CO_2激光—电弧复合焊接工艺、机理及质量控制规律研究

【摘要】： 激光-电弧复合焊接技术是一种将激光束与电弧集成于一体的新型焊接技术,能够弥补单热源焊接的不足,具有焊接熔深大、工艺稳定性好、焊接速度快、变形小、间隙桥接能力强等优点。近年来,该技术在发达国家受到了广泛关注并得到了积极的研究,在汽车、石油、船舶、压力容器等领域极富发展前景。但是,由于种种原因,可获取的关键技术信息比较匮乏,有关激光-电弧两种热源之间相互作用机理的研究也非常有限,缺乏系统深入的研究。因此,迫切需要从基础的科学问题入手,推动激光-电弧复合焊接技术的发展。 本文采用低碳钢和不锈钢材料从基础工艺、保护气体、热源相互作用机理、接头微观组织和力学性能等方面入手,对CO2激光-TIG (tungsten inert gas)和MIG (metal inert gas)电弧复合焊接技术的工艺和机理进行了系统深入的研究。主要研究成果如下:构建了一个由CO2激光器、TIG和MIG焊机、数控工作台组成的激光-电弧复合焊接系统,能够方便的调节各焊接参数,并实现激光与电弧的协同效应。在该平台上分别进行了激光-TIG和MIG电弧复合焊接的基础工艺研究,并得到了优化的工艺参数范围。试验发现:激光和电弧能够通过形成于激光光致等离子体和电弧之间的导电通道发生强烈的相互作用。同激光焊接相比,激光-MIG电弧复合焊接熔深提高60%,焊接速度提高170%;激光-TIG电弧复合焊接熔深提高44%。 系统研究了激光-电弧复合焊接中气体保护方式及成分组成的影响规律。研究证明电弧焊炬加同轴喷嘴的气体保护方式是激光-电弧复合焊接的最佳气体保护方式;He-Ar混合气体更适用于激光-电弧复合焊接。保护气体通过激光与电弧等离子体相互作用、气流方向与速度变化来改变等离子体形态(等离子体有效作用高度)是改变复合焊接熔深和工艺稳定性的关键作用机制。 首次提出了更全面的激光-电弧复合焊接热源相互作用定量分析方法。引入了无量纲参数——复合焊接熔化能增量ψ来表征热源相互作用:ψ值越大,热源相互作用越强烈。定量分析结果和试验现象能够很好的吻合,表明该方法能够快速准确的全面反映激光、电弧之间的热源相互作用。采用该方法进行热源相互作用定量分析发现:对应不同类型的电弧,激光-电弧复合焊接的热源相互作用程度存在差异。该差异来自于电弧电极极性对激光光致等离子体的影响及其自身特性的不同。 发现激光-MIG电弧复合焊接接头内电弧区焊缝组织为垂直于熔池壁向中心生长的粗大的带状树枝晶;激光区焊缝组织为靠近熔池壁垂直于熔池壁生长的柱状树枝晶和中心区域均匀形核的细小等轴树枝晶,且激光区具有更高的焊缝显微硬度和更窄的热影响区,国内外未见有类似报道。得到了激光-电弧能量配比、坡口形式、保护气体等焊接参数对接头力学性能和微观组织的影响规律,对工艺参数的选取有一定的理论指导意义。 开展了超细晶粒钢的激光-TIG复合焊接研究。试验证明超细晶粒钢的激光-TIG复合焊接接头强度高于母材,焊缝区显微硬度低于激光焊接,能够避免因显微硬度过高造成的韧性下降,有效抑制热影响区晶粒长大倾向并避免软化区的出现,并提高焊接速度。结果表明该技术在超细晶粒钢的焊接中具有很大的应用前景。 系统研究了激光-MIG电弧复合焊接的焊缝缺陷、焊接适应性及临界焊接速度。通过试验得到了临界咬边速度经验公式、焊缝缺陷抑制方法、接头间隙桥接极限及可焊错边量极限,并得到了激光-MIG电弧复合焊接的临界速度变化规律。在此基础上,总结出一套可得到稳定工艺过程和良好焊缝质量的复合焊接质量控制方案,有利于发展具备自主知识产权的复合焊接工艺和成套设备。