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高氮钢激光-电弧复合焊接熔池表面流动行为丨JME封面文章

激光-电弧复合焊接是将激光与电弧两种热源复合在一起的新型焊接方式,它结合了激光焊接速度快、热输入量低以及电弧焊接桥接性好等优点,被广泛用于中厚板的焊接研究和应用中。但相对于单独热源焊接,复合焊接包含更多的工艺参数,若组合不当将导致焊接缺陷产生,从而不利于进一步推广使用。有研究表明,复合焊接熔池的流动行为与咬边、驼峰等缺陷相关,并对焊缝中溶质元素的分布起到关键作用,显著影响焊缝成形和接头质量。因此,开展对激光-电弧复合焊接熔池流动行为的研究。其研究结果有助于对复合焊接缺陷形成机理的分析,以及对复合焊接接头形貌的控制,具有较高的研究价值。

刘双宇等用高速摄像机和扫描电子显微镜分析了CO2激光-MAG电弧复合焊接熔池的流动过程与熔池内熔质分布的关系。结果表明,熔质分布与熔池的流动状况及元素添加位置密切相关,其决定因素是激光与电弧两热源间距变化所引起的熔池流动特征的变化。赵琳等研究了焊接工艺参数及保护气体O2含量对CO2激光-熔化极气体保护(GMA)复合焊接熔池流动行为的影响规律。结果表明,激光-电弧复合焊接过程中,电弧拖拽力、熔滴冲击力、电磁力等驱动力对熔池流动产生较大的影响,且发现当电弧保护气体加入大于等于2%O2时,Marangoni对流方向由外向流动变为内向流动,促进了整个熔池的内向流动。ZHANG等对6 mm厚的不锈钢进行激光+GMAW-P复合焊接试验,并进行数值模拟,考虑了熔池流动对复合焊接热影响区(HAZ)几何形状和热循环的影响,准确地模拟出了熔池的温度场、流体流动以及热影响区的热循环。胥国祥等基于FLUENT软件,建立了激光+熔化极电弧(GMAW)复合热源焊三维瞬态熔池流体流动数值分析模型,对复合焊流体流动模式进行了模拟计算。结果表明,当激光功率为500 W时,驼峰缺陷消失,但熔池中无小孔产生,且流体流动模式与GMAW焊相近;当激光功率增至2000 W,熔池中出现小孔,使得流体流动模式更复杂。

由于熔池具有动态、高温、瞬时性等特点,其流动特征难以被直接观察和记录,相关研究者利用示踪粒子法测量单一热源电弧焊接熔池表面流动,取得了较好的效果。为研究激光-电弧复合焊接熔池表面流动行为,长春理工大学的刘佳、白陈明、石岩、李忠、张宏进行了试验,他们选用高熔点、低密度的ZrO2颗粒作为示踪粒子,并采用高速相机来记录示踪粒子在复合焊接熔池中的运动轨迹。为了深入了解激光-电弧复合焊接熔池表面流动行为,该团队还分别对电弧焊和激光焊接熔池表面流动行为进行了研究,分析了其熔池流动特征,并对比了单独热源和复合热源焊接熔池流动之间的差异,从而为以后的激光-MAG复合焊接研究提供理论基础。他们的研究成果已作为封面文章发表在《机械工程学报》2018年22期(《高氮钢激光-电弧复合焊接熔池表面流动行为》)。

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基金资助

吉林省教育厅科学技术(JJKHKL)和吉林省重点科技研发(201802010663GX)资助项目。

引用本文

刘佳, 白陈明, 石岩, 李忠, 张宏. 高氮钢激光-电弧复合焊接熔池表面流动行为[J]. 机械工程学报, 2018, 54(22): 55-62. LIU Jia, BAI Chenming, SHI Yan, LI Zhong, ZHANG Hong. Surface Flow Behavior of Laser-arc Hybrid Welding Pool of High Nitrogen Steel. Journal of Mechanical Engineering, 2018, 54(22): 55-62.

试验方法

试验采用由德国通快公司HL4006D型Nd:YAG固体激光器和日本松下公司YD-350AG2HGE全功能数字型MIG/MAG电焊机旁轴复合而成的焊接系统。试验材料为150 mm×50 mm×6.5 mm的高氮奥氏体不锈钢,焊接前经机械打磨并用丙酮擦拭,去除工件表面氧化层和油污。填充焊丝采用牌号HCr20Ni10Mn7Mo奥氏体不锈钢焊丝,直径为1.2 mm。试验采用型号为CMOS-CR5000×2的高速相机拍摄熔池流动特征,频率为4000 帧/s。焊接过程中,复合焊枪与高速相机位置相对固定。高氮钢被固定在数控工作台上,并随之运动。

在单独电弧和激光-电弧复合焊接试验中,为了将示踪粒子引入熔池,在距离焊缝中心1 mm处钻直径为1.5 mm,深度为2.0 mm的预留孔,孔间隔为25 mm,并在预留孔中填埋直径约为0.8 mm的ZrO2颗粒。单独激光焊接时,由于其熔池的尺寸远小于电弧焊和激光-电弧复合焊,钻孔填埋ZrO2颗粒的方法不再适合,故选用在工件表面涂刷ZrO2粉末的方法进行试验。MAG焊枪保护气体为5%CO2+95%Ar,气体流量为18 L/min,后置保护气体为Ar,气体流量为30 L/ min。

试验结果

(1)高氮钢单独激光焊接时,示踪粒子先由匙孔向四周运动,然后再由四周向匙孔方向运动;

(2)高氮钢单独电弧焊接时,当电弧等离子的体积膨胀到一定程度后,示踪粒子开始围绕着电弧作用区向熔池后方运动,并且运动速度时快时慢。在示踪粒子开始运动后,其运动速度随着远离电弧作用区而逐渐降低。而当熔滴从焊丝落入熔池后,示踪粒子又重新获得速度并沿熔池中轴线向熔池后方移动;

(3)激光电弧复合焊接时,焊接电流和电弧电压分别为200 A和26 V,激光功率为2.5 kW,光丝距为3 mm时,示踪粒子在绕过焊接匙孔后,出现了顺时针和逆时针偏转,并在两段运动之间存在较长时间的缓慢移动,该过程为典型的卡门涡街现象。在单独电弧焊接和激光-电弧复合焊接时,随着焊接电流和电弧电压的增加,高氮钢焊缝表面示踪粒子的移动距离均随之增加。由于激光热源的引入,复合焊接时熔池表面的移动距离发生了改变,当焊接电流小于220 A时,复合焊接时示踪粒子移动距离相比单独电弧焊接时长,而当焊接电流大于220 A时,则移动距离相比单独电弧焊接时短。

前景与应用

研究结果揭示了不同焊接工艺及其参数对高氮钢焊接熔池表面流动行为的影响规律,为高氮钢焊接工艺的选择提供了理论依据。

主创介绍

刘佳(通信作者),男,1983 年出生,博士,副教授,硕士研究生导师。主要研究方向为激光加工技术。研究方向为激光加工技术。科研信息如下:

1、核电核心换热器件激光焊接关键技术研究-2018.01~2020.12-吉林省科技发展计划项目(重点)-100万元-第1名-在研;

2、硬脆材料的激光精密成形机理与精确调控技术研究-2017.06~2020.12-科技部国家重点研发项目-99.13万元-第2名-在研;

3、铝合金超声辅助激光-MIG复合焊接机理研究-2017.01~2018.12-吉林省教育厅项目-3万-第1名-在研;

4、轨道客车用铝合金激光-电弧复合热源焊接技术研究-2014.01~2016.12-吉林省青年科研基金项目-5万元-第1名-已验收;

5、激光-电弧两脉冲热源复合焊的等离子体瞬态复合耦合机理研究-2014.01~2016.12-国家自然基金青年基金-26万元-第3名-已验收;

6、板式换热器激光精密密封焊接技术研究-2013.01~2015.12-吉林省“双十”成果转化合作项目-3万元-第1名-已验收;

7、板式换热器激光高效精密密封焊接技术研究-2012.01~2014.12-吉林省科技支撑项目-16万元-第2名-已鉴定。

团队带头人

张宏,中心主任/副校长,1968.1出生,工学博士,教授/博士生导师

1987年9月-1991年7月,长春光学精密机械学院机械制造工艺与设备专业学习,攻读学士学位;

1991年9月-1994年2月,长春光学精密机械学院机械制造专业学习,攻读硕士学位;

1994年3月-1997年4月,南京航空航天大学机械制造专业学习,攻读博士学位;

2002年10月-2004年9月,日本名古屋大学工学部做博士后研究工作;

近五年,主要围绕激光热处理、激光熔覆、激光焊接、激光-电弧复合焊接等开展了研究工作。作为技术首席(首席科学家),承担了国家973项目1项,作为项目组长承担了科技部、总装备部、国防科工局、吉林省、长春市等省部级以上科研项目15项。近五年科研项目总经费4037万元。获得国防科技进步二等奖1项。在机械工程学报、焊接学报等国内外学术期刊上发表论文43篇,其中SCI收录14篇、EI收录14篇。获得国家发明专利授权2项。2008年被评为教育部新世纪优秀人才,2013年被评为教育厅领军教授。

团队研究方向

激光表面改性与熔覆、激光焊接、激光加工系统的设计与研制方面。

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