铝合金激光+mig复合焊接过程稳定性研究(附件)【字数：14592】
摘 要摘 要铝合金是一种性能优良而较难选择焊接方法的合金，当下国内的主流方法是选用脉冲MIG焊或者是短路过渡MIG焊。不过这两种MIG焊接方法在焊接铝合金构件时，均显现出不同程度上的缺陷短路过渡MIG焊在焊接全程中表现出较差的稳定性，以至于其焊缝成型欠佳；而若采用脉冲MIG焊焊接铝合金构件，又会难以保证生产所需的焊接效率和品质。不过如果在MIG焊中加入激光，即使用激光-电弧复合焊，则可以在很大程度上提高焊接过程的稳定性和焊接效率，并且能够优化焊缝质量。这一系列的优势使得激光-电弧复合焊足以成为一种针对铝合金薄板焊接的卓有成效的焊接方法。本文以焊接工艺特性为立足点，以铝合金薄板的脉冲MIG焊和小功率短路过渡MIG焊为目标，以激光的加入与否作为变量进行系统的探究。研究对象的材料为3mm厚的6061铝合金，研究方法为观察、监测、记录和分析焊接过程中的熔滴过渡过程、电弧行为及焊接电信号特性，其所用手段有高速摄像和电信号采集系统等。研究结果如下在加入激光后，MIG焊明显减少了引弧时间，且显著提升了这一阶段的稳定性。激光-MIG复合焊也大幅地优化了电弧的形态——这得益于激光对电弧的吸引特质。激光令阴极斑点被固定在激光斑点处，使电弧在这一固定点燃烧，即电弧燃烧稳定性得到增强；电弧等离子体和激光光致等离子体之间的交互作用在电弧空间内搭建出一条十分牢固的导电通道；电弧等离子体和激光光致等离子体的相对强弱决定了等离子体的分布情况当激光等离子强于电弧等离子时，等离子体向激光处聚集，主要分布区域为激光斑点处；反之，当电弧等离子强于激光等离子时，等离子则向电弧聚集，集中分布于焊丝末端的电弧空间。此外，加入激光后受到影响的还有熔滴过渡过程，其主要因素为激光功率和光丝间距激光功率存在一个临界值，当功率处于临界值之下时，熔滴过渡稳定；反之，功率超过临界值时，则不稳定。光丝间距须处于一个合适的范围内，超过此范围的光丝间距都会使熔滴过渡不稳定；当然，判定焊接过程稳定性需要一个定量的手段，于是我们根据数学统计学，做出一个判别方案，并且以此做出了定量的判别对于铝合金的焊接方法而言，采用激光-短路过渡MIG焊要比单纯的短路过渡MIG拥有稳定性更好的焊接过程。铝合金脉冲MIG焊接过程中的过渡模式有三种，其分别为脉冲亚射流过渡、脉冲短路过渡和脉冲射滴过渡。加入的激光对这些过渡过程起到了一定的影响作用增加 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: @351916072@
激光功率会使过渡由脉冲亚射过渡逐渐地向脉冲射滴过渡推进。当功率满足一定值时，这种转变过程达到完全。激光的加入会使射滴过渡过程中电弧增长，焊丝也同时加快了熔化速率。相比单纯地运用小功率MIG焊或者激光焊而言，这种两项技术混合的复合焊接方法可带来更好的焊缝成形和更深的焊缝熔深。并且，在给予相同的焊接热输入的前提下，激光-MIG复合焊将实现最高的焊接效率。关键词激光-MIG复合焊接；铝合金；熔滴过渡；短路过渡；脉冲焊
目 录
第一章 绪论 1
1.1 研究背景 1
1.2 研究现状及其应用 2
1.3 研究内容 3
第二章 试验材料、设备及方法 4
2.1 试验材料 4
2.2 信息采集系统与试验平台 4
2.2.1 焊接系统平台搭建 5
2.2.2 等离子行为与熔滴过渡过程的高速摄像采集系统 6
2.2.3 焊接电弧电信号采集系统 7
2.2.4 信息同步采集系统工作原理 9
2.3 金相组织观察 9
2.4 本章小结 9
第三章 铝合金短路过渡MIG焊工艺特性 10
及激光对其的影响 10
3.1 铝合金短路过渡MIG焊焊接工艺试验 10
3.1.1 铝合金短路过渡MIG焊接试验参数 10
3.1.2 铝合金短路过渡MIG焊熔滴过渡过程与焊接电信号 11
3.1.3 铝合金短路MIG焊焊缝横截面形貌 12
3.2 激光对铝合金短路过渡MIG焊的影响 13
3.2.1 铝合金激光短路过渡MIG复合焊接试验参数 13
3.2.2 激光的加入对引弧阶段的影响 14
3.2.3 激光对焊接过程中电弧形态与电弧稳定性的影响 15
3.2.4 激光对熔滴短路过渡过程的影响 16
3.2.5 激光对铝合金短路过渡MIG焊焊缝成形的影响 19
3.3 短路MIG焊焊接过程稳定性分析 22
3.4 本章小结 23
结论 25
致 谢 27
参 考 文 献 28
第一章 绪论
研究背景
在交通工具技术发展迅猛的今天，船体、飞机、高速列车以及航天器等大型交通运输工具的减重问题成为目前在相关制造业内备受瞩目的一个研究领域。相比提高发动机功率来讲，减小车体自身重量是一个更好的提高运输效率的途径。于是我们将目光对准了铝合金——这种集质量小、抗拉强度较高、抗腐蚀性能卓越等诸多优良属性于一身的合金材料[14]。因此，铝合金在航空航天、高速列车及汽车等领域的应用已在全世界范围内受到重点关注并成为热门研究对象。
铝合金薄板的焊接结构优良，其加工性能优异，重量较多数金属材料轻，抗腐蚀性能高，并且易于连接[5]。然而铝合金仍存在一些不容忽视的缺点致使其焊接性较差：其热膨胀系数大，弹性模量小，这使得焊接过程中产生明显的形变，进而严重影响后续制造的精度和性能[6,7]。以铝合金车体用薄板为例，其本身拘束度很小，而热膨胀系数又大，导致高热输入的焊接方法有很大几率出现熔池下塌或者烧穿，不可逆的波浪变形也会作为副产物形成[8,9]。由此可见，传统的热输入较大的焊接方法对铝合金薄板不是很适用，对于铝合金薄板的焊接方法的探讨是否迫切。
铝合金薄板的焊接方法目前主要有常见的弧焊、搅拌摩擦焊，还有激光焊等，其中TIG焊已是非常成熟的铝合金焊接方法。有研究结果显示，焊接铝合金薄板时，采用脉冲方波交流TIG焊可以最大缓解钨极的烧损程度，同时还可以清除覆盖于铝合金表面的氧化膜。其中EP半波时间、脉冲电流幅值两个参数对氧化膜的清理作用有着决定性的影响。因此脉冲TIG焊成为优势较大的铝合金薄板焊接方法。然而这并不能使脉冲TIG焊成为主流的铝合金薄板焊接方法，因为其存在致命的缺点——容易产生焊接缺陷，导致焊接效率和质量不同程度地降低。
目前，国内主要采用MIG焊进行对铝合金薄板的焊接而非脉冲MIG焊，由于其成本高、过程控制难和焊接缺陷严重。我国航空航天、汽车船体制造厂家主要依靠引进国外先进设备，而对大型铝合金薄板的MIG焊接方法的理论研究较少。相关方面的理论难以用于生产指导，致使焊接产品的质量不佳。
激光焊是一种新型的先进焊接方法，具有诸多优点例如焊接形变量小、焊缝质量优良、能量高度集中、生产率高等。不过激光焊也存在着难以解决的问题，例如焊接过程不稳定，易造成焊接缺陷；焊接接头强度不高；对接头间隙要求十分严格等。这使得单纯的激光焊也无法满足目前工业对于铝合金薄板的大量、高质量生产的要求。为避免铝合金薄板在焊接中产生严重缺陷，我们意图结合这两种焊接方法，即激光MIG复合焊接，探究激光对MIG焊的正面影响，达到加强优势，规避缺陷的目的。
激光MIG复合焊是一种新型的焊接方法，不过其历史可以追溯至20世纪70年代末，由英国学者Steen首次提出并进行试验[10]，进而引发相关研究的浪潮[1116]。目前，激光MIG复合焊已成为航空航天、船舶、汽车、列车制造等领域中广泛使用的一种焊接技术，且仍有很大的发展提升空间[1721]。
研究现状及其应用
激光MIG复合焊从“扬长避短”的角度出发，合并且发扬激光焊和MIG焊的优势，同时又互补彼此之不足。可以看出，首先这是一种高热输入的焊接方法，会带来大的熔深；其次，激光弥补了MIG焊的焊接过程不稳定、引弧不易等不足，MIG焊也弥补了激光焊对于材料反射性能的苛刻要求。这种复合的焊接方法可满足高效高质量的焊接。
之前有相关研究显示，激光MIG复合焊是用于铝合金构件焊接的一种十分理想的方法[22]。首先，电弧等离子对激光光致等离子体的吸引作用减小了激光所受到的阻碍。其次，电弧熔化的金属减小了激光因反射而产生的损耗，使得焊接效率、熔深都有所增加[23]。再者，激光对电弧的吸引使电弧更加稳定且能量更为集中，电弧的阴极雾化效应更为显著，有效地大幅减小氧化膜对焊缝质量的损害[24]。
胡连海等人[25]用高速摄影设备研究了在两种焊接电流工艺参数下激光与电弧的间距变化对CO2激光MIG电弧复合焊接熔滴过渡过程的影响。试验发现，在高速MIG焊接时熔滴过渡不稳定，在激光MIG复合焊接时，由于激光光致等离子体对熔滴的热辐射作用和对电弧的吸引作用而改变了电弧的形态及相应的熔滴的受力状态，使得熔滴的过渡过程发生了改变，对于不同的焊接电流工艺参数，存在不同的最佳激光与电弧间距。结果表明，在最佳间距下，即两个等离子体的耦合作用良好时，熔滴过渡形式为单一的稳定射流过渡，电流电压恒定，焊缝成形良好。
激光功率会使过渡由脉冲亚射过渡逐渐地向脉冲射滴过渡推进。当功率满足一定值时，这种转变过程达到完全。激光的加入会使射滴过渡过程中电弧增长，焊丝也同时加快了熔化速率。相比单纯地运用小功率MIG焊或者激光焊而言，这种两项技术混合的复合焊接方法可带来更好的焊缝成形和更深的焊缝熔深。并且，在给予相同的焊接热输入的前提下，激光-MIG复合焊将实现最高的焊接效率。关键词激光-MIG复合焊接；铝合金；熔滴过渡；短路过渡；脉冲焊
目 录
第一章 绪论 1
1.1 研究背景 1
1.2 研究现状及其应用 2
1.3 研究内容 3
第二章 试验材料、设备及方法 4
2.1 试验材料 4
2.2 信息采集系统与试验平台 4
2.2.1 焊接系统平台搭建 5
2.2.2 等离子行为与熔滴过渡过程的高速摄像采集系统 6
2.2.3 焊接电弧电信号采集系统 7
2.2.4 信息同步采集系统工作原理 9
2.3 金相组织观察 9
2.4 本章小结 9
第三章 铝合金短路过渡MIG焊工艺特性 10
及激光对其的影响 10
3.1 铝合金短路过渡MIG焊焊接工艺试验 10
3.1.1 铝合金短路过渡MIG焊接试验参数 10
3.1.2 铝合金短路过渡MIG焊熔滴过渡过程与焊接电信号 11
3.1.3 铝合金短路MIG焊焊缝横截面形貌 12
3.2 激光对铝合金短路过渡MIG焊的影响 13
3.2.1 铝合金激光短路过渡MIG复合焊接试验参数 13
3.2.2 激光的加入对引弧阶段的影响 14
3.2.3 激光对焊接过程中电弧形态与电弧稳定性的影响 15
3.2.4 激光对熔滴短路过渡过程的影响 16
3.2.5 激光对铝合金短路过渡MIG焊焊缝成形的影响 19
3.3 短路MIG焊焊接过程稳定性分析 22
3.4 本章小结 23
结论 25
致 谢 27
参 考 文 献 28
第一章 绪论
研究背景
在交通工具技术发展迅猛的今天，船体、飞机、高速列车以及航天器等大型交通运输工具的减重问题成为目前在相关制造业内备受瞩目的一个研究领域。相比提高发动机功率来讲，减小车体自身重量是一个更好的提高运输效率的途径。于是我们将目光对准了铝合金——这种集质量小、抗拉强度较高、抗腐蚀性能卓越等诸多优良属性于一身的合金材料[14]。因此，铝合金在航空航天、高速列车及汽车等领域的应用已在全世界范围内受到重点关注并成为热门研究对象。
铝合金薄板的焊接结构优良，其加工性能优异，重量较多数金属材料轻，抗腐蚀性能高，并且易于连接[5]。然而铝合金仍存在一些不容忽视的缺点致使其焊接性较差：其热膨胀系数大，弹性模量小，这使得焊接过程中产生明显的形变，进而严重影响后续制造的精度和性能[6,7]。以铝合金车体用薄板为例，其本身拘束度很小，而热膨胀系数又大，导致高热输入的焊接方法有很大几率出现熔池下塌或者烧穿，不可逆的波浪变形也会作为副产物形成[8,9]。由此可见，传统的热输入较大的焊接方法对铝合金薄板不是很适用，对于铝合金薄板的焊接方法的探讨是否迫切。
铝合金薄板的焊接方法目前主要有常见的弧焊、搅拌摩擦焊，还有激光焊等，其中TIG焊已是非常成熟的铝合金焊接方法。有研究结果显示，焊接铝合金薄板时，采用脉冲方波交流TIG焊可以最大缓解钨极的烧损程度，同时还可以清除覆盖于铝合金表面的氧化膜。其中EP半波时间、脉冲电流幅值两个参数对氧化膜的清理作用有着决定性的影响。因此脉冲TIG焊成为优势较大的铝合金薄板焊接方法。然而这并不能使脉冲TIG焊成为主流的铝合金薄板焊接方法，因为其存在致命的缺点——容易产生焊接缺陷，导致焊接效率和质量不同程度地降低。
目前，国内主要采用MIG焊进行对铝合金薄板的焊接而非脉冲MIG焊，由于其成本高、过程控制难和焊接缺陷严重。我国航空航天、汽车船体制造厂家主要依靠引进国外先进设备，而对大型铝合金薄板的MIG焊接方法的理论研究较少。相关方面的理论难以用于生产指导，致使焊接产品的质量不佳。
激光焊是一种新型的先进焊接方法，具有诸多优点例如焊接形变量小、焊缝质量优良、能量高度集中、生产率高等。不过激光焊也存在着难以解决的问题，例如焊接过程不稳定，易造成焊接缺陷；焊接接头强度不高；对接头间隙要求十分严格等。这使得单纯的激光焊也无法满足目前工业对于铝合金薄板的大量、高质量生产的要求。为避免铝合金薄板在焊接中产生严重缺陷，我们意图结合这两种焊接方法，即激光MIG复合焊接，探究激光对MIG焊的正面影响，达到加强优势，规避缺陷的目的。
激光MIG复合焊是一种新型的焊接方法，不过其历史可以追溯至20世纪70年代末，由英国学者Steen首次提出并进行试验[10]，进而引发相关研究的浪潮[1116]。目前，激光MIG复合焊已成为航空航天、船舶、汽车、列车制造等领域中广泛使用的一种焊接技术，且仍有很大的发展提升空间[1721]。
研究现状及其应用
激光MIG复合焊从“扬长避短”的角度出发，合并且发扬激光焊和MIG焊的优势，同时又互补彼此之不足。可以看出，首先这是一种高热输入的焊接方法，会带来大的熔深；其次，激光弥补了MIG焊的焊接过程不稳定、引弧不易等不足，MIG焊也弥补了激光焊对于材料反射性能的苛刻要求。这种复合的焊接方法可满足高效高质量的焊接。
之前有相关研究显示，激光MIG复合焊是用于铝合金构件焊接的一种十分理想的方法[22]。首先，电弧等离子对激光光致等离子体的吸引作用减小了激光所受到的阻碍。其次，电弧熔化的金属减小了激光因反射而产生的损耗，使得焊接效率、熔深都有所增加[23]。再者，激光对电弧的吸引使电弧更加稳定且能量更为集中，电弧的阴极雾化效应更为显著，有效地大幅减小氧化膜对焊缝质量的损害[24]。
胡连海等人[25]用高速摄影设备研究了在两种焊接电流工艺参数下激光与电弧的间距变化对CO2激光MIG电弧复合焊接熔滴过渡过程的影响。试验发现，在高速MIG焊接时熔滴过渡不稳定，在激光MIG复合焊接时，由于激光光致等离子体对熔滴的热辐射作用和对电弧的吸引作用而改变了电弧的形态及相应的熔滴的受力状态，使得熔滴的过渡过程发生了改变，对于不同的焊接电流工艺参数，存在不同的最佳激光与电弧间距。结果表明，在最佳间距下，即两个等离子体的耦合作用良好时，熔滴过渡形式为单一的稳定射流过渡，电流电压恒定，焊缝成形良好。
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