激光焊典型案例

1、 1 主講：曹潤平主講：曹潤平激光焊技術(shù)特種焊接技術(shù)課程系列之 2 激光焊典型案例激光焊典型案例CO2激光復(fù)合焊船用鋼板T型接頭工藝 激光拼焊典型質(zhì)量問題 汽車用鋁合金激光焊 42CrMo鋼傘形齒輪軸的窄間隙激光焊 3 采用CO2激光-MIG復(fù)合焊接技術(shù)，對常用的14mm厚CCS-A船用鋼板的T型接頭進行雙面焊接，并分析其微觀組織和硬度。母材為板厚14mm的CCS-A船用鋼板，焊絲為1.2mm的JM56，其化學(xué)成分如表1所示。實驗采用德國TRUMPF生產(chǎn)的CO2激光器，其最大輸出功率為15kW，激光波長為10.6m，焦距為350mm。COCO2 2激光復(fù)合焊船用鋼板激光復(fù)合焊船用鋼板T T型接

2、頭工藝型接頭工藝案案 例例描描 述述 4 COCO2 2激光復(fù)合焊船用鋼板激光復(fù)合焊船用鋼板T T型接頭工藝型接頭工藝激光焊工藝激光焊工藝 在激光MIG復(fù)合焊接此T形接頭時，采用不開坡口的雙面焊接工藝，激光與面板角度為8。其他優(yōu)化確定的焊接工藝參數(shù)還包括：側(cè)吹氣體為純He，流量為30L/min；保護氣體為75He%+25Ar%，流量為30L/min；激光距腹板的距離為1mm左右。 焊接速度為1.1m/min，激光功率為912kW，離焦量為-2mm，送絲速度為11.5m/min，MIG焊絲伸出長度為16mm，激光電弧間距為4mm左右。 5 COCO2 2激光復(fù)合焊船用鋼板激光復(fù)合焊船用鋼板T T

3、型接頭工藝型接頭工藝焊接結(jié)果焊接結(jié)果 T型雙面焊接第二道焊接熱輸入使第一道焊縫細晶區(qū)晶粒長大，硬度降低。接頭硬度呈馬鞍形對稱分布，由母材逐漸增大，在熱影響區(qū)細晶區(qū)達到最大，在焊縫區(qū)又降低，出現(xiàn)一個平臺區(qū)。接頭硬度最大值為375.3HV。焊縫成形在優(yōu)化的焊接參數(shù)條件下，雙面T型焊接能完全焊透14mm厚的鋼板，焊縫表面成形美觀、干凈，飛濺很少，呈現(xiàn)凹形，無咬邊等缺陷。焊縫質(zhì)量（無裂紋、氣孔和夾渣等焊接缺陷）宏觀檢測符合GJB要求。焊縫組織焊縫組織為針狀鐵素體+馬氏體+少量粒貝；熔合區(qū)為鐵素體+粒貝+少量馬氏體；粗晶區(qū)為粗大馬氏體，但范圍較窄，降低了其對接頭性能影響；細晶區(qū)主要為細小的馬氏體；不完全

4、重結(jié)晶區(qū)為針狀鐵素體+原始鐵素體+馬氏體。力學(xué)性能 6 激光拼焊典型質(zhì)量問題激光拼焊典型質(zhì)量問題問題一：焊接氣孔問題一：焊接氣孔原因：原因： 1.焊接保護氣體不純 （解決方法：更換純度較高氣體） 2.焊接保護氣體位置不對 （解決方法：調(diào)節(jié)銅管吹氣角度和高度位置） 3.焊接保護氣體流量大小不合適 （解決方法：調(diào)節(jié)保護氣體流量） 4.板材表面有油污、水汽或雜質(zhì)等 （解決方法：清潔板材焊縫表面） 7 激光拼焊典型質(zhì)量問題激光拼焊典型質(zhì)量問題問題二：焊接斷弧問題二：焊接斷弧原因：原因： 1.焊接參數(shù)不合適（解決方法：調(diào)整焊接功率、速度、焦點、保護氣體等參數(shù)到合適值） 2.外光路鏡片污染（解決方法：檢查

5、并清洗外光路鏡片） 3.激光器內(nèi)部鏡片污染（解決方法：檢查并清洗內(nèi)部光路鏡片） 8 激光拼焊典型質(zhì)量問題激光拼焊典型質(zhì)量問題問題三：焊縫表面有顆粒或者焊縫成型不均勻問題三：焊縫表面有顆?；蛘吆缚p成型不均勻原因：原因： 1.焊接保護氣體不純 （解決方法：更換純度較高氣體） 2.焊接保護氣體位置不對 （解決方法：調(diào)節(jié)銅管吹氣角度和高度位置） 3.焊接保護氣體流量大小不合適 （解決方法：調(diào)節(jié)保護氣體流量） 4.板材表面有油污、水汽或雜質(zhì)等 （解決方法：清潔板材焊縫表面） 9 激光拼焊典型質(zhì)量問題激光拼焊典型質(zhì)量問題問題四：焊縫錯邊問題四：焊縫錯邊原因：原因： 1.板材精剪后平整度不一致（解決方法：檢

6、查板材平整度） 2.焊接平臺不平整（解決方法：檢查并清理平臺是否有焊渣） 10 激光拼焊典型質(zhì)量問題激光拼焊典型質(zhì)量問題問題五：焊縫偏向一側(cè)板材問題五：焊縫偏向一側(cè)板材原因：原因： 1.拼縫時擠壓坐標(biāo)值過大（解決方法：調(diào)整合適拼縫擠壓坐標(biāo)值） 2.焊接時激光偏向一側(cè)（解決方法：調(diào)整焊接時激光到焊縫合適值） 11 激光拼焊典型質(zhì)量問題激光拼焊典型質(zhì)量問題問題六：焊縫局部變窄問題六：焊縫局部變窄原因：原因： 1.拼縫時間隙值過大（解決方法：調(diào)整合適拼縫擠壓坐標(biāo)值或者更換合格板材） 2.焊接時激光偏向薄板一側(cè)（解決方法：調(diào)整焊接時激光到焊縫合適值） 12 激光拼焊典型質(zhì)量問題激光拼焊典型質(zhì)量問題問題

7、七：焊縫未焊透問題七：焊縫未焊透原因：原因： 焊接時工藝參數(shù)不合適（功率過低、速度過快、離焦量過大等）原因：原因： 1.焊接時工藝參數(shù)不合適（功率過高、速度過慢、離焦量過小等） 2.焊接時激光偏向薄板一側(cè)（解決方法：調(diào)整焊接時激光到焊縫合適值）問題八：焊縫燒穿問題八：焊縫燒穿 13 鋁合金應(yīng)用特性鋁合金因材質(zhì)輕，耐腐蝕，低溫性能和機械綜合性能好而廣泛應(yīng)用于航空、航天、汽車、機械制造、船舶及化學(xué)工業(yè)等眾多領(lǐng)域。汽車行業(yè)中適用鋁合金主要有Al-Mg (5000 系列 )、Al-Mg-Si(6000 系列)及Al-Mg-Zn(7000系列) 三大系列，汽車外殼多用耐蝕可焊的5000 系合金，而梁柱等

8、強度要求較高的部位則用 6000 系或 7000 系合金。研究表明，采用鋁合金材料適當(dāng)減輕汽車的重量可以把油耗降低37%；懸掛裝置的負荷降低18%；振動強度降低5%。汽車用鋁合金激光焊 14 鋁合金的焊接性目前，主要采用TIG焊、MIG焊等常規(guī)方法來焊接鋁合金。1.常規(guī)方法熱輸入量大，導(dǎo)致焊縫寬大且熔深較淺，鋁合金導(dǎo)熱快，冶金時高溫溶解大量的氫來不及溢出產(chǎn)生氫氣孔(冶金氣孔和氧化膜氣孔)；2.冶金速度快，焊縫金屬晶粒粗大，焊接接頭軟化使強度減少達到40%；3.鋁合金熔點低而導(dǎo)熱快，熔融金屬流動性差而使焊縫成型不美觀；4.受熱面積大，加工材料容易變形而影響加工尺寸精度。汽車用鋁合金激光焊 15

9、用激光焊接鋁合金的優(yōu)勢采用激光焊接鋁合金，熱輸入量小且熱源集中，特別是光纖激光器問世后，激光焊接鋁合金的能量密度更加集中，激光波長更短，高反射得到改善。通過激光填絲，激光-MIG復(fù)合焊，雙光斑激光焊等工藝，可明顯改善鋁合金焊接的成型效果，且焊接質(zhì)量得到改善。汽車用鋁合金激光焊 16 1.焊前準(zhǔn)備。焊接前對鋁合金件表面進行無水酒精或丙酮擦試，以清除表面所吸附的水或油等雜質(zhì)。為防止工件在空氣中被氧化，需要對工件進行機械打磨或化學(xué)處理并烘干，以盡快完成焊接。為了加快鋁合金焊接時的熔池流動性，可以在鋁合金工件焊接背面加墊銅板以改善焊縫成型。焊接時，采用Ar氣保護，隔絕空氣，能減小氣孔的產(chǎn)生。汽車用鋁合

10、金激光焊激光焊接鋁合金工藝措施 17 2.盡量選擇光纖激光。鋁合金激光焊接開始時，存在高反射現(xiàn)象，嚴(yán)重影響材料對激光能量的吸收，而波長越短，材料對光的吸收就越好，因此，光纖激光比CO2激光對鋁合金的吸收要好。光纖激光的光束模式也會比CO2激光好，能量密度更加集中。一旦材料開始吸收光能，對液態(tài)金屬對光的反射率就明顯下降。汽車用鋁合金激光焊激光焊接鋁合金工藝措施 18 3.采用雙光斑激光焊，能夠明顯改善氣孔率。雙光束進行焊接時，兩束光形成一個相對較大的匙孔，提高了匙孔的穩(wěn)定性，有利于氣體的逸出；相比于串行雙光束，采用并行雙光束焊接時，熔池內(nèi)部溫度梯度更小，降低了液態(tài)金屬凝固速度，延長氣泡的逸出時間

11、，有利于減小氣孔傾向；并行雙光束激光焊也能提高送絲的穩(wěn)定性，對穩(wěn)定焊接質(zhì)量有利。汽車用鋁合金激光焊激光焊接鋁合金工藝措施 19 汽車用鋁合金激光焊激光焊接鋁合金工藝措施雙光束激光焊模型（上，并行；下，串行）雙光斑激光獲得的原理圖(左)及能量密度分布圖(右) 20 4.采用激光填絲焊，相比鋁合金激光自熔焊，能夠得到更好的成型。激光填絲焊能夠兼容激光焊的高能量密度和填絲焊的高橋接能力，對于有一定間隙的焊縫，能夠保證良好的成型效果。而且通過不同的填充材料的選擇，可以對母材進行不同的化學(xué)冶金，起到一定合金元素補充且強化的功效。汽車用鋁合金激光焊激光焊接鋁合金工藝措施 21 5.采用激光復(fù)合焊。通過激光

12、與電弧的復(fù)合，能夠有效消除激光焊形成的等離子體的影響。通過光絲間距、吹氣、焊槍角度等參數(shù)的調(diào)節(jié)，能夠獲得美觀的焊縫，而且對于厚板無需開坡口或只需開小坡口就可以形成良好的焊縫。汽車用鋁合金激光焊激光焊接鋁合金工藝措施單激光焊與激光-MIG復(fù)合焊模型比較 22 6.采用功能強大的激光頭，能夠穩(wěn)定焊接質(zhì)量。隨著激光加工的深入開發(fā)，功能越來越強大的激光頭得到快速的應(yīng)用。目前由Scansonic和HighYAG所研制的激光頭，能夠在一定范圍內(nèi)上下左右浮動而不改變光斑大小，也不影響光絲配合，非常利于大批量的生產(chǎn)應(yīng)用，能改善材料因加工而產(chǎn)生的少量尺寸偏差而引起的焊接缺陷。汽車用鋁合金激光焊激光焊接鋁合金工藝

13、措施Scansonic 生產(chǎn)的 ALO3 激光頭 23 7.采用合適的焊接工藝參數(shù)，能夠保證焊接質(zhì)量。右圖為6061鋁合金激光填絲焊接的激光功率和焊接速度的優(yōu)化參數(shù)范圍關(guān)系圖。汽車用鋁合金激光焊激光焊接鋁合金工藝措施6061鋁合金的激光功率和焊接速度的優(yōu)化參數(shù)關(guān)系圖 24 7.采用合適的焊接工藝參數(shù)，能夠保證焊接質(zhì)量。從6061鋁合金激光焊接的激光功率和焊接速度優(yōu)化參數(shù)范圍關(guān)系圖可以看到，激光功率和焊接速度的優(yōu)化匹配參數(shù)曲線呈直線式上升，斜率基本保持不變。每一個給定的激光功率值，在優(yōu)化參數(shù)曲線上都有一個優(yōu)化的焊接速度與之對應(yīng)，且焊接速度可在一定范圍內(nèi)變化仍能獲得成形質(zhì)量好的焊縫，此區(qū)域?qū)儆诤附?/p>

14、穩(wěn)定區(qū)。在某一功率值時，當(dāng)焊接速度過大，熱輸入變小，鋁合金板材不能焊透，此時焊接速度過大則向上超過穩(wěn)定區(qū)范圍，屬于未熔透區(qū)；當(dāng)焊接速度過小，熱輸入過大，熔池下塌嚴(yán)重，此時屬于熔池坍塌區(qū)。汽車用鋁合金激光焊激光焊接鋁合金工藝措施 25 42CrMo鋼傘形齒輪軸鋼傘形齒輪軸的窄間隙激光焊的窄間隙激光焊齒輪作為機械傳動的重要部件，受加工條件限制，大直徑鍛造齒輪整體制造存在很大困難，甚至必須分體加工后通過焊接實現(xiàn)連接。焊接結(jié)構(gòu)齒輪已在很大程度上取代了大尺寸的鑄造齒輪以及鑲?cè)κ浇Y(jié)構(gòu)齒輪，成為經(jīng)濟可行的制造方法之一。 26 42CrMo鋼傘形齒輪軸的窄間隙激光焊鋼傘形齒輪軸的窄間隙激光焊傘形齒輪軸的材料是

15、42CrMo中碳高強鋼，具有良好的綜合力學(xué)性能和較高的淬透性，但由于含碳量高，合金元素含量也較高，淬硬傾向比較大。為了避免裂紋產(chǎn)生，采用窄間隙激光填絲法進行焊接。焊接設(shè)備采用德國某公司的CO2激光器，最大輸出功率為3.5kW，焊接工作臺為五軸聯(lián)動工作臺。光束采用拋物銅鏡反射聚焦系統(tǒng)，焦距為300mm，聚焦光斑直徑為0.26mm。焊接時，裝卡好的齒輪軸在回轉(zhuǎn)工作臺的帶動下旋轉(zhuǎn)，雙層噴嘴側(cè)吹保護氣體。填充材料為日本TCS-2CM焊絲（相當(dāng)于ER62-B3）。 27 42CrMo鋼傘形齒輪軸的窄間隙激光焊鋼傘形齒輪軸的窄間隙激光焊42CrMo鋼及填充材料的化學(xué)成分（%）材 料CSiMnCrMoNiP

16、SFe42CrMo0.38 0.450.170.370.5 0.80.91.20.15 0.250.0300.030 0.030 余量TCS-2CM0.090.320.712.261.040.033 0.005 余量 28 42CrMo鋼傘形齒輪軸的窄間隙激光焊鋼傘形齒輪軸的窄間隙激光焊由于受激光器輸出功率限制，為了實現(xiàn)完全焊透，同時兼顧送絲速度和焊接過程穩(wěn)定性，采用窄間隙激光填絲多層焊接技術(shù)，其中第一層為自熔焊。激光焊工藝傘形齒輪結(jié)構(gòu)示意圖 42CrMo鋼傘形齒輪軸激光焊裝置 29 42CrMo鋼傘形齒輪軸的窄間隙激光焊鋼傘形齒輪軸的窄間隙激光焊激光焊工藝42CrMo鋼傘形齒輪軸激光焊的工藝

17、參數(shù)焊 層激光功（kW）焊接速度（m/min）送絲速度（m/min）保護氣流量（L/min）第一層3.51.02.5%Ar+15%He第二層3.50.72.52.5%Ar+15%He第三層3.50.52.52.5%Ar+15%He 30 42CrMo鋼傘形齒輪軸的窄間隙激光焊鋼傘形齒輪軸的窄間隙激光焊焊接結(jié)果1.42CrMo鋼傘形齒輪軸激光焊接頭表面成形良好，采用金相分析，42CrMo鋼傘形齒輪軸激光焊焊縫內(nèi)部沒有裂紋、氣孔等缺陷。右圖是激光焊接接頭附近各區(qū)域橫向顯微硬度的分布曲線。齒輪軸激光焊熔合區(qū)顯微硬度約580HM，母材硬度約300HM，在熱影響區(qū)中不存在軟化現(xiàn)象。42CrMo鋼傘形齒輪軸激光焊焊接接頭區(qū)橫向顯微硬度分布 31 42CrMo鋼傘形齒輪軸的窄間隙激光焊鋼傘形齒輪軸的窄間隙激光焊焊接結(jié)果2.齒輪軸激光焊焊縫中心處縱向的硬度分布如右圖。從焊縫上部到根部，硬度逐漸升高。焊縫下部的底層焊縫為自熔焊接，沒有填充焊絲，焊縫中較高的碳含量，使硬度維持在一個較高的水平上；而上層焊道中，在低碳TCS-2CM焊絲的中和作用下，焊縫中碳含量降低，造成硬度降低。但是