激光電弧復(fù)合焊在低合金高強(qiáng)鋼中的應(yīng)用.

1、哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文激光-電弧復(fù)合焊在低合金高強(qiáng)鋼中的應(yīng)用摘 要本文以低合金高強(qiáng)鋼為試驗(yàn)材料，研究激光-電弧復(fù)合焊接中熔滴過(guò)渡特性與電弧特性，采用高速攝像機(jī)和電子信號(hào)采集系統(tǒng)進(jìn)行跟蹤拍攝采集，然后對(duì)拍攝的圖像進(jìn)行分析，來(lái)確定焊接參數(shù)對(duì)熔滴過(guò)渡與等離子形貌的影響，以及對(duì)焊縫成型的影響。研究表明：電弧能量對(duì)等離子體形貌尺寸的影響遠(yuǎn)大于激光能量，激光功率主要影響焊接熔深在保持其它參數(shù)不變時(shí)，激光功率越大熔深越大；電弧影響焊接熔寬，電弧電流越大熔寬越大，當(dāng)電流過(guò)大時(shí)會(huì)造成熔深減小，是因?yàn)殡娀‰娏鬟^(guò)大產(chǎn)生的等離子體對(duì)激光產(chǎn)生屏蔽和阻礙作用，使激光的能量減弱，另外氣體流量的增加也會(huì)造成焊接過(guò)程不穩(wěn)定

2、，焊接熔深先增大后減小，熔滴過(guò)渡頻率減小，熔滴直徑增大，焊縫成型不好。關(guān)鍵詞激光-電弧復(fù)合焊接；熔滴過(guò)渡；電弧特性；激光功率；等離子體- IV -High Strength Steel of Laser - compound Welding Arc In The Low Alloy AbstractIn this paper, high strength low alloy steel as experimental materials to study laser-arc hybrid welding droplet transfer characteristic and arc chara

3、cteristics, high-speed video camera and an electronic signal acquisition system tracking shot acquisition,and then captured images were analyzed to determine the welding parameters droplet transfer to the plasma effect on the morphology and the impact on the weld. Studies have shown that: the impact

4、 of the plasma arc energy is much larger than the size of the morphology of laser energy, laser power mainly affects weld penetration while keeping the other parameters constant, the greater the depth of penetration greater the laser power；arc affect weld width, arc current the larger the weld width

5、 larger when the current is too large will cause the penetration depth is reduced,because the arc current is too large to produce the laser-produced plasma shielding and hinder the role of the energy of t/he laser is reduced, an additional gas flow will instability caused by the welding process is r

6、educed after the first weld penetration increases, droplet transfer frequency decreases, the droplet diameter increases, bad weld.Keywords Laser - Arc Welding,droplet transfer,arc characteristics,laser power,plasma目 錄摘 要IAbstractII第1章 緒論11.1 課題背景11.1.1 激光-電弧復(fù)合焊國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀11.2 激光、電弧與激光-電弧復(fù)合焊各自的特點(diǎn)21.2.1 電

7、弧焊的焊接特點(diǎn)21.2.2 激光焊的焊接特點(diǎn)21.2.3 激光-電弧復(fù)合焊的焊接特點(diǎn)31.3 激光-電弧復(fù)合焊的焊接原理31.4 激光-電弧復(fù)合焊的發(fā)展趨勢(shì)41.5 本文主要研究?jī)?nèi)容6第2章 激光電弧復(fù)合焊試驗(yàn)材料、設(shè)備及方法82.1 試驗(yàn)材料82.2 試驗(yàn)設(shè)備82.2.1 YAG激光器82.2.2 MIG弧焊機(jī)92.2.3 焊接機(jī)器人92.2.4 高速攝像機(jī)102.2.5 焊接接頭裝置102.3 試驗(yàn)研究方法112.4 焊接參數(shù)的選擇112.4.1 焊接電流的影響112.4.2 保護(hù)氣體的選擇112.5 本章小結(jié)12第3章 熔滴過(guò)渡特性133.1 焊接參數(shù)對(duì)熔滴過(guò)渡的影響133.1.1 激光

8、功率與電弧功率133.1.2 氣體流量對(duì)熔滴過(guò)渡的影響163.2 不同的過(guò)渡方式對(duì)焊縫的影響163.3 熔滴過(guò)渡的受力情況163.3.1 重力163.3.2 表面張力173.3.3 等離子體流力173.3.4 電磁收縮力173.4 本章小結(jié)17第4章 焊接接頭微觀組織及力學(xué)性能分析194.1 焊接接頭微觀組織分析194.2 焊接接接頭力學(xué)性能測(cè)試及分析214.2.1 顯微硬度214.2.2 拉伸性能測(cè)試224.2.3 拉伸斷口組織分析234.2.4 沖擊性能測(cè)試234.3 焊接接頭缺陷分析244.4 本章小結(jié)26結(jié)論27致謝28參考文獻(xiàn)29附錄31第1章 緒論1.1 課題背景在焊接結(jié)構(gòu)中由于高

9、強(qiáng)鋼具有性能優(yōu)異和經(jīng)濟(jì)效益顯著的特點(diǎn)得到了越來(lái)越廣泛地應(yīng)用。其屈服強(qiáng)度要比普通碳素結(jié)構(gòu)鋼優(yōu)異的多。低合金高強(qiáng)鋼的含碳量低，具有良好的焊接性和成型性，對(duì)冷脆傾向和時(shí)效不敏感。當(dāng)合金元素2.5%的合金鋼為低合金鋼，可通過(guò)熱軋或熱處理直接使用。這類(lèi)鋼應(yīng)用范圍廣泛，可以大批量生產(chǎn)，得到了更多需求者的關(guān)注1。和其他焊接熱源一樣，激光焊也有其缺點(diǎn)成本高，準(zhǔn)備要求高，易產(chǎn)生缺陷。低合金高強(qiáng)鋼對(duì)熱輸入敏感，而傳統(tǒng)的焊接方法有較大的熱輸入，隨著熱輸入的增加，韌性降低激光電弧復(fù)合焊就是將激光焊與電弧焊相結(jié)合，可以做到彼此的優(yōu)缺點(diǎn)相結(jié)合，因?yàn)榧す鈴?fù)合焊的焊速很快，可以減小熱輸入，避免熱輸入大造成的不良影響，激光電弧

10、復(fù)合熱源焊接合金元素?zé)龘p少，使得熔敷金屬?gòu)?qiáng)度和韌性明顯提高，其接頭的力學(xué)性能明顯優(yōu)于普通焊接方法，作為一種新型焊接方法，可以改變功率密度在時(shí)間和空間上的分布，改善母材和熱影響區(qū)的溫度分布，從而，焊縫的冷卻條件，組織轉(zhuǎn)變和應(yīng)力狀態(tài)，擁有較高的焊接速度使得工件變形減少加快了焊接效率。1.2 激光-電弧復(fù)合焊國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀激光電弧復(fù)合焊技術(shù)最早是由英國(guó)的科研人員于20世紀(jì)70年代左右發(fā)明使用的。進(jìn)入本世紀(jì)后激光電弧復(fù)合焊因激光器和電弧焊接器材性能提升而得到快速發(fā)展。目前，該領(lǐng)域發(fā)展較快的國(guó)家有：美國(guó)、德國(guó)和瑞典等國(guó)。當(dāng)今的激光復(fù)合焊已然由當(dāng)初的單一電弧和激光逐步發(fā)展成多領(lǐng)域和全方位的焊接技術(shù)。并且像

11、美國(guó)、德國(guó)和日本這些達(dá)到國(guó)家已經(jīng)開(kāi)始把該焊接技術(shù)使用到高低碳鋼、不銹鋼和鋁合金等不同材料領(lǐng)域。德國(guó)的Fruanhofer研究機(jī)構(gòu)在2000年時(shí)第一次把該技術(shù)應(yīng)用在輸油管道上。不久后，德國(guó)Meyer-Werft船舶制造廠首次在船舶焊接上采用該技術(shù)。當(dāng)今激光復(fù)合焊技術(shù)在汽車(chē)生產(chǎn)、航天技術(shù)和各類(lèi)電器焊接等方面都已經(jīng)涉及甚廣。因?yàn)榘殡S當(dāng)今微型電子、醫(yī)療器械等高精度、高性能設(shè)備的發(fā)展壯大，激光-電弧復(fù)合焊因?yàn)槟軌驖M足這些焊接設(shè)備的高性能要求而越來(lái)越受到人們的關(guān)注和應(yīng)用2。1.3 激光、電弧與激光-電弧復(fù)合焊各自的特點(diǎn)1.3.1 電弧焊的焊接特點(diǎn)電弧焊的能量源是焊接電弧，在焊接中對(duì)被焊件起到熱的作用，是被

12、焊件熔化形成焊縫的前提。電弧的本質(zhì)是氣體放電，是氣體放電的一種表現(xiàn)形態(tài)，電弧放電是氣體放電的最終形式，通常伴有熔化和蒸發(fā)現(xiàn)象3。電弧焊基于激光焊是一種既簡(jiǎn)單又經(jīng)濟(jì)的焊接方式，從電極性質(zhì)上可分為MAG焊(熔化極氣體保護(hù)焊)和TIG焊(非熔化極氣體保護(hù)焊)。相比于激光焊電弧焊存在以下幾方面的優(yōu)點(diǎn)：(1) 電弧焊設(shè)備簡(jiǎn)單投入小，在焊接過(guò)程中能量損失小。(2) 焊絲熔化時(shí)需要較高的能量，高能量的熱輸入較低的焊接速度使得焊件在焊接過(guò)程中吸收大量的熱量，導(dǎo)致焊件變形量大等特點(diǎn)。(3) 弧焊焊接時(shí)不存在熱源能量的反射與折射問(wèn)題，因此可對(duì)高亮度的型材進(jìn)行焊接，焊接的適用性得到廣泛應(yīng)用。(4) 對(duì)于焊接較厚焊件

13、時(shí)可選擇加工不同坡口，電弧焊焊接時(shí)熱影響區(qū)大，對(duì)焊件裝配要求較低，焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)靈活性大、焊前準(zhǔn)備工作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)?；『傅娜秉c(diǎn)在于：(1) 焊接過(guò)程是一個(gè)局部不均勻加熱的過(guò)程，由于較高的熱輸入較低的焊接速度會(huì)引起結(jié)構(gòu)件的變形造成應(yīng)力集中等缺陷。(2) 焊接接頭性能不均勻，焊縫金屬是由木材和填充金屬在熱作用下熔合而成的鑄造組織，受焊接熱的影響熱影響區(qū)的組織和性能會(huì)發(fā)生變化，導(dǎo)致焊縫韌性降低會(huì)產(chǎn)生脆斷。1.3.2 激光焊的焊接特點(diǎn)激光焊相比于其它焊接加工工藝具有自己獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：(1) 激光功率密度高，可以對(duì)高熔點(diǎn)、難熔金屬或兩種不同的金屬進(jìn)行焊接。(2) 聚焦光斑小、加熱速度快。激光光束可聚焦到波長(zhǎng)大

14、小的光斑可進(jìn)行微小區(qū)域的焊接。(3) 熱影響區(qū)小，熱變形可忽略。雖然激光能量密度集中會(huì)產(chǎn)生較大的熱量，但在焊接過(guò)程中存在較大的焊接速度且熱量散失較快，因此對(duì)熱影響區(qū)產(chǎn)生較小的影響使得焊件焊接過(guò)程中基本不存在變形的問(wèn)題。(4) 激光可以在真空中傳播，這對(duì)焊接密封性的焊接可進(jìn)行有效焊接，不至于帶來(lái)拆卸的困難，從而降低了成本，無(wú)環(huán)境污染。(5) 可以對(duì)特殊材料進(jìn)行焊接，如高脆性、高強(qiáng)度的金屬及非金屬材料，應(yīng)用范圍更為廣泛。(6) 激光焊接裝置容易與計(jì)算機(jī)聯(lián)機(jī)，能精確定位，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)焊接，而且在高速焊機(jī)的條件下獲得高高質(zhì)量、高精度的焊縫。即使激光焊接存在如此的優(yōu)點(diǎn)，但是激光焊接設(shè)備成本高是一種非常昂貴的

15、資源。1.3.3 激光-電弧復(fù)合焊的焊接特點(diǎn)激光-電弧復(fù)合焊接是將電弧焊接與激光結(jié)合而得到的一種新型的焊接方法，它是將兩種能量傳輸不同的焊接方法有效的結(jié)合在一起，共同作用在工件表面，從而完加熱焊接的過(guò)程。激光-電弧復(fù)合焊可以充分發(fā)揮兩種熱源的優(yōu)勢(shì)并彌補(bǔ)其不足，熱能輸入的相互補(bǔ)充可以使得在焊后獲得更加良好的焊縫。激光電弧復(fù)合焊的優(yōu)點(diǎn)有：(1) 激光與電弧組成的熱源共同作用在工件表面，電弧產(chǎn)生的等離子體可以促進(jìn)熔池更好的吸收激光所產(chǎn)生的能量。同時(shí)材料表面在電弧的作用下離子體與激光所產(chǎn)生的等離子體有效結(jié)合，電弧可以對(duì)母材進(jìn)行加熱而激光使電弧的電阻下降，能量得到充分的利用。(2) 復(fù)合焊焊縫的熔寬和熱

16、影響區(qū)相對(duì)于電弧焊來(lái)說(shuō)要小的多，由于焊接速度快能量散失快工件對(duì)熱量的吸收減少，就會(huì)在很大程度上減少工件變形，從而獲得高質(zhì)量的焊縫，提高了生產(chǎn)效率也降低了成本。(3) 兩種不同的熱源同時(shí)作用于工件上，實(shí)現(xiàn)高速、高質(zhì)量的焊接，且能量利用率高，熱量損失少，同吋裝夾精度要求降低，允許的間隙范圍更大。(4) 可以選擇不同的填充材料提高了焊縫的組織性能。1.4 激光-電弧復(fù)合焊的焊接原理激光與電弧的作用方式可分為旁軸式和同軸式：(1) 旁軸式 激光和電弧不作用在同一軸線上，焊接裝置簡(jiǎn)單便于組裝。(2) 同軸式 激光和電弧同軸，熱源對(duì)稱(chēng)，方向性對(duì)接頭影響小。在激光-電弧復(fù)合焊接過(guò)程中，兩種熱源存在較大的相互

17、作用，直接影響焊縫的成型質(zhì)量。因此，需了解激光、電弧兩種熱源的相互作用機(jī)理，可以確定工藝參數(shù)對(duì)激光電弧復(fù)合焊焊接結(jié)果的影響。施焊過(guò)程中如果材料表面的激光功率密度過(guò)大，激光會(huì)穿過(guò)熔池形成小孔，并伴隨著大量光致等離子體的產(chǎn)生，而等離子體濃度超過(guò)某一臨界數(shù)值，就會(huì)對(duì)激光起到屏蔽作用。電弧與激光相互配合，會(huì)對(duì)焊接區(qū)域的等離子體稀釋?zhuān)矔?huì)減弱它的屏蔽效果，使熔深增加。激光的波長(zhǎng)越長(zhǎng)等離子對(duì)激光能量的吸收越大，這是由于光子與電子之間的相互作用。看出等離子體密度對(duì)吸收系數(shù)有很大影響，溫度對(duì)它的影響不大。降低等離子體密度及提高溫度，吸收系數(shù)下降。電弧與激光相互配合會(huì)降低等離子體的密度和吸收系數(shù),使激光的穿透能

18、力增強(qiáng)。圖1-1 激光電弧復(fù)合焊接示意圖1.5 激光-電弧復(fù)合焊的發(fā)展趨勢(shì)(1) 激光電弧復(fù)合焊在汽車(chē)中的應(yīng)用近年來(lái)，在汽車(chē)制造生產(chǎn)中更傾向輕量化生產(chǎn)，在汽車(chē)的生產(chǎn)制造過(guò)程中車(chē)門(mén)、車(chē)身逐漸使用低合金高強(qiáng)鋼。德國(guó)的大眾汽車(chē)率先將此技術(shù)應(yīng)用在車(chē)身、車(chē)門(mén)的焊接中。隨著激光-電弧復(fù)合焊接技術(shù)的日益成熟，在汽車(chē)車(chē)身焊縫焊接中復(fù)合焊所占比例越來(lái)越大，有取代傳統(tǒng)氣體保護(hù)焊的趨勢(shì)。圖1.2位激光電弧復(fù)合焊在汽車(chē)車(chē)身焊接中的焊接現(xiàn)場(chǎng)，在某一系汽車(chē)車(chē)身焊接中，車(chē)身中所有的焊縫都采用復(fù)合焊接，車(chē)門(mén)焊縫總長(zhǎng)4980mm其中復(fù)合焊接的焊縫就長(zhǎng)達(dá)3570mm4。在汽車(chē)制造業(yè)中，會(huì)經(jīng)常出現(xiàn)裝配間隙過(guò)大而無(wú)法進(jìn)行焊接的情況，

19、激光-電弧復(fù)合焊接則可以更好的適應(yīng)焊接環(huán)境、焊接效率更高，還能縮減成本、縮短工期5。焊縫的結(jié)構(gòu)與形狀可以通過(guò)選擇不同的工藝參數(shù)來(lái)獲得，工藝參數(shù)的不同會(huì)影響熔深與熔寬，在不同的條件下可以滿足不同的需求，復(fù)合焊的電弧焊部分可以進(jìn)行焊縫金屬的填充，進(jìn)而改變了焊縫的區(qū)的組成成分，使得焊縫具有更加良好的力學(xué)性能，而激光部分增大了熔深，兩種熱源的耦合作用使得焊接過(guò)程更加平穩(wěn)。圖1-2 激光-電弧復(fù)合焊在車(chē)身中的焊接 (2) 在船舶方面的應(yīng)用我國(guó)是世界上擁有海域最大的國(guó)家之一，其造船產(chǎn)量?jī)H次于韓國(guó)、 日本。但是我國(guó)的造船水平卻無(wú)法達(dá)到世界先進(jìn)水平，總體來(lái)說(shuō)相對(duì)落后。焊接技術(shù)是船舶制造的關(guān)鍵技術(shù)之一。焊縫的質(zhì)

20、量會(huì)直接影響船舶的制造周期、生產(chǎn)周期及產(chǎn)品質(zhì)量。激光-電弧復(fù)合焊接技術(shù)的發(fā)展使得歐美等一些發(fā)到國(guó)家已經(jīng)放棄傳統(tǒng)焊接技術(shù)，在船舶制造過(guò)程中激光-電弧復(fù)合焊的發(fā)展已經(jīng)逐漸取代傳統(tǒng)的焊機(jī)技術(shù)，在其發(fā)展應(yīng)用過(guò)程中一確立一定優(yōu)勢(shì)，并起到主導(dǎo)地位。激光-電弧復(fù)合焊的焊接速度、焊接效率、自動(dòng)化程度都很高，焊后變形量小，這已經(jīng)逐步發(fā)展為船舶焊接的關(guān)鍵性技術(shù)，尤其在高強(qiáng)鋼中的應(yīng)用有明顯的優(yōu)勢(shì)。這在國(guó)外已經(jīng)得到廣泛的研究與應(yīng)用，而我國(guó)相對(duì)來(lái)說(shuō)還比較落后。2002德國(guó)Meyer-Werft造船廠第一次把激光-電弧復(fù)合焊用于船舶的建造中，該船廠在加強(qiáng)筋的焊接中采用CO2激光-GMAW復(fù)合焊接這使得在生產(chǎn)過(guò)程中自動(dòng)化程

21、度更、焊縫的質(zhì)量更加優(yōu)良、甲板的變形量更小，大大減少焊后處理時(shí)間和裝配難度。目前，一些大型船廠都采用了該技術(shù)6。圖1-3 德國(guó)Meyer-Werft船廠采用激光電弧焊生產(chǎn)制造目前，在一些快艇、渡輪或者軍用船舶等都已經(jīng)開(kāi)始低合金高強(qiáng)鋼材料。傳統(tǒng)的焊接方法難以對(duì)這種新型材料達(dá)到理想的焊接，因此限制了低合金高強(qiáng)鋼材料的應(yīng)用。激光-電弧復(fù)合焊則客服呢這些缺點(diǎn)，提高了船舶的制造效率、節(jié)約生產(chǎn)成本。(3) 激光-電弧復(fù)合焊在其它領(lǐng)域中的應(yīng)用激光-電弧復(fù)合焊接技術(shù)在石油管道，壓力容器的焊接中也起著非常重要的作用。由于石油管道、壓力容器的生產(chǎn)需要較大的壁厚，因此普通的焊接方法就難以滿足生產(chǎn)的需求，傳統(tǒng)的焊接方

22、法因熱輸入的影響難以對(duì)板材進(jìn)行一次性焊透，在工藝上相對(duì)而言比較復(fù)雜，需要加工坡口進(jìn)行多層焊，這樣就很容易導(dǎo)致缺陷的產(chǎn)生。而激光-電弧復(fù)合焊焊接時(shí)熔深寬而大可一次性焊透避免了缺陷的產(chǎn)生。1.6 本文主要研究?jī)?nèi)容本文主要以激光-電弧復(fù)合焊焊接低合金高強(qiáng)鋼為背景研究的主要內(nèi)容如下：(1) 首先介紹激光-電弧復(fù)合焊的工作原理，對(duì)激光電弧-復(fù)合焊進(jìn)行簡(jiǎn)單的介紹、發(fā)展歷史以及研究的目的與意義。(2) 焊接過(guò)程中焊接參數(shù)對(duì)焊接過(guò)程的影響，如焊接電流、離焦量、激光功率、焊接速度和光絲間距。 (3) 對(duì)激光-電弧復(fù)合焊焊接過(guò)程中熔滴過(guò)渡形式進(jìn)行詳細(xì)研究。 (4) 焊接過(guò)程中的工藝特點(diǎn)，如焊縫熔深、對(duì)接間隙、焊接

23、速度和焊縫的組織性能。(5) 焊后焊接接頭性能研究，采用拉伸、彎曲試驗(yàn)來(lái)檢測(cè)焊接接頭的應(yīng)力狀態(tài)。- 45 -第2章 激光電弧復(fù)合焊試驗(yàn)材料、設(shè)備及方法2.1 試驗(yàn)材料試驗(yàn)以180mm20mm10mm或300mm50mm8mm的低合金高強(qiáng)鋼為試驗(yàn)材料牌號(hào)為Q460，其主要有Si、Cr、C、P、Mn等元素組成具有較高的強(qiáng)度、硬度、耐磨性和耐腐蝕性。其機(jī)械性能如下表所示：表2-1 低合金高強(qiáng)鋼機(jī)械性能力學(xué)性能抗拉強(qiáng)度，s/MPa屈服強(qiáng)度，b/MPa5/%標(biāo)準(zhǔn)范圍46055227-40表2-2 低合金高強(qiáng)鋼的化學(xué)成分元素SiSCPMo含量0.600.30.200.0030.202.2 試驗(yàn)設(shè)備2.2.

24、1 YAG激光器本次試驗(yàn)采用的是YAG激光器，該激光器的最大調(diào)節(jié)功率是5kW，激光光束直徑約為0.6um。此激光器操作簡(jiǎn)單方便、可以連續(xù)輸出，為脈沖輸出方式也有正弦波輸出方式。圖2-1 YAG激光器2.2.2 MIG弧焊機(jī)試驗(yàn)中所用的焊機(jī)福尼斯MAG/MIG焊機(jī)，這是一種自動(dòng)焊機(jī)數(shù)據(jù)易調(diào)節(jié)。焊接時(shí)可用CO2與Ar的混合氣體作為焊接保護(hù)氣，通常比例為20%+80%。焊接過(guò)程中電流與電壓的選取，只需調(diào)節(jié)電壓電離會(huì)自動(dòng)匹配。當(dāng)電流與電壓確定時(shí)對(duì)應(yīng)的送絲速度也會(huì)確定。圖2-2 福尼斯焊機(jī)2.2.3 焊接機(jī)器人松下的機(jī)器人事業(yè)正是開(kāi)始于1997年，迄今為止已經(jīng)向市場(chǎng)提供了300臺(tái)套的機(jī)器人系統(tǒng)，廣泛應(yīng)用

25、于汽車(chē)、船舶、家電、工程機(jī)械、電力設(shè)備等多個(gè)領(lǐng)域。焊接機(jī)器人在提高企業(yè)的產(chǎn)品質(zhì)量、提高生產(chǎn)、改善勞動(dòng)條件等方面有著重要作用。焊接機(jī)器人以其加工應(yīng)用范圍廣、工藝靈活多樣、加工精度高、質(zhì)量好、生產(chǎn)清潔、易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、柔性化和智能化等優(yōu)點(diǎn)正逐步取代傳統(tǒng)的焊接方法。本次試驗(yàn)就采用松下機(jī)器人進(jìn)行焊接。圖2-3 松下機(jī)器人焊接過(guò)程2.2.4 高速攝像機(jī)高速攝像機(jī)可以捕捉快速移動(dòng)的物體，而且用時(shí)較短、采樣清晰多樣化，當(dāng)所記錄的目標(biāo)緩慢回放時(shí)可以清晰直接的展現(xiàn)在我們面前，可以更加清楚便捷的觀察。高速攝像機(jī)可以實(shí)時(shí)的捕捉目標(biāo)，可以對(duì)圖像進(jìn)行快速的記錄，可以即時(shí)回放等多項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)。高速攝像機(jī)主要用來(lái)拍攝熔滴的過(guò)渡狀態(tài)

26、，用來(lái)記錄運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下熔滴的變化、記錄觀察熔滴的過(guò)渡情況。可以將熔滴過(guò)渡、焊接電信號(hào)、等離子體形態(tài)等有效的結(jié)合起來(lái)，方便對(duì)熔滴過(guò)渡和電弧形態(tài)的變化研究7。圖2-4 高速攝像機(jī)2.2.5 焊接接頭裝置實(shí)驗(yàn)室采用的焊接接頭裝置是自行設(shè)計(jì)的，根據(jù)實(shí)際需求，可以實(shí)現(xiàn)激光-電弧復(fù)合焊的復(fù)合，該裝置可以實(shí)現(xiàn)自由角度的調(diào)換，該裝置可以在X、Y、Z三個(gè)軸向上調(diào)整，在焊接過(guò)程中激光頭的方向固定不變只調(diào)節(jié)焊槍的位置8。這樣可以保證在焊接時(shí)焊絲與激光在同一直線上，調(diào)節(jié)焊槍可以改變光絲間距來(lái)滿足不同的工藝參數(shù)。該裝置可以帶來(lái)兩種熱源的有效復(fù)合，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單輕便，為復(fù)合焊提高了條件。圖2-5 復(fù)合焊焊接接頭裝置2.3 試驗(yàn)研

27、究方法激光一電弧復(fù)合焊具有很高的焊接效率和很好的焊接適應(yīng)性。激光-電弧復(fù)合焊接的工藝參數(shù)多而且關(guān)聯(lián)性較大。激光與電弧之間存在最小的耦合值，因此，用過(guò)對(duì)多組數(shù)據(jù)分析來(lái)尋找最佳的參數(shù)來(lái)獲得最優(yōu)的焊縫。采用激光-電弧復(fù)合焊焊接設(shè)備，對(duì)不同的焊接速度、激光功率等工藝參數(shù)對(duì)低合金高強(qiáng)鋼焊接質(zhì)量的影響，在試驗(yàn)中采用高速攝像機(jī)對(duì)焊接等離子體和熔滴過(guò)渡進(jìn)行觀察，焊后檢驗(yàn)是否存在焊接缺陷，選取沒(méi)有缺陷的焊縫進(jìn)行截取來(lái)制取金相試樣，來(lái)觀察顯微組織。2.4 焊接參數(shù)的選擇2.4.1 焊接電流的影響利用高速攝像機(jī)采集不同的焊接電流下熔滴過(guò)渡圖像，要選擇相同的采樣頻率。當(dāng)焊接電流較低時(shí)，熔滴過(guò)渡方式為大熔滴過(guò)渡，熔滴在

28、焊絲周邊形成和長(zhǎng)大并且受到電弧力作用，具有很明顯的排斥效果。當(dāng)熔滴長(zhǎng)到足夠大時(shí)熔滴自身的重力大于電弧的反作用力此時(shí)熔滴就會(huì)脫落，形成大熔滴過(guò)渡。熔滴脫落的過(guò)程中會(huì)向激光光束方向偏移，這就使得熔滴脫落的時(shí)間變長(zhǎng)，熔滴尺寸變大，過(guò)渡頻率降低。此時(shí)熔滴主要受自身重力、電弧收縮力和表面張力的作用，電流小時(shí)這些力的作用不明顯，當(dāng)熔滴持續(xù)長(zhǎng)大其自身的重力大于其它兩種力的共同作用時(shí)，熔滴就會(huì)脫離焊絲過(guò)渡到熔池中。隨著焊接電流持續(xù)升高，熔滴過(guò)渡形式發(fā)生變化，由大顆粒過(guò)渡變?yōu)轭w粒過(guò)渡，當(dāng)電流大于180A時(shí)過(guò)渡方式由正常的顆粒過(guò)渡變?yōu)樯淞鬟^(guò)渡。由此可知電流較大，電磁收縮力和等離子流力的作用也較大。電流增大，溫度增

29、加電磁收縮力和等離子流力變大，表面張力變小，熔滴過(guò)渡均勻9。2.4.2 保護(hù)氣體的選擇在試驗(yàn)過(guò)程中，保護(hù)氣體的選擇非常重要，會(huì)直接影響焊接結(jié)果及焊縫質(zhì)量，使用保護(hù)氣體的目的是為了降低等離子體的濃度，減少能量的損失，保護(hù)氣體對(duì)焊縫也有一定的保護(hù)作用。在焊接時(shí)常用的保護(hù)氣體有He、Ar、N2等，不同的氣體保護(hù)效果也不同10。當(dāng)保護(hù)氣體的密度(ArN2He)大于空氣密度時(shí)，保護(hù)氣會(huì)圍繞在焊縫表面，其保護(hù)效果越好。但是在電離量方面，不同的保護(hù)氣體電離量也不同。Ar的電離量最低，在焊接時(shí)容易電離，這樣可以降低焊接時(shí)的等離子體的濃度，在電離量方面，降低等離子體濃度的作用效果為HeN2Ar。在普通焊接中也有

30、的單獨(dú)采用N2作為保護(hù)氣體。保護(hù)氣體的選取很重要，合理的保護(hù)氣體不僅可以對(duì)焊縫起到保護(hù)作用也可以將兩種焊接熱源有效的耦合起來(lái)，獲得高質(zhì)量的焊縫。2.5 本章小結(jié)本章主要介紹了試驗(yàn)內(nèi)所用試驗(yàn)器材。第3章 熔滴過(guò)渡特性3.1 焊接參數(shù)對(duì)熔滴過(guò)渡的影響熔滴過(guò)渡是復(fù)合焊中非常重要的焊接現(xiàn)象，過(guò)渡方式可分為三種方式：短路過(guò)渡、顆粒過(guò)渡和射流過(guò)渡。這三種過(guò)渡方式又存在很大的區(qū)別。短路過(guò)渡的基本條件是采取較細(xì)的焊絲以較小的電流在低的電弧電壓下進(jìn)行焊接，在電弧引燃的初期，焊絲端部受熱并逐漸融化，在端部形成熔滴并不斷長(zhǎng)大，而此時(shí)焊絲仍以一定的速度推進(jìn)，當(dāng)熔滴增長(zhǎng)到一定尺寸時(shí)會(huì)與熔池接觸進(jìn)而發(fā)生短路過(guò)渡。顆粒過(guò)渡

31、需要較大的焊接電流，電弧電壓在較高的條件下電弧產(chǎn)生的等離子體會(huì)被拉長(zhǎng)增大了熔滴以熔池間的距離，電弧拉長(zhǎng)避免產(chǎn)生接觸，當(dāng)熔滴增大到一定程度是脫落形成顆粒過(guò)渡。射流過(guò)渡在高電壓、大電流的情況下容易產(chǎn)生。這種情況下電弧的熱量輸入較大焊絲的熔化量隨之增加，有利于熔滴的過(guò)渡。電磁收縮力和等離子體流力也會(huì)隨電流的增大而隨之增加，熔滴的過(guò)渡方式變?yōu)樯淞鬟^(guò)渡，過(guò)渡頻率降低，熔滴的尺寸減小。射流過(guò)渡具有更好的穩(wěn)定性，在焊接過(guò)程中無(wú)明顯的缺陷、焊縫成型美觀、焊接質(zhì)量得到提高。3.1.1 激光功率與電弧功率激光功率與電弧功率是激光-電弧復(fù)合焊焊接過(guò)程中非常重要的參數(shù)。功率的選擇會(huì)直接影響焊縫的成型情況也會(huì)影響焊縫的

32、的熔寬及熔深。電弧功率則直接影響焊絲送進(jìn)速度和焊縫中熔敷金屬的量，其影響的是熔寬；激光功率主要影響熔深11。當(dāng)激光功率和電弧功率不同匹配時(shí)，兩種熱源的耦合情況也會(huì)不同，如果想獲得好的焊縫必須選擇一個(gè)合理的焊接參數(shù)范圍，本次試驗(yàn)及根據(jù)激光與電弧功率的不同來(lái)研究工藝參數(shù)對(duì)復(fù)合焊的影響，并通過(guò)高速攝像機(jī)進(jìn)行拍攝不同情況下的熔滴過(guò)渡方式，優(yōu)化理想的工藝參數(shù)范圍12。試驗(yàn)參數(shù)如下表所示：表3-1 激光功率對(duì)焊縫影響的參數(shù)第一組第二組第三組P(kW)I(A)U(V)I(A)U(V)I(A)U(V)V1.51602518026200271.22.01602518026200271.22.5160251802

33、6200271.23.01602518026200271.24.01602518026200271.2其它的焊接參數(shù)為光絲間距0mm，離焦量-1mm，激光焊保護(hù)氣體為30%He+70%Ar。電弧焊保護(hù)氣體20%CO2+80%Ar,氣體流量為16L/min。在圖3-1中可以看出，在相同電流、電壓時(shí)，激光功率由1.5kW到4.0kW變化的過(guò)程中，焊縫表面均有不同程度的焊接飛濺，在1.5 kW到2.0kW的范圍內(nèi)，焊接過(guò)程中產(chǎn)生的飛濺比第一組更加嚴(yán)重，同時(shí)焊縫成型也不理想，焊縫表面存有咬邊現(xiàn)象13；激光功率在2.5kW到4.0kW時(shí)焊接飛濺依然存在，而且飛濺現(xiàn)象同樣嚴(yán)重，但是焊后得到的焊縫成型良好外

34、觀得到很大的改善，咬邊缺陷減少。這是因?yàn)楫?dāng)電流為160A時(shí)熔滴的過(guò)渡方式為短路過(guò)渡，在這種情況下熔滴過(guò)渡不穩(wěn)定容易產(chǎn)生飛濺。保護(hù)氣體的存在也會(huì)產(chǎn)生飛濺，如CO2氣體，在高溫時(shí)會(huì)分解CO，在高溫情況下CO膨脹會(huì)引起爆破產(chǎn)生飛濺。F=1.5kW I=160A U=25fecabdP=4.0kW I=160A U=25P=3.0kW I=160A U=25P=2.0kW I=160A U=25F=2.5kWI=160AU=25F=2.0kWI=160AU=25圖3-1 I=160，U=25激光功率變化對(duì)焊縫形狀的變化由圖3-2可以看出，當(dāng)I=180、U=26時(shí)，激光功率的變化過(guò)程中，焊縫表面成型良好

35、，飛濺較少，焊縫要優(yōu)于第一組，但是焊縫成型情況不如功率高時(shí)，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因時(shí)激光功率較高時(shí)其穩(wěn)弧能力更強(qiáng)13。對(duì)比焊縫的成型情況，試驗(yàn)效果要比第一組試驗(yàn)好，這是因?yàn)樵谶@種情況下熔滴的過(guò)渡方式為射滴過(guò)渡，過(guò)渡過(guò)程更加穩(wěn)定，熔滴的尺寸大小更加均勻，相比之下焊接過(guò)程更加穩(wěn)定。但是當(dāng)激光功率較小時(shí)激光與電弧不能很好的耦合，電弧所產(chǎn)生的等離子體會(huì)對(duì)激光產(chǎn)生屏障作用。隨著激光功率的增加耦合情況得到好轉(zhuǎn)，此時(shí)觀察焊縫的表面可發(fā)現(xiàn)電弧存產(chǎn)生不同程度的偏移，這是因?yàn)樵诘入x子體的作用導(dǎo)致過(guò)渡的熔滴產(chǎn)生下擺動(dòng)所至14。由圖3-3可以看出，當(dāng)I=200、U=27時(shí)，在激光功率的變化過(guò)程中，焊縫成型始終良好，并且基

36、本沒(méi)飛濺，無(wú)明顯缺陷，由熔滴過(guò)渡圖像可以看出此時(shí)的過(guò)渡方式為射流過(guò)渡，熔滴過(guò)渡速度快并且熔滴的尺寸也較小，電弧利用率高并且無(wú)等離子弧的屏蔽作用15。激光功率在2.5kW以下時(shí)，激光與電弧的耦合情況不理想，電弧存在偏移，電弧產(chǎn)生的等離子體對(duì)激光產(chǎn)生了屏蔽作用，激光的穩(wěn)弧作用不理想。激光的增加會(huì)改變穩(wěn)弧情況，焊接熔深增大。P=2.5kWI=180A U=26P=2.5kW I=180A U=26fedcbaP=4.0kW I=180A U=26P=3.0kW I=180A U=26P=2.5kW I=180A U=26P=3.5kW I=180A U=26圖3-2 I=180，U=26激光功率對(duì)焊

37、縫的影響fedcbaP=3.0kW I=200A U=27P=4.0kW I=200A U=27P=2.0kW I=200A U=27P=3.5kW I=200A U=27P=2.5kW I=200A U=27P=1.5kW I=200A U=27圖3-3 I=200，U=27激光功率對(duì)焊縫的影響由三組試驗(yàn)可以看出，激光功率會(huì)增加熔深，同時(shí)還穩(wěn)定了電弧，使得焊縫的外觀更加良好。當(dāng)激光功的率較小時(shí)激光的作用不如電弧作用大，電弧產(chǎn)生的等離子體對(duì)激光起到屏蔽作用，激光功率損耗較大，激光與電弧兩種熱源的耦合情況不好16。電弧功率的不同會(huì)導(dǎo)致熔滴的過(guò)渡方式不同，在電流為160A時(shí)，熔滴為短路過(guò)渡，熔滴過(guò)

38、渡會(huì)使得在焊接過(guò)程中飛濺的產(chǎn)生，焊縫成型不好會(huì)產(chǎn)生氣孔、咬邊等缺陷。在電流為180A時(shí)，熔滴的過(guò)渡方式由短路過(guò)渡轉(zhuǎn)為為射流過(guò)渡，過(guò)渡方式更加穩(wěn)定，當(dāng)激光功率增加時(shí)，焊縫外觀良好，激光-電弧復(fù)合情況好，焊接過(guò)程更加穩(wěn)定，因此當(dāng)電流在180A時(shí)，配合合適的電壓，可以使得激光與電弧兩種熱源有效復(fù)合，實(shí)現(xiàn)激光電弧復(fù)合焊的穩(wěn)定焊接17。當(dāng)電流為200A時(shí)，熔滴的過(guò)渡方式完全變?yōu)樯淞鬟^(guò)渡，過(guò)渡過(guò)程更加穩(wěn)定，焊縫成型良好，基本上沒(méi)有缺陷的產(chǎn)生。而較小的激光功率時(shí)，激光作用不明顯，電弧產(chǎn)生的等離子體會(huì)屏蔽激光的作用，焊縫表面產(chǎn)生飛濺，激光的利用率低。3.1.2 氣體流量對(duì)熔滴過(guò)渡的影響復(fù)合焊接時(shí)，保護(hù)氣體對(duì)焊

39、接結(jié)果也存在非常大的影響，在焊接過(guò)程程保護(hù)氣體可以保護(hù)熔池免受空氣的侵蝕。保護(hù)氣體可以提供氣體介質(zhì)，同時(shí)可以保護(hù)熔池金屬。在復(fù)合焊接中，保護(hù)氣體的流量大小主要影響熔滴過(guò)渡方式，氣體流量的增加會(huì)使得熔滴的過(guò)渡頻率減小，卻使得熔滴的直徑增大。這樣的原因是氣體流量的增大會(huì)導(dǎo)致噴嘴處的氣體流速增加，這時(shí)保護(hù)氣體會(huì)產(chǎn)生阻礙熔滴降落的力導(dǎo)致電弧產(chǎn)生偏移，這種情況下熔滴從焊絲端部降落到熔池的時(shí)間增長(zhǎng)，當(dāng)熔滴自身的重力大于氣體的作用力時(shí)才會(huì)脫落，導(dǎo)致熔滴過(guò)大，過(guò)渡頻率明顯下降；同時(shí)氣體流量的增加抑制了等離子體的膨脹，增加了工件對(duì)激光的吸收。有效的提高了焊縫深度和焊接過(guò)程中的穩(wěn)定性。3.2 不同的過(guò)渡方式對(duì)焊縫

40、的影響復(fù)合焊在焊接過(guò)程中可分為三種典型的過(guò)渡方式，過(guò)渡方式的不同熔滴過(guò)渡過(guò)程中的受力情況也不同。當(dāng)熔滴的過(guò)渡方式為短路過(guò)渡或者顆粒過(guò)渡時(shí)，過(guò)渡過(guò)程中過(guò)渡頻率較低熔滴的尺寸相對(duì)也較大。這種過(guò)渡方式容易引起熔池對(duì)流紊亂，使得小孔內(nèi)的力學(xué)平衡失調(diào)，會(huì)引起小孔坍塌使得小孔內(nèi)的金屬蒸汽無(wú)法排除，焊接熱源的移動(dòng)使得焊縫處的溫度降低，溶解在焊縫出的金屬蒸汽無(wú)法排除形成氣孔，受到擠壓力的作用液態(tài)金屬會(huì)噴出產(chǎn)生飛濺。同時(shí)當(dāng)熔滴直徑較大時(shí)，從焊絲端部脫落到熔池的過(guò)程中會(huì)對(duì)熔池產(chǎn)生較大的沖擊力，熔池因此會(huì)產(chǎn)生波動(dòng)導(dǎo)致焊縫邊緣咬邊現(xiàn)象。當(dāng)過(guò)渡模式為射流過(guò)渡時(shí)，熔滴的尺寸細(xì)小且均勻，熔滴沿焊絲軸線方向射入到熔池中，焊接

41、過(guò)程穩(wěn)定，且焊縫表面光滑、均勻無(wú)明顯缺陷。3.3 熔滴過(guò)渡的受力情況在復(fù)合焊接中，熔滴過(guò)渡特征的改變其原因是受力狀態(tài)發(fā)生了變化。3.3.1 重力復(fù)合焊接時(shí)，重力是促進(jìn)熔滴降落的力，熔滴尺寸的大小會(huì)直接影響其自身的受力情況，比如熔滴尺寸越大其自身所受重力也就越大越有利于熔滴過(guò)渡。但是當(dāng)熔滴過(guò)渡方式為射流和射滴過(guò)渡時(shí)，重力的作用幾乎可以忽略不計(jì)。重力與自身質(zhì)量成正比，因此熔滴所受重力可表示為：F=43R3g (3.1)其中，R為熔滴半徑，g為重力加速度，為密度。3.3.2 表面張力復(fù)合焊接時(shí)，熔滴存在焊絲的端部，在熔滴為脫離焊絲之前，熔滴與焊絲之間相連存在一個(gè)表面層，這個(gè)表面層內(nèi)存在相互吸引的力就

42、是表面張力，表面張力是阻礙熔滴過(guò)渡的力，是阻礙熔滴脫落的主要作用力，其大小可表示為：F=2R (3.2)R為熔滴半徑，為表面張力系數(shù)，表面張力系數(shù)受多種因素的影響。3.3.3 等離子體流力等離子體流力時(shí)促進(jìn)熔滴脫落的力，其大小可表示為： FP=CDApfVf22 (3.3)其中，CD為等離子體系數(shù)，通常曲0.44，根據(jù)保護(hù)氣體的雷諾系數(shù)確定，為等離子體留的密度，Vf為等離子體流速，Ap為等離子體的有效作用面積。3.3.4 電磁收縮力電磁收縮力是熔滴內(nèi)部的電流受洛倫茲力的體現(xiàn)，焊接時(shí)激光的加入改變了電弧原有的形態(tài)，從而改變了熔滴沿焊絲軸線方向的電流流向分布，激光的加入不僅改變了電磁收縮力的大小與

43、方向，還使得電磁收縮力在焊絲軸線方向形成一點(diǎn)的角度。當(dāng)高速運(yùn)動(dòng)的熔滴有電流通過(guò)時(shí)，電流產(chǎn)生的電磁收縮力就會(huì)對(duì)熔滴產(chǎn)生力的作用，作用方向不一定，因此電磁收縮力對(duì)熔滴過(guò)渡起到的作用可能是促進(jìn)作用也可能是阻礙作用，電弧形態(tài)會(huì)影響電磁收縮力對(duì)熔滴過(guò)渡的作用，其作用方向總是指向橫截面大的方向，因此電磁收縮力既可以促進(jìn)熔滴的過(guò)渡也可以阻礙熔滴的過(guò)渡。3.4 本章小結(jié)(1) 激光功率的變化主要影響的是熔深，激光功率的增加會(huì)使得熔深增加。當(dāng)激光功率在2.5kW以上電流為180A電壓為26V時(shí)，激光-電弧復(fù)合焊焊接過(guò)程穩(wěn)定，飛濺少焊縫平滑表面缺陷不明顯。(2) 電弧電流180A左右是熔滴過(guò)渡的最佳值，當(dāng)電流小于

44、180A時(shí)屬于短路過(guò)渡，過(guò)渡不穩(wěn)定焊縫成型差；當(dāng)焊接電流大于180A時(shí)，過(guò)渡方式為射滴過(guò)渡焊接過(guò)程穩(wěn)定飛濺少，焊縫成型良好。(3) 當(dāng)電弧電流在200A左右時(shí)，光絲間距距離不變，電弧產(chǎn)生的等離子弧會(huì)屏蔽激光，工件對(duì)激光的吸收效率下降，導(dǎo)致熔深較淺。(4) 保護(hù)氣體對(duì)熔滴過(guò)渡也存在很大的影響，保護(hù)氣體的氣流量會(huì)影響熔滴的尺寸，對(duì)焊縫成型存在很大影響。第4章 焊接接頭微觀組織及力學(xué)性能分析焊接接頭的微觀組織直接決定了所焊焊縫的力學(xué)性能，因此研究焊接接頭的微觀組織來(lái)提高焊接接頭的力學(xué)性能有著非常重要的意義。除了母材對(duì)接頭的微觀組織存在影響，在焊接過(guò)程中的焊接參數(shù)、焊接速度與焊后的冷卻速度都會(huì)對(duì)焊縫造

45、成一定的影響。通過(guò)對(duì)焊接接頭斷口的分析可以發(fā)現(xiàn)，熱影響區(qū)晶粒粗大還有上貝氏體的形成，在冷卻過(guò)程中還會(huì)有馬氏體-殘余奧氏體組元的出現(xiàn)這就導(dǎo)致含碳量的變化形成脆性區(qū)，使得焊接接頭的韌性下降。表4-1 拉伸試件焊接參數(shù)編號(hào)線能量I(A)U(V)V(m/min)P(kW)DLA(mm)坡口1-10.460818026133I1-20.511220017.6133I1-30.568022029.4133I2-10.541220027.613.53I2-20.571220027.6143I2-30.481220027.612.53I4.1 焊接接頭微觀組織分析激光與電弧兩種熱源相互作用線能量大，過(guò)冷度會(huì)影

46、響晶核的生成，在一定程度的過(guò)冷度下，有利于晶核的形成和成長(zhǎng)。熔池邊緣溫度梯度相差越大即固液兩相之間的自由能差距越大越有利于晶核的成長(zhǎng)。過(guò)快的冷卻速度有利于凝固過(guò)程的進(jìn)行，也越有利于獲得較大的過(guò)冷度，因此形成了一定的形核條件。在凝固過(guò)程中主要以母材的晶粒為晶核長(zhǎng)大，這就導(dǎo)致了焊縫區(qū)的金屬主要以較粗的柱狀晶為主。根據(jù)焊縫金屬所處的狀態(tài)及成分、組織和性能的變化情況，可將焊接接頭分成四個(gè)區(qū)域：焊縫、熔合區(qū)、母材和熱影響區(qū)。四個(gè)區(qū)域統(tǒng)稱(chēng)為焊接接頭。熱影響區(qū)是在激光或電弧等熱源的作用下基體改變的區(qū)域；熔合區(qū)是焊縫和母材的邊界。根據(jù)焊縫對(duì)結(jié)構(gòu)整體性的影響，焊縫的不完整性可劃分為缺欠和缺陷。焊接飛濺與殘?jiān)褪?/p>

47、焊接缺欠的一種表現(xiàn)形式。圖4-1為焊縫區(qū)的微觀組織形貌，由于激光的能量密度大，電弧能量密度小，使得復(fù)合焊的焊縫金相顯微組織為粗大的先共析鐵素體組織、馬氏體+針狀鐵素體和少量貝氏體的混合組織。圖4-1 焊縫區(qū)的微觀組織馬氏體是低合金高強(qiáng)鋼焊縫中出現(xiàn)的典型的組織，在電子顯微鏡下觀察馬氏體會(huì)發(fā)現(xiàn)馬氏體存在很多位錯(cuò)，馬氏體的存在會(huì)使得焊縫在力學(xué)性能上有較高的強(qiáng)度和硬度，這是因?yàn)橄嘧兊陌l(fā)生以及時(shí)效強(qiáng)化的作用。馬氏體的出現(xiàn)不僅減少了裂紋的產(chǎn)生而且通過(guò)自身特有的機(jī)理(馬氏體的高密度錯(cuò)位)降低了應(yīng)力集中。熔化的母材和焊絲之間會(huì)形成熔池，熔池的產(chǎn)生是焊縫成型的前提，當(dāng)熱源消失后焊縫中熔池部位的金屬會(huì)逐漸冷卻，發(fā)

48、生由液態(tài)到固態(tài)的變化。在變化的過(guò)程中會(huì)發(fā)生組織轉(zhuǎn)變：一、焊接熔池從液態(tài)金屬完成結(jié)凝固；二、熔池凝固以后在冷卻過(guò)程中由于溫度梯度的變化而引發(fā)相變，兩次結(jié)晶過(guò)程會(huì)導(dǎo)致焊縫在電子顯微鏡下的觀察結(jié)果不同，這是因?yàn)樵诮Y(jié)晶過(guò)程中發(fā)生相變而導(dǎo)致其形貌發(fā)生變化18。1、焊縫金屬結(jié)晶凝固可分為以下幾個(gè)階段第一階段 自由結(jié)晶。在低于液相線的溫度下會(huì)有初生固態(tài)晶體的出現(xiàn)，此時(shí)液態(tài)金屬會(huì)多于固態(tài)金屬，在發(fā)生相變的過(guò)程中，液態(tài)金屬會(huì)自主流動(dòng)進(jìn)而發(fā)生形態(tài)上的變化。在自由結(jié)晶區(qū)不會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中，出現(xiàn)的固相晶體不再轉(zhuǎn)動(dòng)或移動(dòng)并不會(huì)發(fā)生變形。第二階段 接觸生長(zhǎng)結(jié)晶區(qū)。隨著時(shí)間的推移，由于焊接熱源的離開(kāi)溫度會(huì)逐漸變冷，在液相線的

49、某一區(qū)域溫度開(kāi)始，液相金屬逐漸變少而固相結(jié)晶體逐漸增多，之前自由生長(zhǎng)的晶體由于固相晶體的增多而產(chǎn)生接觸，在一定程度上建立了某種強(qiáng)度聯(lián)系，生長(zhǎng)出來(lái)的晶體很難移動(dòng)。由于此時(shí)的溫度并沒(méi)有達(dá)到完全固相的條件，因此還會(huì)存在一定數(shù)量的液相金屬，結(jié)晶發(fā)展并不完全，剩余的液態(tài)金屬會(huì)流動(dòng)于固態(tài)金屬之間。第三階段 臨界結(jié)晶區(qū)。液態(tài)金屬完全變?yōu)楣虘B(tài)金屬。這是因?yàn)殡S著溫度的降低，液態(tài)金屬明顯變少，此時(shí)殘存的晶間液態(tài)金屬不能在固相金屬之間移動(dòng)，會(huì)形成封閉性的液膜。在液態(tài)金屬變?yōu)楣虘B(tài)金屬的過(guò)程中，由于固態(tài)晶體的逐漸增多會(huì)產(chǎn)生一定的收縮力，由于金屬本身不足以支撐因收縮力發(fā)生的變形而產(chǎn)生裂紋，而此時(shí)無(wú)液相晶體的補(bǔ)充從而產(chǎn)生裂

50、紋，在這一溫度區(qū)內(nèi)焊接裂紋產(chǎn)生的敏感性高，因此被稱(chēng)為臨界結(jié)晶區(qū)。第四階段 固相區(qū)。液態(tài)金屬完全凝固形成一個(gè)整體。2、結(jié)晶特征焊縫凝固結(jié)晶有一定的特點(diǎn)，焊縫結(jié)晶時(shí)由于熔池冷卻速度過(guò)大，而金屬區(qū)處于過(guò)熱的狀態(tài)，結(jié)晶是在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下發(fā)生的，結(jié)晶過(guò)程首先出現(xiàn)在熔池壁處，形成柱狀晶，晶核的成長(zhǎng)方向是由熔池壁處向焊縫中心方向生長(zhǎng)。4.2 焊接接接頭力學(xué)性能測(cè)試及分析4.2.1 顯微硬度450500300350400550600650圖4-2 焊縫中心硬度曲線對(duì)比在激光-電弧復(fù)合焊中，顯微硬度可以用來(lái)衡量焊接接頭的力學(xué)性能，圖中表示的在不同的線能量下焊接接頭不同區(qū)域的硬度變化曲線。在三種不同的線能量下，焊縫中

51、心0.56kJ/mm硬度最高，較大的線能量輸入、過(guò)快的冷卻速度會(huì)使得顯微硬度較高。由于焊縫中存在馬氏體和貝氏體會(huì)造成焊縫區(qū)的硬度低于熱影響區(qū)，同時(shí)焊縫中也會(huì)存在較多的合金元素。4.2.2 拉伸性能測(cè)試表4-2 焊接接頭拉伸試驗(yàn)結(jié)果編號(hào)斷面尺寸(mm2)拉斷力(N)抗拉強(qiáng)度(MPa)1.13.12x5.542447712331.23.14x5.481893110382.13.14x5.4612387655圖4.3為不同的線能量輸入拉伸試驗(yàn)的應(yīng)力應(yīng)變曲線(a) (b)(c)圖4.3 拉伸試驗(yàn)應(yīng)力應(yīng)變曲線圖4-4 拉伸后的試樣通過(guò)應(yīng)力應(yīng)變曲線和拉伸試驗(yàn)斷口的分析，其斷裂方式為韌性斷裂和脆性斷裂。這是

52、因?yàn)楦邚?qiáng)鋼中的錳和硅等元素的含量高，錳使得鋼的淬透性增加，材料在回火后其脆性也增加，而硅元素提高了鋼的強(qiáng)度。圖4-3中可以看出在拉伸曲線沒(méi)有屈服階段，試件的斷裂方式主要是脆性斷裂，并且具有少量的變形。試件的斷裂部位在焊縫的熱影響區(qū)，這是因?yàn)闊嵊绊憛^(qū)存在粗大的魏氏組織，導(dǎo)致該部位脆性增加。4.2.3 拉伸斷口組織分析圖4-5 工件的斷口形貌如圖4-5所示，觀察工件的斷口形貌可發(fā)現(xiàn)在接頭的斷裂處存在很多韌窩，而且韌窩的形狀也各不相同，斷口也不平齊。導(dǎo)致這樣的原因是過(guò)熱區(qū)存在粗大的魏氏組織，使得工件在拉伸過(guò)程中在過(guò)熱區(qū)斷裂。魏氏組織時(shí)由晶界鐵素體、側(cè)板條馬氏體和珠光體混合而成的多相組織。側(cè)板條馬氏體

53、和珠光體的存在是過(guò)熱區(qū)韌性差的根本原因，而晶界馬氏體卻有較好的韌性，過(guò)熱區(qū)在這種情況下的力學(xué)性能就會(huì)變得很不均勻，因此形成了形態(tài)各異的韌窩。4.2.4 沖擊性能測(cè)試沖擊試驗(yàn)可以檢測(cè)材料的韌性，可以宏觀的表現(xiàn)所測(cè)材料的力學(xué)性表 現(xiàn)，圖4-6為復(fù)合焊焊接接頭的沖擊圖圖4-6 復(fù)合焊接接頭沖擊斷裂圖圖4-7 沖擊試驗(yàn)斷口組織圖圖4-7為沖擊試樣斷口組織圖，觀察圖可以看出，沖擊試樣斷口面同樣存在韌窩。但是與拉伸試樣相比，沖擊試樣的斷口韌窩比較小，沖擊斷裂位置在焊縫位置，這是由于復(fù)合焊焊接中焊絲的熔化改變了焊縫中熔敷金屬的成分，使得焊縫位置錳的含量高于母材，焊縫的顯微組織得到細(xì)化，在沖擊過(guò)程中發(fā)生準(zhǔn)解理

54、斷裂。4.3 焊接接頭缺陷分析無(wú)論何種的焊接方式都會(huì)存在焊接缺陷，在激光-電弧復(fù)合焊中經(jīng)常存在的缺陷是氣孔。氣孔的產(chǎn)生是因?yàn)樵谌鄢亟Y(jié)晶過(guò)程中某些氣體來(lái)不及排出而產(chǎn)生。氣孔不僅會(huì)出現(xiàn)在焊縫表面也會(huì)出現(xiàn)在焊縫內(nèi)部，氣孔的出現(xiàn)通常有兩種方式：(1) 周?chē)臍怏w在結(jié)晶過(guò)程中來(lái)不及析出而形成，如氫氣孔，這是因?yàn)樵诤附舆^(guò)程中焊縫位置的溫度遠(yuǎn)高于其它位置，熔池的溫度最高，這就大大增加了氫的溶解度，而在熔池的冷卻過(guò)程中過(guò)快的冷卻速度會(huì)導(dǎo)致溶解的氫來(lái)不及析出形成空洞。(2) 金屬蒸汽孔，因?yàn)閺?fù)合焊焊接過(guò)程中激光與電弧共同作用在同一熔池，激光的加入會(huì)產(chǎn)生小孔效應(yīng)，由于不穩(wěn)定的小孔存在，在結(jié)晶過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)一個(gè)周期性

55、的閉合，而小孔內(nèi)的蒸汽在小孔閉合的時(shí)候來(lái)不及排出凝固形成蒸汽孔，蒸汽孔逸出不及時(shí)而形成孔洞。在拉伸試驗(yàn)中，有的試樣會(huì)在焊縫處斷裂，在斷口的位置會(huì)發(fā)現(xiàn)存在氣孔，如圖4-8所示就是斷口中氣孔存在的位置。圖4-8 斷口中存在的氣孔圖為焊縫中存在氣孔，在拉伸時(shí)氣孔周?chē)鷷?huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中，降低了焊接接頭的強(qiáng)度，導(dǎo)致焊縫的抗拉強(qiáng)度低于母材。圖4-9 氣孔存在時(shí)的斷口形貌圖4-9是斷口組織的整體形貌，氣孔存在于焊縫內(nèi)部成不規(guī)則分布，在拉伸時(shí)首先在氣孔存在的部位斷裂，造成斷口的不規(guī)則。復(fù)合焊是兩種熱源的共同作用，在熔池結(jié)晶過(guò)程中不至于過(guò)度冷卻，在相態(tài)變化前，存在于焊縫處的氣體可以及時(shí)的排出，避免了氣孔的產(chǎn)生。但是當(dāng)裝配要求過(guò)高時(shí)，焊縫的熔寬與熔深都會(huì)增加，會(huì)導(dǎo)致氣體不能及時(shí)逸出而產(chǎn)生氣孔。氣孔的存在會(huì)改變焊接接頭的力學(xué)性能，在生產(chǎn)過(guò)程中要避免這種缺陷的產(chǎn)生。通過(guò)拉伸與沖擊試驗(yàn)可