【正文】 編號 本科生畢業(yè)論文畢業(yè)論文中文題目The Subject of Graduation Project學 生 姓 名 專 業(yè)機械設計制造及其自動化學 號 指 導 教 師 學 院 機電工程學院摘 要 本文在對激光電弧復合焊接技術研究現(xiàn)狀總結(jié)的基礎上，對復合熱源焊接技術進行了工藝基礎及應用的研究。本文采用YAG MAG激光電弧和CO2激光器MAG焊機進行了復合焊接試驗。試驗中主要對激光功率、電弧功率及保護氣體對熔滴過渡的影響進行了研究。結(jié)果表明：在一定的焊接工藝條件下，焊縫熔深主要由激光功率影響，焊縫熔寬主要由電弧功率影響。電弧對熔深影響不大，但電弧電流過大時，焊接熔深反而減小，主要是由于電流過大時熔滴過渡方式改變，等離子體和熔滴對激光產(chǎn)生屏蔽和阻礙，使激光能量減弱。實驗數(shù)據(jù)表明：，焊接電流為180A時較為理想；~，焊縫形貌較好，激光與電弧耦合效果最佳，焊縫成形系數(shù)較低，熔滴過渡、電信號波形穩(wěn)定。 關鍵詞：激光電弧復合焊接 等離子體 熔滴過度 保護氣體 ABSTRACT In this paper, on the basis of summarizing hybrid welding technique,a program of experimental work was undertaken to investigate the hybrid laser–MAG welding process and its application. This paper uses YAG laserMAG 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 that under certain conditions of welding, the arc power mainly affects the weld width, the laser power is the main effect of the posite weld penetration. Arc current has little effect on the welding penetration, but the welding penetration decreaces when arc current is too large. Because the plasma and droplet shield power is , 180A is the required welding current。 the welding speed at ~ / 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 electrical signal are in stability. Key words: laserarc hybrid welding laserinduced plasma droplet transfer shielding gas 第1章 緒論 為了解決傳統(tǒng)焊接中遇到的一系列問題，于20世紀80年代初期， 首先提出了激光與電弧復合焊接這一全新的焊接形式。但是受當時條件限制，這種技術并沒有立刻引起廣泛關注。近年來隨著工業(yè)生產(chǎn)對焊接工藝的要求越來越高，各國學者再次將精力集中到激光電弧復合焊接技術上來。激光電弧復合焊接是將兩種截然不同的熱源復合在了一起，是兩種熱源相互影響，優(yōu)勢互補形成了一種更加高效地焊接方式。 激光焊接過程屬于熱傳導型，即激光通過輻射加熱工件表面，工件表面的熱量通過熱傳導向內(nèi)部擴散，通過控制激光脈沖的能量、寬度、峰值功率和重復頻率等，使工件熔化，形成特定的熔池。激光電弧復合焊接技術與單獨的激光焊、電弧焊相比，具有高焊接速度、優(yōu)化焊縫截面質(zhì)量、力學性能，降低裝配精度和成本等優(yōu)勢，因此被廣泛的研究和應用。高功率CO2及高功率YAG激光器的出現(xiàn)，開辟了激光焊接的新領域，獲得了以小孔效應為理論基礎的深熔焊接。 盡管激光電弧復合焊接擁有諸多優(yōu)點，但是其復合過程十分復雜，諸多參數(shù)都對焊縫質(zhì)量造成影響，因而對兩熱源復合工藝的研究，將有助于我們獲得更好的焊接效果。 課題的研究意義及主要內(nèi)容激光電弧復合焊接技術與單獨的激光、電弧焊相比，具有提高焊接速度、橋接性能，增大焊接熔深，降低裝配精度和成本等優(yōu)勢，因此被廣泛的研究和應用。近幾年來，為了實現(xiàn)對鋁合金、不銹鋼等中厚板的焊接，研究人員更多的注意到采用激光熔化極惰性氣體保護焊/熔化極活性氣體保護焊(metal inert gas welding/metal active gas welding簡稱MIG/MAG)復合焊接方法[45]。在復合焊接研究中CO2激光和Nd：YAG激光被廣泛使用，而兩種波長激光與電弧復合后產(chǎn)生的效果有較大差別。一方面由于激光器產(chǎn)生的激光波長不同（CO2激光器和Nd： m）；因此金屬對激光能量吸收不同，導致焊縫熔深、熔寬、熱影響區(qū)大小有所不同；另一方面由于不同波長激光與電弧等離子體相互作用時由于作用點處等離子云密度不同，使電弧特征改變，導致熔滴受力狀態(tài)發(fā)生變化進而導致熔滴過渡特征發(fā)生變化。激光電弧復合焊接對于許多傳統(tǒng)的難焊材料經(jīng)過工藝的優(yōu)化都能實現(xiàn)良好的焊接，本文就是利用此技術，并憑借現(xiàn)有設備，通過對兩種復合焊接焊縫形貌、熔滴過渡規(guī)律與電信號等信息的采集對比分析，研究不同激光波長在不同激光功率下其對應的兩熱源相互作用效果、焊縫質(zhì)量，有利于對整個復合焊接過程的理解，可為實現(xiàn)穩(wěn)定、高質(zhì)量的復合焊接過程提供依據(jù)。 激光電弧復合焊特點及研究現(xiàn)狀 激光電弧復合焊接技術的特點激光電弧復合焊接作為一種先進的焊接技術，將激光和電弧兩種不同的熱源復合在一起，作用于工件的同一位置，通過兩種熱源的相互作用及復合熱源與工件的作用，完成焊接過程。激光電弧復合焊接技術既體現(xiàn)了兩種熱源各自的優(yōu)勢，又彌補了各自的不足，達到了1+12的效果。激光電弧復合焊接主要有以下優(yōu)點： （1）提高了焊接接頭的適應性。由于電弧的作用降低了激光對接頭間隙的裝配精度的要求，因此可以在較大的接頭間隙下實現(xiàn)焊接。 （2）增加了焊縫的熔深。在激光的作用下電弧可以到達焊縫的深處，使得熔深增加。其次由于電弧的作用會增大金屬對激光的吸收率也是熔深增大的原因。 （3)改善焊縫質(zhì)量，減少焊接缺陷。激光的作用使得焊縫的加熱時間變短，不易產(chǎn)生晶粒過大而且使熱影響區(qū)減小，改善焊縫組織性能。由于在電弧的作用下，復合熱源能夠減緩熔池的凝固時間，使得熔池的相變充分的進行，而且有利于氣體的溢出，能夠有效地減少氣孔、裂紋、咬邊等焊接缺陷。 （4）增加焊接過程的穩(wěn)定性。由于激光的作用在熔池中會形成匙孔，它對電弧有吸引作用，從而增加了焊接的穩(wěn)定性。而且匙孔會使電弧的根部壓縮，從而增大電弧能量的利用率。 （5）提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本。激光與電弧的作用會提高焊接速度，由于電弧的作用使得用較小功率的激光器就能達到很好的焊接效果，與激光焊相比可以降低設備成本。由此可見，激光電弧復合焊接比單一的激光焊接和電弧焊接有著明顯的優(yōu)勢。研究表明，利用激光電弧復合焊接技術，能夠?qū)σ酝恍╇y焊甚至認為不可焊的材料進行焊接，并且隨著工藝的參數(shù)的優(yōu)化，焊接效果越來越好。 激光電弧復合焊接技術的分類激光電弧復合熱源使用的激光器一般有CO2激光器和Nd：YAG激光器。根據(jù)激光與電弧的相對位置不同可分為：同軸復合，即激光與電弧處于同軸共同作用于工件的同一位置；旁軸復合，即激光束與電弧以一定的角度共同作用于工件的同一位置。旁軸復合又分為兩種情形：一是激光與電弧間距離較大，兩者所形成的熔池互相不影響；二是激光與電弧間距離較小，兩者所形成的熔池相互作用。此外，還存在一種特殊的激光電弧復合方式，沿焊接方向，激光和電弧之間以一定距離分布，兩種熱源空間上獨立，基本互不影響，兩種熱源焊接效果簡單疊加，相當于短時間內(nèi)對同一位置實施兩次焊接，這種焊接方法稱為激光電弧級聯(lián)焊。電弧主要進行預熱或后熱，減少材料對激光能量的反射，增強對激光能量的吸收，從而改善焊縫成形和接頭組織性能。 激光電弧同軸復合 激光電弧旁軸復合 激光電弧級聯(lián)復合焊接示意圖 根據(jù)電弧種類的不同，激光電弧復合焊接可分為以下幾種： （1）激光TIG復合焊激光TIG電弧復合焊接是最早出現(xiàn)的一種復合焊接方法，大多用于薄板高速焊接，也可以用于不等厚材料的對接焊。TIG電弧焊是非溶化極氣體保護焊接，與激光復合的工藝相對比較簡單，復合方式既可以是同軸復合，也可以是旁軸復合。激光與TIG電弧進行旁軸復合時，激光在前可以去除母材金屬表面的雜質(zhì)及氧化物，很大程度上減少鎢極所受污染，增加鎢極的使用壽命。激光TIG電弧復合焊在高速焊接時，電弧仍然能夠保持穩(wěn)定，焊縫形貌美觀，氣孔、咬邊等焊接缺陷較少，尤其是在低電流和長電弧條件下，焊接速度幾乎可以達到單獨激光焊接的兩倍。 （2）激光MIG/MAG復合焊 激光MIG/MAG電弧復合焊接利用填焊絲的優(yōu)勢可以改善焊縫的冶金性能和微觀組織結(jié)構(gòu)，進而提高了焊縫力學性能，相比激光TIG復合焊，其焊接適應性更好，常用于焊接中厚板。MIG/MAG電弧比TIG電弧方向性強，因此焊接時激光與電弧之間位置關系很重要。電弧前置，激光后置時，電弧可以對工件表面進行預熱，使表面微熔，降低了工件表面對激光的反射率，使激光更容易穿透工件表面，提高了激光能量的利用率，使焊接熔深和熔寬都相應有所增加，并且更易形成深熔小孔焊。電弧后置，激光前置時，可以使電弧起弧更容易，在適合的條件下能夠調(diào)整熔滴過渡方式，使焊接過程更穩(wěn)定。激光MIG/MAG復合焊接一般采用旁軸復合方式。Tishide發(fā)現(xiàn)，當兩熱源距離很小時，激光大部分能量就會用于熔化焊絲，不利于形成匙孔，因此調(diào)整兩熱源相對位置能夠改善焊縫熔深。 （3）激光等離子弧復合焊激光與等離子體復合一般采用同軸復合方式。等離子體弧具有剛性好、溫度高、方向性好、電弧易引燃等優(yōu)點，非常有利于進行復合熱源焊接。，焊接時電弧非常穩(wěn)定，即使是在90m/min時電弧也很穩(wěn)定，而且不會出現(xiàn)單純激光焊接時的缺陷，而單獨激光焊接時在48m/min時就會出現(xiàn)電弧不穩(wěn)定現(xiàn)象而且還會出現(xiàn)焊接缺陷。此外，還有一些其它激光電弧復合焊接，如激光雙電弧復合焊、雙激光電弧復合焊、激光電阻熱復合焊及激光摩擦熱復合焊等，這些方式雖然應用較少，但也都有各自的優(yōu)點。 激光電弧復合焊接的應用復合焊的適用性較強，可以進行平板對接焊、角接焊、環(huán)形焊縫的焊接。近幾年來，復合焊被應用于不同材料的焊接中，日本、美國、德國等幾個發(fā)達國家用復合焊接對低碳鋼、高碳鋼、不銹鋼、鋁及其合金、鎂及其合金等進行焊接，并應用在了汽車、造船、石油等生產(chǎn)制造中。1. 在汽車制造工業(yè)中的應用近年來，在汽車制造業(yè)中，更傾向于朝著輕量化發(fā)展，為了節(jié)約能源、減少污染及合理利用材料等，在車身框架結(jié)構(gòu)中大量使用了鋁、鋁鎂等輕質(zhì)合金結(jié)構(gòu)。因此為激光電弧復合焊接技術的應用提供了條件，德國大眾汽車公司率先將其用于在奧迪A8轎車車體框架、輝騰轎車車門的焊接中。隨著激光電弧復合焊工藝的日益成熟，在鋁合金車身焊縫焊接中復合焊所占比例越來越重，大有取代以往激光焊和熔化極氣體保護焊之勢。 奧迪A8車體框架結(jié)構(gòu)及復合焊接現(xiàn)場2. 在造船工業(yè)中的應用 激光電弧復合焊接具有焊接速度快、自動化程度高、焊接熱變形小等優(yōu)點，是船舶焊接技術發(fā)展不可缺少的一種新技術，尤其在高強鋼、鋁合