍內(nèi)任一z坐標(biāo)處，熱流密度值qm（0,z）以某種規(guī)律在qm（0, ze）和qm（0, z i）之間變化。（3） 在垂直于熱源中心軸（z 軸）的任一平面內(nèi)（徑向r ），熱流密度以G a u s s 函數(shù)分布式中，qm（0,z）為中心軸上的熱流峰值，r0（z）為熱流分布參數(shù)。表征激光焊接熱作的體積熱源，是一系列熱流峰值qm（0,z）和分布參數(shù)r0（z） 按某種規(guī)律不斷變化的Gauss熱源沿工件厚度方向積分疊加而成的。那么，從工件表面出發(fā)，r0（z）和qm（0,

11、z）沿工件厚度方向的變化方式確定后，式（2）就有具體的形式，從而確定出適用的體積熱源模式。根據(jù)激光深熔焊縫成形的特點，本文提出熱流峰值qm（0,z）和分布參數(shù)r0（z）可分別按線性和曲線兩類模式變化，其熱源模式示意圖如圖6所示。21 “錐體峰值指數(shù)遞增”式熱源模型圖6a所示的“錐體峰值指數(shù)遞增”式熱源模型的特點是，熱源作用半徑r0（z）沿焊件厚度方向呈線性減小趨勢(即熱源作用區(qū)域為錐體)；熱源中心軸( 軸)上，熱流密度峰值qm（0,z）以指數(shù)規(guī)律遞增。據(jù)此特點，經(jīng)一系列推導(dǎo)，可得出熱流分布函數(shù)圖6錐體熱源模式和曲線旋轉(zhuǎn)體熱源模式示意圖式中，re和ri分別為錐體上、下表面的半徑；ze和zi分別為

12、錐體上、下表面的z坐標(biāo)；Q=P（其中，為激光熱效率，P為激光功率）為有效熱輸入；r=，為徑向距離。22 “對數(shù)曲線旋轉(zhuǎn)體峰值線性遞增”式熱源模型在圖6b中，熱源作用半徑沿焊件厚度方向按對數(shù)曲線衰減；熱源中心軸（z軸）上，熱流密度峰值以線性規(guī)律遞增。據(jù)此特點，經(jīng)一系列推導(dǎo)可得出熱流分布函數(shù)23 “拋物線旋轉(zhuǎn)體峰值線性遞增”式熱源模型在圖6b中，熱源作用半徑沿焊件厚度方向按拋物線規(guī)律衰減；熱源中心軸（z軸）上，熱流密度峰值以線性規(guī)律遞增。據(jù)此特點，經(jīng)一系列推導(dǎo)可得熱流分布函數(shù)24 “ 雙曲線旋轉(zhuǎn)體峰值雙曲線遞增”式熱源模型在圖6b中，熱源作用半徑沿焊件厚度方向按雙曲線規(guī)律減??；熱源中心軸（z軸）上，熱流密度峰值以雙曲線規(guī)律遞增。據(jù)此特點，經(jīng)一系列推導(dǎo)可得熱流分布函數(shù)通過數(shù)值模擬，根據(jù)激光焊接溫度場的計算數(shù)據(jù)，確定出激光焊縫的形狀尺寸。對于一組工藝條件（激光功率2 k w，焊接速度1.0 m /min，低碳鋼板厚8mm）， 實驗測試出激光焊縫橫斷面形狀和尺寸如圖7所示。同時，基于本文構(gòu)建