激光-电弧复合焊接技术研究本科毕业论文.doc
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1、编号 本科生毕业论文毕业论文中文题目The Subject of Graduation Project学 生 姓 名 专 业机械设计制造及其自动化学 号 指 导 教 师 学 院 机电工程学院摘 要 本文在对激光-电弧复合焊接技术研究现状总结的基础上,对复合热源焊接技术进行了工艺基础及应用的研究。本文采用YAG -MAG激光电弧和CO2激光器-MAG焊机进行了复合焊接试验。试验中主要对激光功率、电弧功率及保护气体对熔滴过渡的影响进行了研究。结果表明:在一定的焊接工艺条件下,焊缝熔深主要由激光功率影响,焊缝熔宽主要由电弧功率影响。电弧对熔深影响不大,但电弧电流过大时,焊接熔深反而减小,主要是由于电
2、流过大时熔滴过渡方式改变,等离子体和熔滴对激光产生屏蔽和阻碍,使激光能量减弱。实验数据表明:当激光功率为2.5kW,焊接电流为180A时较为理想;焊接速度在1.21.4m/min左右时,焊缝形貌较好,激光与电弧耦合效果最佳,焊缝成形系数较低,熔滴过渡、电信号波形稳定。 关键词:激光-电弧复合焊接 等离子体 熔滴过度 保护气体 ABSTRACT In this paper, on the basis of summarizing hybrid welding technique,a program of experimental work was undertaken to investigat
3、e the hybrid laserMAG welding process and its application. This paper uses YAG laser-MAG and CO2 laser and MAG welding machine to do the hybrid welding test. The effects of laser power, arc voltage, arc current and shielding gas on bead profile and droplet transfer are studied. The results indicate
4、that under certain conditions of welding, the arc power mainly affects the weld width, the laser power is the main effect of the composite weld penetration. Arc current has little effect on the welding penetration, but the welding penetration decreaces when arc current is too large. Because the plas
5、ma and droplet shield laser.Laser power is 2.5kW, 180A is the required welding current; the welding speed at 1.21.4m / min, so the better appearance is visible. The laser and arc coupling effect is in the best state, weld reinforcement shape coefficient in stability, droplet transfer and the electri
6、cal signal are in stability. Key words: laser-arc hybrid welding laser-induced plasma droplet transfer shielding gas 第1章 绪论 为了解决传统焊接中遇到的一系列问题,于20世纪80年代初期,英国学者W.M.Steen 首先提出了激光与电弧复合焊接这一全新的焊接形式。但是受当时条件限制,这种技术并没有立刻引起广泛关注。近年来随着工业生产对焊接工艺的要求越来越高,各国学者再次将精力集中到激光-电弧复合焊接技术上来。激光-电弧复合焊接是将两种截然不同的热源复合在了一起,是两种热源相互
7、影响,优势互补形成了一种更加高效地焊接方式。 激光焊接过程属于热传导型,即激光通过辐射加热工件表面,工件表面的热量通过热传导向内部扩散,通过控制激光脉冲的能量、宽度、峰值功率和重复频率等,使工件熔化,形成特定的熔池。激光-电弧复合焊接技术与单独的激光焊、电弧焊相比,具有高焊接速度、优化焊缝截面质量、力学性能,降低装配精度和成本等优势,因此被广泛的研究和应用。高功率CO2及高功率YAG激光器的出现,开辟了激光焊接的新领域,获得了以小孔效应为理论基础的深熔焊接。 尽管激光-电弧复合焊接拥有诸多优点,但是其复合过程十分复杂,诸多参数都对焊缝质量造成影响,因而对两热源复合工艺的研究,将有助于我们获得更
8、好的焊接效果。 1.1 课题的研究意义及主要内容激光-电弧复合焊接技术与单独的激光、电弧焊相比,具有提高焊接速度、桥接性能,增大焊接熔深,降低装配精度和成本等优势,因此被广泛的研究和应用。近几年来,为了实现对铝合金、不锈钢等中厚板的焊接,研究人员更多的注意到采用激光-熔化极惰性气体保护焊/熔化极活性气体保护焊(metal inert gas welding/metal active gas welding简称MIG/MAG)复合焊接方法4-5。在复合焊接研究中CO2激光和Nd:YAG激光被广泛使用,而两种波长激光与电弧复合后产生的效果有较大差别。一方面由于激光器产生的激光波长不同(CO2激光器
9、和Nd:YAG激光器所产生的激光波长分别为10.6 m和1.06 m);因此金属对激光能量吸收不同,导致焊缝熔深、熔宽、热影响区大小有所不同;另一方面由于不同波长激光与电弧等离子体相互作用时由于作用点处等离子云密度不同,使电弧特征改变,导致熔滴受力状态发生变化进而导致熔滴过渡特征发生变化。激光-电弧复合焊接对于许多传统的难焊材料经过工艺的优化都能实现良好的焊接,本文就是利用此技术,并凭借现有设备,通过对两种复合焊接焊缝形貌、熔滴过渡规律与电信号等信息的采集对比分析,研究不同激光波长在不同激光功率下其对应的两热源相互作用效果、焊缝质量,有利于对整个复合焊接过程的理解,可为实现稳定、高质量的复合焊
10、接过程提供依据。 1.2 激光-电弧复合焊特点及研究现状 1.2.1 激光-电弧复合焊接技术的特点激光-电弧复合焊接作为一种先进的焊接技术,将激光和电弧两种不同的热源复合在一起,作用于工件的同一位置,通过两种热源的相互作用及复合热源与工件的作用,完成焊接过程。激光-电弧复合焊接技术既体现了两种热源各自的优势,又弥补了各自的不足,达到了1+12的效果。激光-电弧复合焊接主要有以下优点: (1)提高了焊接接头的适应性。由于电弧的作用降低了激光对接头间隙的装配精度的要求,因此可以在较大的接头间隙下实现焊接。 (2)增加了焊缝的熔深。在激光的作用下电弧可以到达焊缝的深处,使得熔深增加。其次由于电弧的作
11、用会增大金属对激光的吸收率也是熔深增大的原因。 (3)改善焊缝质量,减少焊接缺陷。激光的作用使得焊缝的加热时间变短,不易产生晶粒过大而且使热影响区减小,改善焊缝组织性能。由于在电弧的作用下,复合热源能够减缓熔池的凝固时间,使得熔池的相变充分的进行,而且有利于气体的溢出,能够有效地减少气孔、裂纹、咬边等焊接缺陷。 (4)增加焊接过程的稳定性。由于激光的作用在熔池中会形成匙孔,它对电弧有吸引作用,从而增加了焊接的稳定性。而且匙孔会使电弧的根部压缩,从而增大电弧能量的利用率。 (5)提高生产效率,降低生产成本。激光与电弧的作用会提高焊接速度,由于电弧的作用使得用较小功率的激光器就能达到很好的焊接效果
12、,与激光焊相比可以降低设备成本。由此可见,激光-电弧复合焊接比单一的激光焊接和电弧焊接有着明显的优势。研究表明,利用激光-电弧复合焊接技术,能够对以往一些难焊甚至认为不可焊的材料进行焊接,并且随着工艺的参数的优化,焊接效果越来越好。1.2.2 激光电弧复合焊接技术的分类激光-电弧复合热源使用的激光器一般有CO2激光器和Nd:YAG激光器。根据激光与电弧的相对位置不同可分为:同轴复合,如图1.1,即激光与电弧处于同轴共同作用于工件的同一位置;旁轴复合,如图1.2,即激光束与电弧以一定的角度共同作用于工件的同一位置。旁轴复合又分为两种情形:一是激光与电弧间距离较大,两者所形成的熔池互相不影响;二是
13、激光与电弧间距离较小,两者所形成的熔池相互作用。此外,如图1.3所示,还存在一种特殊的激光-电弧复合方式,沿焊接方向,激光和电弧之间以一定距离分布,两种热源空间上独立,基本互不影响,两种热源焊接效果简单叠加,相当于短时间内对同一位置实施两次焊接,这种焊接方法称为激光-电弧级联焊。电弧主要进行预热或后热,减少材料对激光能量的反射,增强对激光能量的吸收,从而改善焊缝成形和接头组织性能。 图1.1 激光-电弧同轴复合 图1.2 激光-电弧旁轴复合 图1.3 激光-电弧级联复合焊接示意图 根据电弧种类的不同,激光-电弧复合焊接可分为以下几种: (1)激光-TIG复合焊激光-TIG电弧复合焊接是最早出现
14、的一种复合焊接方法,大多用于薄板高速焊接,也可以用于不等厚材料的对接焊。TIG电弧焊是非溶化极气体保护焊接,与激光复合的工艺相对比较简单,复合方式既可以是同轴复合,也可以是旁轴复合。激光与TIG电弧进行旁轴复合时,激光在前可以去除母材金属表面的杂质及氧化物,很大程度上减少钨极所受污染,增加钨极的使用寿命。激光-TIG电弧复合焊在高速焊接时,电弧仍然能够保持稳定,焊缝形貌美观,气孔、咬边等焊接缺陷较少,尤其是在低电流和长电弧条件下,焊接速度几乎可以达到单独激光焊接的两倍。 (2)激光-MIG/MAG复合焊 激光-MIG/MAG电弧复合焊接利用填焊丝的优势可以改善焊缝的冶金性能和微观组织结构,进而
15、提高了焊缝力学性能,相比激光-TIG复合焊,其焊接适应性更好,常用于焊接中厚板。MIG/MAG电弧比TIG电弧方向性强,因此焊接时激光与电弧之间位置关系很重要。电弧前置,激光后置时,电弧可以对工件表面进行预热,使表面微熔,降低了工件表面对激光的反射率,使激光更容易穿透工件表面,提高了激光能量的利用率,使焊接熔深和熔宽都相应有所增加,并且更易形成深熔小孔焊。电弧后置,激光前置时,可以使电弧起弧更容易,在适合的条件下能够调整熔滴过渡方式,使焊接过程更稳定。激光-MIG/MAG复合焊接一般采用旁轴复合方式。Tishide发现,当两热源距离很小时,激光大部分能量就会用于熔化焊丝,不利于形成匙孔,因此调
16、整两热源相对位置能够改善焊缝熔深。 (3)激光-等离子弧复合焊激光与等离子体复合一般采用同轴复合方式。等离子体弧具有刚性好、温度高、方向性好、电弧易引燃等优点,非常有利于进行复合热源焊接。Blundell等人采用激光-等离子体复合焊高速焊接0.16mm厚的镀锌板时发现,焊接时电弧非常稳定,即使是在90m/min时电弧也很稳定,而且不会出现单纯激光焊接时的缺陷,而单独激光焊接时在48m/min时就会出现电弧不稳定现象而且还会出现焊接缺陷。此外,还有一些其它激光-电弧复合焊接,如激光-双电弧复合焊、双激光-电弧复合焊、激光-电阻热复合焊及激光-摩擦热复合焊等,这些方式虽然应用较少,但也都有各自的优
17、点。1.2.3 激光-电弧复合焊接的应用复合焊的适用性较强,可以进行平板对接焊、角接焊、环形焊缝的焊接。近几年来,复合焊被应用于不同材料的焊接中,日本、美国、德国等几个发达国家用复合焊接对低碳钢、高碳钢、不锈钢、铝及其合金、镁及其合金等进行焊接,并应用在了汽车、造船、石油等生产制造中。1. 在汽车制造工业中的应用近年来,在汽车制造业中,更倾向于朝着轻量化发展,为了节约能源、减少污染及合理利用材料等,在车身框架结构中大量使用了铝、铝镁等轻质合金结构。因此为激光-电弧复合焊接技术的应用提供了条件,德国大众汽车公司率先将其用于在奥迪A8轿车车体框架、辉腾轿车车门的焊接中。随着激光-电弧复合焊工艺的日
18、益成熟,在铝合金车身焊缝焊接中复合焊所占比例越来越重,大有取代以往激光焊和熔化极气体保护焊之势。图1.4为奥迪A8车体框架结构及复合焊接现场,在车架的横向顶框上的车身焊缝中大约4.6m使用了激光-电弧复合焊接。 图1.4 奥迪A8车体框架结构及复合焊接现场2. 在造船工业中的应用 激光-电弧复合焊接具有焊接速度快、自动化程度高、焊接热变形小等优点,是船舶焊接技术发展不可缺少的一种新技术,尤其在高强钢、铝合金的焊接中有明显优势。近年来,这一技术已经在日本、韩国和欧美一些国家得到了广泛的研究与应用,而我国还处于起步阶段。美国海军连接中心(NJC)和爱迪生焊接研究所(EWI)已证实激光-电弧复合焊接
19、在造船中是一种高效的连接方法。克服了一般船体结构中手工电弧焊和MAG/MIG焊效率较低的缺点 。德国Meyer-Werft造船厂于2002年第一个将激光-电弧复合焊接应用于造船业生产线,该生产线在船体平板和加强筋焊接中采用了CO2激光-GMAW复合焊接。采用激光-电弧复合焊接后,自动化程度大幅提高,平板对焊焊炬一次可行走范围为20m20m,焊缝间隙熔宽达1mm,焊接速度提高3倍以上,甲板变形程度降低2/3以上,减少了焊接后续处理时间和装配难度。目前,一些大中型造船厂的中厚板焊接都积极采用了该项技术。 图1.5 全面采用激光-电弧复合焊技术的德国Meyer造船厂3. 在其它领域中的应用激光-电弧
20、复合焊接技术在石油化工的大型管道、油罐连接中也有着重要的应用。由于一般石油管道壁厚较大,普通焊接方法很难一次性焊透,必须要开破口,进行多道焊接,多道焊接时就容易产生缺陷。而激光-电弧复合焊接熔深和熔宽均较大,能够保证焊缝的桥接性能和一次性焊透,从而提高焊接效率和质量。2000年,德国Fruanhofer研究所研制了一套复合焊接系统,利用激光-MIG电弧复合热源焊接储油罐。焊接参数采用激光功率5.8kW、焊接电流250A、焊接电压30V、焊接速度1.6m/min,对壁厚48mm,管径1.7m的小油箱焊接,用时不到4min。焊后利用X射线检测发现,焊缝无气孔、裂纹等缺陷,焊接质量通过了德国TUV鉴
21、定21。同年,美国的EWI为了减少管道焊接成本和提高管道焊接效率,也进行了运输管道连接项目,叫做“YAG管道”。2006年,美国宾夕法尼亚州的ARL实验室和造船公司(NASSCO)共同开发管道激光-电弧复合焊接系统。芬兰的Jernstrom Petteri采用CO2激光-MIG电弧复合焊接对伸缩式中空梁进行了焊接,采用激光功率5kW 和MIG电流132A的功率参数,焊接速度1.8m/min仍能保证焊接质量。丹麦的Bagger Claus等人进行了电磁感应加热器锅体的CO2激光-TIG电弧复合焊接可焊性研究。焊接工件的内环材料和外环材料分别为4mm厚的X6Cr17和2mm厚度的奥氏体不锈钢。焊接
22、参数为激光功率1.5kW 、TIG电弧电流137A和焊接速度1.5m/min,焊后经过检测缺陷,焊缝质量完全达到了实际使用标准。 1.3 本论文的研究内容及意义国外对激光电弧复合焊接技术的研究已经开展了很多年,取得了相当多的成果并成功地运用到很多领域。而国内对此的研究却并不多,在工业中的应用很少。尽管一套先进的复合焊接设备高达数百万人民币,但复合焊技术的研究对国内的焊接技术水平的提高有着重大的意义,对制造业的发展将产生深远的影响。本文以高强钢为材料,分别利用Nd:YAG -MAG激光电弧和CO2激光器-MAG焊机进行复合焊接试验,研究分析激光电弧复合焊接技术的基础工艺,主要进行以下几个方面:
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- 激光 电弧 复合 焊接 技术研究 本科 毕业论文
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