激光焊接技术（共8篇）
海洋工程结构因常年在海上工作，其工作环境极为恶劣，除受到结构的工作载荷外，还要承受风暴、波浪、潮流引起的附加载荷以及海水腐蚀、砂流的磨蚀、地震或寒冷地区冰流的侵袭。此外，石油天然气的易燃易爆性对结构也存在威胁。而且海洋结构的主要部分在水下，服役后焊接接头的检查和修补很困难，费用也高，一旦发生重大结构损伤或倾覆事故，将造成生命财产的严重损失。所以对海洋工程结构的设计制造、材料选择以及焊接施工等都有严格的质量要求。而随着海洋石油和天然气工业的发展,海洋管道工程日益向深海挺进,我国作为一个发展中的沿海大国,国民经济要持续发展,就必须把海洋的开发和保护作为一项长期的战略任务。大量的海底管道施工工程对水下焊接技术提出了新的要求。
水下焊接由于水的存在，使焊接过程变得更加复杂，并且会出现各种各样陆地焊接所未遇到的问题，目前，世界各国正在应用和研究的水下焊接方法种类繁多，应用较成熟的是电弧焊。随着水下焊接技术的发展，除了常用的湿法水下焊接、局部干法水下焊接和干法水下焊接以外，又出现了一些新的水下焊接方法。但是，从各国海洋开发的前景来看，水下焊接的研究远远不能适应形势发展的需要。因此，加强这方面的研究，无论是对现在或将来，都将是一项非常有意义的工作。
湿法水下焊接
湿法焊接中，水下焊接的基本问题表现最为突出。因此采用这类方法难以得到质量好的焊接接头，尤其在重要的应用场合，湿法焊接的质量难以令人满意。但由于湿法水下焊接具有设备简单、成本低廉、操作灵活、适应性强等优点。所以，近年来各国对这种方法仍在继续进行研究，特别是涂药焊条和手工电弧焊，在今后一段时期还会得到进一步的应用。在焊条方面，比较先进的有英国Hydroweld公司发展的Hydroweld FS水下焊条，美国的专利水下焊条7018’S 焊条，以及德国Hanover大学基于渣气联合保护对熔滴过渡的影响和保护机理所开发的双层自保护药芯焊条。美国的Stephen Liu等人在焊条药皮中加入锰、钛、硼和稀土元素，改善了焊接过程中的焊接性能，细化了焊缝微观组织。水下焊条的发展促进了湿法水下焊接技术的应用。目前，在国、内外都有采用水下湿法焊条电弧焊技术进行水下焊接施工的范例。
药芯焊丝的出现和发展适应了焊接生产向高效率、低成本、高质量、自动化和智能化方向发展的趋势。英国TWI与乌克兰巴顿研究所成功开发了一套水下湿法药芯焊丝焊接的送丝结构、控制系统及其焊接工艺。华南理工大学机电工程系刘桑、钟继光等人开发了一种药芯焊丝微型排水罩水下焊接方法，从实用经济的角度出发,完全依靠焊接时自身所产生的气体以及水汽化产生的水蒸气排开水而形成一个稳定的局部无水区域,使得电弧能在其中稳定的燃烧。微型排水罩的尺寸和结构决定了焊接过程中无水区(局部排水区)的大小和稳定程度。除此之外，他们还通过复合滤光技术和水下CCD摄像系统，采集出了药芯焊丝水下焊接电弧区域图像，从而为水下湿法焊接电弧的机理分析及水下焊接过程控制奠定了基础。
钛合金这种结构材料, 以其优良的特性广泛的应用于石油化工行业。它的特点主要表现在小密度、高比强度、良好的塑韧性、良好的耐热性、良好的耐腐蚀性以及较好的可加工性等。适合于钛合金的焊接方法有许多种, 例如:钨极氩弧焊、熔化极气体保护焊、摩擦焊、电阻焊等等。其中, 钛合金焊接经常使用的焊接方法主要是钨极氩弧焊和熔化极气体保护焊这两种焊接方式。但是, 利用这种焊接方式在焊接的接头形成的晶粒比较的粗大, 而且具有较差的机械性能, 氩弧焊接头性能不能够满足使用要求。而且焊缝组织还经常需要进行焊后热处理, 导致了焊接效率的降低。然而, 随着激光技术的不断发展, 钛合金的焊接方法采用日益成熟的激光焊接技术受到了越来越多的重视。
1 钛合金焊接的特点以及激光焊接技术的简介
1.1 钛合金
钛合金具有很强的化学性, 温度越高, 其化学活性就越强, 而且, 在固体状态下, 还能吸收空气中的氢气、氧气和氮气等气体。而吸收了这些气体的纯钛, 在焊接时, 焊接的接头的强度被提高了, 但是其塑韧性却降低了。
钛具有很高的熔化温度、较大的热容量和电阻系数以及比铝或铁低的热导率。因这些特性, 钛的焊接熔池尺寸和温度都很大、很高, 由于热影响区金属在高温下的停留时间比较长, 所以, 使得焊接的接头处于过热的状态, 形成的晶粒就会变的又粗又大, 降低了接头的塑韧性。因此, 在焊接的时候, 要注意采用小电流、高焊速的焊接方式[1]。
1.2 钛合金焊接的特点
钛合金的焊接特性主要是有合金的成分以及微观结构这两个因素决定的。例如:α钛合金就具有很好的焊接性能, 接头的强度以及塑韧性都比较的理想。而β钛合金的焊接性能就比较差。但是, 在退火和固熔状态下的某些α+β钛合金也是可以焊接的, 在焊后还要进行时效的处理。稳定的α+β钛合金由于在焊缝和热影响区时发生了相的转变, 造成了其再焊接时容易脆化的现象。
钛合金的加热温度, 达到了α向β转变的临界温度时, 晶粒是以晶界突跳式位移的方式长大的。晶粒慢慢长大, 速度却逐渐变缓, 但是在温度继续升高的作用下, 晶粒长大的速度又会慢慢的加快。就一般情况来说, 钛合金在焊接时, 焊接的接头形成的晶粒都比较的大, 也显得很粗。钛合金焊接时晶粒的尺寸和晶粒内的结构, 受到加热温度的影响和在此温度下的停留时间, 以及近缝区的冷却速度的影响。焊接接头的强度和塑韧性, 随着晶粒的长大, 逐渐降低。由于, 钛的化学特性, 在一定的温度下, 钛合金在焊接时容易吸收空气中的氧气、氢气或氮气等气体, 当焊缝含有较高的氧气、氮气的含量时, 焊接的缝隙就会变得很脆弱[2]。如果焊接的应力过大, 就会出现裂纹的现象。
1.3 激光焊接技术的优势
激光焊接技术以其独特的优势, 受到了广泛的关注和应用。它的主要优势表现如下:
(1) 激光焊接的速度非常的快, 而且不存在焊接缝隙, 因而具有非常高的焊接质量。 (2) 焊接时, 由于聚焦后产生很高的功率密度, 因此, 焊接的深度也很大。 (3) 如果需要焊接的位置是很难接触的地方, 激光焊接可采取远距离焊接。 (4) 激光焊接技术也可以对一些微型的器件实施焊接。 (5) 对于像钛、石英这样的难熔材料, 采用激光焊接是非常方便的, 而且效果也非常的好。
2 钛合金激光焊接中的影响因素
2.1 氮、氢、氧对钛合金激光焊接过程的影响
钛这种材料与氧具有很强的亲和力, 具有活泼的化学特性。在常温状态下, 能够和氧产生反应, 形成一层氧化膜。由于氧化膜的保护, 钛在常温下, 稳定性非常的高, 并且具有很强的耐腐蚀性。但是, 钛合金在焊接时, 随着温度的逐渐升高, 与氧气、氢气等气体很容易的结合。温度越高, 钛合金吸收气体的能力就会也高。
在焊接的过程中, 如果不做任何的保护措施, 焊缝的金属就会吸收空中大量的氧气和氮气, 在非常高的浓度范围内, 与钛形成了间隙固熔体, 这些因素, 造成了金属的塑韧性下降, 而硬度却得到了提高。钛在焊接时, 也与氢气有很好的亲和性。焊接过程中, 钛与氢气发生化学反应, 形成了氢化钛, 造成了金属的含氢量的增加, 降低了金属的韧性。因此, 为了在焊接时获得良好接头性能的焊缝, 应该在焊接前采取最为严格的保护措施。
2.2 等离子体对钛合金激光焊接过程的影响
在不对等离子体施加任何控制时, 激光在入射时的能量被等离子体大量的吸收, 而只有一小部分的激光能量透过等离子体, 被激光材料吸收, 熔化钛合金材料。但是, 熔化的深度却不高。然而, 在对等离子体进行侧吹气体的方式控制等离子体时, 形成了全熔透的焊缝。因此, 在钛合金激光焊接的过程中, 要对等离子体加以适当的控制措施[3]。
2.3 焦点位置对钛合金激光焊接过程的影响
在激光的焊接过程中, 激光焊接的接头形成的外貌和质量, 主要是由激光功率、焊接的速度以及离焦量决定的。激光器决定了激光功率, 而工作台的速度决定了焊接的速度。焦点位置是在实施焊接之前就已经调节好的。在设计激光器喷嘴时, 要考虑怎样既快又准的调节离焦量[4], 透镜的焦距只要据顶了焦点的位置。目前, 实际购买的透镜的焦距与标准值存在一定的误差, 并且在使用的时候, 在激光束的热辐射长期的作用下, 镜片的基体材料的聚焦性能发生了很大的变化, 透镜的焦距也会随着发生变化。因此, 必须要控制高度方向, 在可调节的范围之内, 从而使其适应不同的焦距的镜片。
3 结束语
钛合金的优良特性, 使其在军事领域、航空领域得到了广泛的应用。随着科技的不断发展, 激光技术也得到了不断的进步, 基于激光焊接的优势, 钛合金激光焊接技术成为了未来发展的趋势。因此, 钛合金激光焊接技术的研究, 对于解决焊接过程中不利因素的影响, 以及更新焊接工艺具有重要的意义。通过研究钛合金激光焊接技术, 使其能够应用在实际的生产实践活动中去, 从而提高钛合金焊接的质量。
参考文献
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关键词： 激光扫描焊接技术； 焊接效率； 间隙适应性
Abstract： This paper introduces the basic principle and application of the laser scanning welding technology from three aspects： the welding efficiency， the gap adaptability and the welding performance. Compared with the ordinary welding technology， welding efficiency is improved several times， and good adaptability for the groove clearance is obtained using laser scanning welding technology， so the groove intermittent machining accuracy requirements reduced. At the same time， using laser scanning welding technology， the performance of weld seam is greatly improved： the weld strength and toughness is significantly improved， and pores is restrained and eliminated， crack length reduce by refining grain of seam.
Key words： laser scanning welding technology； welding efficiency； improving gap adaptability
0 前言
激光焊接虽然具有很多优点，例如高达109 W/cm2的能量密度、加热集中、焊缝深宽比大、变形和热损伤较小等[1]，但同时也存在一些问题，例如，由于光斑尺寸较小，对工件的坡口加工和装配精度要求较高；多点位置焊接时由于装夹定位时间较长，导致实际焊接效率下降；激光焊接某些气孔敏感性高的材料会造成高的气孔率；由于激光功率密度大，热作用区域较小，焊接区会造成很高的峰值温度和温度梯度，在该条件下，激光焊接的热过程与通常的热过程不相同，可能会造成晶粒粗化、增大裂纹倾向[2]。
激光扫描焊接技术是一种新型的激光焊接技术，它利用反射镜的偏转，来实现激光束的振荡，使具有一定功率密度的光斑能够聚焦到工件的不同位置，进而完成焊接过程。该技术最为突出的优点为：长焦距、大焊接范围和高度灵活的激光束[3]。
本文简要介绍了激光扫描焊接技术的原理，并且结合国内外的研究情况，介绍了激光扫描焊接技术在提高焊接效率和间隙适应性，优化焊缝组织、性能以及抑制焊接缺陷方面的应用。
1 激光扫描焊接技术原理
激光扫描焊接技术是近几年来根据激光打标的原理，研制开发的一种新型激光焊接方法。激光振荡系统由激光器和振荡枪头组成，而振荡头包括聚焦单元、振荡单元和控制单元[4]。
如图1a所示，激光振荡枪头的工作原理为：采用光机扫描的方式，通过机械装置带动反射光束的偏转，实现激光光束在工作范围内的移动。其机械部分是由X、Y两个方向的振镜电机组成的光束偏转器，每个光束偏转器上都有一个微小的反射镜片，通过计算机控制可以改变反射镜的角度，使激光光束在一定范围内快速移动，其后通过聚焦镜聚焦，而这两个镜子的不同偏转方式就可以在视场上扫出不同的图形[2， 4]。从图1中可以看出，激光振荡枪头的焊接区域为一个截断的金字塔形，X、Y的距离取决于偏转角度，而Z的大小由光学系统的焦距确定。图1b为激光振荡枪头和机器人的搭配，其中实现激光振荡的枪头是TRUMPF公司的可编程聚焦光学系统（PFO）[5]。
振镜为激光振荡枪头能够实现振荡的核心部件，图2为振镜的实物。振镜是一种优质的矢量扫描器件，它是一种特殊的摆动电机，其基本原理是通电线圈在磁场中产生力矩，但与旋转电机不同，其转子上通过机械扭簧或电子的方法加有复位力矩，大小与转子偏离平衡位置的角度成正比，当线圈通以一定的电流而转子发生偏转到一定的角度时，电磁力矩与回复力矩大小相等，故不能像普通电机一样旋转，只能够偏转，偏转角与电流成正比，与电流计一样，只是用镜片替代了指针，故振镜又叫电流计扫描器[2]。
2 在提高焊接效率方面的应用
普通激光焊接虽然具有很高的施焊速度，但是其装夹和定位精度要求高，耗时较长，因此降低了焊接效率。
由激光扫描焊接技术的原理可知，激光扫描焊接的一个主要优点是激光束可以通过两个反射振镜的偏转来实现偏移。由于反射振镜的偏转角度是由计算机控制的，所以实现激光束的任意角度偏转不需要机械结构辅助，响应速度快。而且由于激光振荡枪头在设计时，其聚焦镜的聚焦距离长，所以反射镜的小角度偏转就能够实现激光束在焊点之间的快速切换，其定位时间几乎为零。基于以上原因，激光扫描焊接多焊点工件时可以实现光束在焊点之间的快速切换，使得定位时间大大减小，进而缩短了焊接时间，进而提高了焊接效率[2-5]。
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国外已将该技术大量应用于汽车车身的多点焊接，如戴姆勒—奔驰、奥迪、大众[6]等都已采用该技术大批量生产制造车身和各种汽车零配件，如车门、车侧板、后货架、座椅等[3，7]，如图3所示。自2007年初，奥迪A4车门就采用了这套系统，可以实现每天四个制造单元生产 1 800扇车门[8]。图3d为奥迪Q5车门，共有47个焊缝，每个焊缝的长度为25～40 mm，采用TRUMPF公司的PFO 3D振荡焊接技术，整个门焊接时间只需不到30 s。而且国外已经将该技术应用到汽车行业中的0.6～1.5 mm厚的薄板焊接上，用该技术将两块1 mm厚薄板焊接在一起，有效焊接速度可达到100 mm/s[7]。
据统计，与传统的电阻点焊相比，激光扫描焊接系统能够降低30%的投资成本，减少50%的加工区域，缩短60%的加工时间。表1显示的是各种焊接方法所需的时间。通过比较可以发现，电阻焊的焊接时间最长，而激光扫描焊接可以大幅度节约时间，其焊接时间仅仅是电阻焊的1/6[3]。
在国内，激光扫描焊接因技术限制，目前大多采用小功率（300 W左右）固体激光器，通过小焦距（焦距为100～200 mm）的聚焦镜进行聚焦，焊接范围只能局限在100 mm×100 mm的范围内，且只能对平面工件进行多点焊接，焊接速度最快仅能达到20～30点/s。激光扫描焊接技术在国内主要应用于电池安全盖帽、手机面板及手机后盖的焊接，如图4所示。以电池盖帽为例，选用常规激光焊接电池盖帽，效率为1 100个/h，选用激光扫描焊接并配合专用的夹具，效率可达2 000～5 000个/h[7]。
3 在间隙适应性方面的应用
在实际生产加工过程中，由于设备和操作人员能力的限制，加工的坡口难免会存在一定的间隙。对于激光焊接而言，如果光斑尺寸足够大，能够覆盖间隙，并且与两侧母材有重叠，就能够提高间隙的容忍性，完成施焊过程。但是其光斑尺寸较小（光纤直径为0.6 mm时，0离焦的光斑面积为3.22 mm2），如果通过增大光纤尺寸或改变离焦量的方法，虽然能够相应地增大光斑尺寸，但是与此同时，也会牺牲激光功率，而且大功率激光器的价格昂贵，通过牺牲激光功率来换取大的光斑尺寸极不划算，况且在实际生产中，坡口间隙一般都较大，有时甚至会大于1 mm，如果采用增大光斑尺寸的办法，就会大幅度降低激光能量密度。
由激光扫描焊接技术的原理可知，激光束在反射镜的协同作用下能够实现摆动，在摆动过程中，光斑尺寸不会发生变化，因此激光束自身的能量不会有损失。但是由于激光束能够在一定的范围内摆动，就会使得激光作用区域的面积增大，能量分散，使得焊缝的熔深下降，但是能量的下降与增大光斑尺寸相比，要小很多。
在间隙焊缝施焊时，使激光束垂直于焊缝进行摆动，摆动的激光束能够将母材边缘上的材料熔化用来填补焊缝，因此在焊缝根部形成最佳状态的同时，仅有极小的焊缝凹陷。
通过实验和经验可知，在振荡参数和焊接速度相匹配的情况下，对接焊能够在2 mm的间隙上施焊，且能够保证正反面成形，焊缝凹陷小；角接接头能够在1.5 mm的间隙上施焊，并且保证双侧成形。而实际生产中，对接坡口间隙一般在2 mm以内，而角接坡口间隙也能控制在1.5 mm内。因此应用激光扫描焊接技术，可将激光焊的间隙适应性提高很多倍，使得激光焊能够适应实际生产的需要，而且不仅能够降低焊件的坡口加工精度要求，还能够降低坡口加工费用，降低生产周期。除此之外，振荡焊接技术能够在高频下使光束发生振荡，由于激光束的摆动频率很高，使得焊接过程更为精细，因此焊缝表面成形质量要优于常规激光焊。
4 在提高焊缝性能方面的应用
在常规弧焊的研究中发现，通过单个或多个磁极使弧柱发生电磁振荡，或利用机械方法摆动焊炬都可以实现电弧的振荡，而摆动的电弧不仅能够使焊缝的晶粒细化，提高焊缝的强度和延展性，而且还会提高抗结晶裂纹性能[9]，除此之外，由于熔池停留时间延长，还有利于气孔的逸出。如果激光束也能够像电弧一样发生摆动，是否也能够提高焊缝的性能？由于电弧的摆动主要是依靠机械摆动来实现的，所以摆动频率不高，约为几十赫兹。鉴于以上背景，在激光振荡枪头研制出来之前，由于激光束不能摆动，许多学者改进了夹持机构，使试板能够以一定频率、一定幅度摆动，以此来研究光束摆动对焊缝性能的影响情况。在激光振荡枪头研制出来后，一些学者利用激光振荡枪头进行研究，同样也得出了一些相似的结果。
4.1 对组织性能的影响
清华大学的包刚等学者，研究了光束摆动时对超细晶粒钢的焊缝组织性能的影响情况。通过研究发现，随着摆动频率的增加，冲击吸收能量和拉伸强度显著增加，在最优摆幅和频率下，摆动焊的焊缝强度与无摆动的焊缝相比，提高了39.5%，而韧性提高了8.74%，如图5所示。除此之外，他们还分析了两者的金相组织图[10，11]。
通过分析金相组织图，如图6所示，可以发现，无摆动的激光焊缝是由焊缝中心的等轴晶区，和焊缝两侧向中心生长的柱状晶组成；有摆动的激光焊缝中心仍为等轴晶区，但是原来的柱状晶区的生长方向被打乱，而且等轴晶区的宽度也增加。这是由于焊缝中晶粒的生长与热流方向密切相关，激光束摆动过程中，热源位置不断变化，从而影响焊接熔池中的温度分布，熔池中的温度梯度也随之变化。而热流与温度梯度密切相关。热源摆动过程中，等温线也同时变化，这导致熔池最大散热方向不断发生变化，由于柱状晶择优生长方向与最大散热方向相反，所以前一时刻择优生长的柱状晶，此时生长就可能受到抑制，从而打乱了晶粒的生长方向[10， 11]。
4.2 对焊接缺陷的影响
4.2.1 对气孔的影响
清华大学的赵琳、张旭东等人研究了摆动光束对低碳钢激光焊接气孔的影响。通过研究发现光束摆动激光焊接可以起到减少和消除气孔的作用；摆动频率越大，摆动幅度越大，对熔池的搅拌越大，越有利于气泡的逸出，气孔越少。图7和图8为激光摆动对氮气孔和氩气孔的抑制情况。这是由于激光束对焊缝的往复摆动，一方面使部分焊缝发生反复重熔，延长液态熔池的停留时间，同时，束流的偏转也增加了单位面积热输入，减小了焊缝的深宽比，有利于气泡的浮出，从而起到消除气孔的作用。另一方面激光束的摆动导致小孔随之摆动，又可以起到对焊接熔池提供一个搅拌力的作用，加大了焊接熔池的对流与搅拌，对消除气孔起到有利的作用[11-14]。
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4.2.1 对裂纹的影响
韩国学者Kwang-Deok Choi等人，研究了光束摆动时对5J32铝合金的焊缝组织性能的影响情况。通过研究发现，摆动频率和摆动幅度能够减小裂纹长度，如图9所示，在每个摆幅下，都存在一个或一段最佳频率范围，在这段频率范围内，裂纹长度为0，超过这个范围，裂纹增长[14]。
5 结论
（1）激光扫描焊接系统可以实现光束在焊点之间快速切换，使得定位时间大大减小，进而缩短了焊接时间，进而提高了焊接效率。
（2）将坡口间隙容忍性扩大，改变了常规激光焊对间隙的敏感性，对生产实际的意义重大。
（3）激光扫描焊接能够起到细化晶粒，显著提高焊缝强度和韧性的作用。
（4）激光扫描焊接能够起到抑制和消除气孔、减少裂纹长度的作用。
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收稿日期：2014-06-09
陈晓宇简介：1983年出生，硕士研究生，工程师；主要从事焊接及无损检测相关工作。
来源：奥华激光
激光焊接的主要影响因素
激光功率：通常用于焊接的激光功率等级为3kW ； 输出形式：连续、脉冲、波形控制；
焊接速度：激光焊接的经济性要求焊接速度较高（2m/min）； 材料特性：材料对激光的吸收率、表面状态等；
保护气体种类和形式：主要考虑对焊缝区的保护、等离子体产生的阈值高； 离焦量：影响激光焊接熔深的主要参数； 接头形式：对接、搭接、角接等；
工件间隙：一般不允许有间隙（0.1mm）；
学时：48 学分：3
一、课程的地位与任务
“激光焊接工艺实践”课属于光机电应用技术教学资源库核心课程体系之一的激光加工技术类。光机电应用技术教学资源库建设规划的五门课程体系分别是激光原理及技术、激光设备机械设计基础、激光设备机电控制技术及应用、激光加工技术和激光3D打印技术。“激光焊接工艺实践”是一门实训为主的专业主干课程，主要介绍不同激光焊接参数对常用金属材料焊接质量的影响和不同类型激光焊接设备在材料焊接领域的应用。
激光焊接工艺实践为面向光机电类专业学生开设的一门专业必修的基础实训类课程，课程设置为48学时，合计3学分。学习本课程之前，学生应完成激光加工技术和工程材料基础等预备性课程的学习。目标是使学生掌握不同激光焊接参数对常用金属材料焊接的影响规律和不同类型激光设备在材料焊接方面的选择应用，培养学生分析、解决生产实际问题的能力，为将来从事激光焊接设备操作打下基础，从而使其在掌握专业知识的基础上获得所需要的职业技能。
二、课程的基本内容
第一章 激光焊接设备的种类及应用
通用激光焊接设备的构成
CO2激光焊接设备介绍 YAG激光焊接设备介绍 DISK激光焊接设备介绍 半导体激光焊接设备介绍 光纤激光焊接设备介绍 激光扫描振镜的应用
准连续光纤激光器在焊接上的应用
通快激光焊接工作站
美国PRC激光焊接设备的特点
PRC激光器的维护 激光焊接设备的选用
第二章 激光焊接参数及其影响
激光焊接工艺特点介绍 激光焊接工艺参数介绍 激光功率对焊接的影响
焊接速度对激光焊接的影响 离焦量对激光焊接的影响 保护气体对激光焊接的影响 等离子体对激光焊接的影响 激光焊接光束焦点的常用测定方法 高功率激光焊接的离焦量恒定问题
材料吸收率对激光焊接的影响 离焦量对激光焊缝成形的影响
焊接速度对600MPaTRIP钢焊缝成形的影响 焊接速度对600MPaDP钢焊缝成形的影响 焊接速度对1000MPaTRIP钢焊缝成形的影响
激光焊接熔池的动态观察 激光功率对焊接熔池动态的影响
激光焊接的脉冲波形 激光焊接的脉冲频率
焊接速度对奥氏体不锈钢激光焊接的影响
功率对奥氏体不锈钢激光焊接的影响
激光焊接参数对接头强度的影响
焊接速度对1.2mm厚1200MPaTRIP钢接头性能的影响
激光焊接速度对1000MPaTRIP钢接头性能的影响
激光焊接速度对1000MPaTRIP钢接头性能的影响（He保护）
激光焊接速度对800MPaTRIP钢焊缝成型的影响
1mm不锈钢薄板的YAG激光焊接 1.2mm不锈钢薄板的YAG激光焊接 2mm厚低碳钢板的CO2激光焊接 3mm厚低碳钢板的CO2激光焊接 4mm厚低碳钢板的CO2激光焊接
第三章 激光焊接设备操作及维护
YAG脉冲激光焊接设备操作方法 DISC激光焊接系统操作规程
Rofin二氧化碳激光焊接系统操作规程
光纤激光焊接系统操作规程 YAG激光焊接设备的维护 DISC激光焊接设备的维护 光纤激光焊接设备的维护 二氧化碳激光焊接设备的维护 半导体激光焊接设备的维护 IPG激光焊接设备的运行模式 IPG激光焊接设备的操作步骤 IPG激光焊接设备的非手动操作模式
通快碟片激光器的操作 通快碟片系列激光器的接口
通快碟片激光器的操作程序TruControl 1000
-2-第四章 激光焊接实例
第五章 激光复合焊接技术
塑料的激光焊接 三光点激光钎焊工艺
德国LIMO公司塑料激光焊接机
激光半熔透焊接工艺介绍
激光拼焊板工艺介绍
激光熔焊在乘用车白车身上的应用 激光钎焊在乘用车白车身上的应用
传动齿轮的激光焊接 传感器的激光焊接
应用激光焊接金刚石锯片实例
动力电池的激光焊接 纳秒脉冲激光器的焊接应用 光纤激光器在白车身焊接中的应用 激光自体钎焊在医疗器械上的应用
1mm厚低碳钢薄板的激光焊接 800MPaTRIP钢的激光焊接
激光焊接与电阻点焊在白车生上应用对比
SUS304L不锈钢的激光焊接
薄壁件的激光脉冲焊接
激光填丝焊接
激光脉冲焊接传感器实例 上海宝钢阿赛洛激光拼焊板介绍 汽车座椅转角器的激光焊接实例
激光电焊的特点
激光点焊在白车身上应用
铝合金的激光焊接 长春三友激光拼焊板介绍 汽车刹车盘的激光焊接实例
阀门的激光焊接 黄铜阀门的激光焊接 钢铝异种材料的激光焊接 钛合金板材的激光焊接
奥氏体不锈钢波纹板的激光焊接
600MPaTRIP钢的激光焊接 600MPaDP钢的激光焊接 1000MPaTRIP钢的激光焊接
采用He保护的1000MPaTRIP钢的激光焊接
600MPaPH钢的激光焊接
采用He保护的600MPaPH钢的激光焊接
华菱安赛乐米塔尔激光拼焊板介绍
激光电弧复合焊技术介绍 激光MIG复合焊接应用 激光MIG复合焊接系统介绍
激光等离子复合焊介绍 激光电弧复合焊应用对比
激光-TIG复合焊介绍
激光电弧复合焊接接头化学成分均匀性的影响因素
第六章 能量负反馈激光焊接工艺第七章 激光焊接缺陷及检验
第八章 激光焊接操作安全与防护激光自体复合焊介绍 激光单热源焊接特点介绍 激光复合热源焊接特点介绍
激光-TIG复合焊介绍
能量反馈式激光焊接原理 激光焊接能量负反馈设备介绍
激光拼焊板常见缺陷分析
激光焊接接头的形式 激光焊接接头坡口形核 激光焊接的焊缝介绍 激光焊缝中的气孔缺陷 激光焊接中的冷裂纹缺陷 激光焊接中的热裂纹缺陷 激光焊缝缺陷的外观检验 激光焊接接头的密封性检验 激光焊接接头的金相检验 激光焊接接头的耐压检验 激光焊缝缺陷的RT检测 激光焊缝缺陷的UT检测 激光焊缝缺陷的MT检测 激光焊缝缺陷的PT检测 激光焊缝缺陷的ET检测
激光焊接接头的耐腐蚀性能检验
激光焊接接头的质量评定 轿车白车身激光焊接质量的检验 激光焊接奥氏体不锈钢薄板接头的缺陷
激光焊接设备操作常用工程防护措施介绍 激光焊接设备操作常用个人防护措施介绍
激光焊接设备操作安全培训介绍 激光焊接设备操作医学监督措施介绍
气体激光焊接设备维护介绍 半导体激光焊接设备维护介绍 DISK激光焊接设备维护介绍 YAG激光焊接设备维护介绍
光纤激光焊接设备维护介绍
激光辐射的危害
激光焊接设备使用的安全防护 现代封闭式激光焊接工作站介绍 高功率激光焊接设备使用注意事项 高功率光纤激光器维护与故障处置
光纤激光器光纤的清洁处理 罗芬板条系列激光器使用须知 通快系列激光器的安全配置 通快碟片激光器运行中断应对措施
通快碟片系列激光器的标牌 激光焊接设备的分级（国际标准）激光焊接设备的分级（国家标准）
三、课程的基本要求
1．本课程在注重学生基础理论知识理解的同时，要求更侧重对学生实践动手能力的培养；
2．采取理论教学和实践观摩教学相结合的方式以增强课程学习的直观性和针对性；
四、课程的实践环节安排
根据系里实验室设备情况，安排实践观摩教学。
五、推荐教材和主要参考书
推荐教材：
《激光加工工艺与设备》，郑启光，邵丹 主编，机械工业出版社，2010； 推荐参考书：
1.《激光焊接/切割/熔覆及时》李亚江 主编，化学工业出版社，2012； 2.《材料激光工艺过程》 威廉.M.斯顿 主编 机械工业出版社，2012。
六、面向对象
光机电一体化专业高职院校学生
七、考核方式及标准
学生学习考核标准请参见本课程资源“考核方案”
3焊接制造3.1常见焊接方法工艺要求3.1.1 焊条电弧焊工艺要求（定位焊）[12] [16]目前常用此种焊接方法进行定位焊，以下是定位焊接的要求：
（1） 焊条定位焊用的焊条应和正式焊接用的相同，焊前同样进行再烘干。不许使用费条或不知型号的焊条。（2） 位置双面焊且背面须清根的焊缝，定位焊缝最好布置在背面；形状对称的构件，定位焊缝也应对称布置；有交叉焊缝的地方不设定位焊缝，至少离开交叉点50mm；定位焊缝应距设计焊缝端部30mm以上。（3） 焊缝尺寸定位焊的尺寸视结构的刚性大小而定，原则是：在满足转配强度要求的前提下，尽可能小一些。从减小变形和填充金属考虑，可缩小定位焊的间距。TB10212-1998《铁路钢桥制造规范》规定，定位焊接的长度为50～100mm，焊脚尺寸不得大于设计焊脚尺寸的1/2。埋弧焊的定位焊尺寸和位置：板厚小于25mm时，定位焊缝长50～70mm，间距300～500mm；板厚大于25mm时，定位焊缝长70～100mm，间距200～300mm。（4） 工艺施焊条件应和正式焊缝的焊接相同，由于焊道短，冷却快，焊接电流应比正常焊接的电流大15％～20％。对于刚度大或有淬火倾向的焊件，应适当预热，以防止焊缝开裂；收弧时注意填满弧坑，防止该处开裂。在允许的条件下，可选用塑性和抗裂性较好而强度略低的焊条进行定位焊接。对于开裂的定位焊缝，必须先查明原因，然后再清除开裂的焊缝，在保证杆件尺寸正确的条件下补充定位焊。3.1.2 埋弧焊工艺要求[12] [5] [16] （1）打底焊道熔深大师自动埋弧焊的基本特点，焊接有坡口的对接接头时，为保证能焊透但不至于烧穿， 在接头根部焊接第一道焊缝，称为打底焊道。焊接方法可以是焊条电弧焊或二氧化碳气体保护焊。使用的焊条或填充焊丝必须使其焊缝金属具有相似于埋弧焊焊缝金属的化学成分和性能。打底焊道尺寸必须足够大，以承受住施工过程中所施加的任何载荷。焊完打底焊道之后，须打磨或刨削接头根部，以保证在无缺陷的清洁金属上熔敷第一道正面埋弧焊缝。如果打底焊道的质量符合要求，则可保留作为整个接头的一部分。焊接质量要求高时，可在埋弧焊缝完成之后用碳弧气刨或机械加工方法将此打底焊道除掉。然后再焊上永久性的埋弧焊缝。（2）其它要求1）采用埋弧焊焊接的焊缝，应在焊缝的端部连接引弧、熄弧板（引板）；引板的材质、厚度和坡口应与所焊件相同。引板长度不小于80mm；2）埋弧自动焊缝焊接过程中不应断弧，如有断弧则必须将停弧处刨成1：5斜坡，并搭接50mm再引弧施焊，焊后搭接处应修磨均匀。3.1.3 二氧化碳气体保护焊工艺要求[12] [16]（1）CO2气体纯度应不大于99.5，气体流量：细丝（小于1.6mm）短路过渡焊接时一般5～15L/min，粗丝（大于1.6mm）焊接时在10～20L/min。如果焊接电流较大，焊接速度较快，焊丝伸出长度较长或在室外作业，气体流量应适当加大。（2）如有要求可采用药芯焊丝焊接，具体工艺见相关标准。3.1.4 栓钉（螺柱）焊要求[12] [16] （1）栓钉和保护瓷环规格符合现行国家标准。（2）栓钉焊端和母材表面应具有清洁的表面，无漆层、轧鳞和油水污垢等。但允许有少量锈迹。（3）质量控制。投产前应对所选的焊接工艺进行评定，通常是与生产相同的条件下对焊成接头作破坏性试验。如弯曲等。3.1.5 焊缝磨修和返修焊要求[16] 1．杆件焊接后，两端的引板或产品试板必须用气割切掉，并磨平切口，不得损伤杆件；2．垂直应力方向的对接焊缝必须除去余高，并顺应力方向磨平；3．焊脚尺寸、焊坡或余高等超出规定的上限值的焊缝及小于1mm且超差的咬边必须修磨匀顺；3焊接制造3.1常见焊接方法工艺要求3.1.1 焊条电弧焊工艺要求（定位焊）[12] [16]目前常用此种焊接方法进行定位焊。以下是定位焊接的要求：（1） 焊条定位焊用的焊条应和正式焊接用的相同，焊前同样进行再烘干。不许使用费条或不知型号的焊条。（2） 位置双面焊且背面须清根的焊缝，定位焊缝最好布置在背面；形状对称的构件，定位焊缝也应对称布置；有交叉焊缝的地方不设定位焊缝，至少离开交叉点50mm；定位焊缝应距设计焊缝端部30mm以上。（3） 焊缝尺寸定位焊的尺寸视结构的刚性大小而定，原则是：在满足转配强度要求的前提下，尽可能小一些。从减小变形和填充金属考虑，可缩小定位焊的间距。TB10212-1998《铁路钢桥制造规范》规定，定位焊接的长度为50～100mm，焊脚尺寸不得大于设计焊脚尺寸的1/2。埋弧焊的定位焊尺寸和位置：板厚小于25mm时，定位焊缝长50～70mm，间距300～500mm；板厚大于25mm时，定位焊缝长70～100mm，间距200～300mm。（4） 工艺施焊条件应和正式焊缝的焊接相同，由于焊道短，冷却快，焊接电流应比正常焊接的电流大15％～20％。对于刚度大或有淬火倾向的焊件，应适当预热，以防止焊缝开裂；收弧时注意填满弧坑，防止该处开裂。在允许的条件下，可选用塑性和抗裂性较好而强度略低的焊条进行定位焊接。对于开裂的定位焊缝，必须先查明原因，然后再清除开裂的焊缝，在保证杆件尺寸正确的条件下补充定位焊。3.1.2 埋弧焊工艺要求[12] [5] [16] （1）打底焊道熔深大师自动埋弧焊的基本特点，焊接有坡口的对接接头时，为保证能焊透但不至于烧穿， 在接头根部焊接第一道焊缝，称为打底焊道。焊接方法可以是焊条电弧焊或二氧化碳气体保护焊。使用的焊条或填充焊丝必须使其焊缝金属具有相似于埋弧焊焊缝金属的化学成分和性能。打底焊道尺寸必须足够大，以承受住施工过程中所施加的任何载荷。焊完打底焊道之后，须打磨或刨削接头根部，以保证在无缺陷的清洁金属上熔敷第一道正面埋弧焊缝。如果打底焊道的质量符合要求，则可保留作为整个接头的一部分。焊接质量要求高时，可在埋弧焊缝完成之后用碳弧气刨或机械加工方法将此打底焊道除掉。然后再焊上永久性的埋弧焊缝。（2）其它要求1）采用埋弧焊焊接的焊缝，应在焊缝的端部连接引弧、熄弧板（引板）；引板的材质、厚度和坡口应与所焊件相同。引板长度不小于80mm；2）埋弧自动焊缝焊接过程中不应断弧，如有断弧则必须将停弧处刨成1：5斜坡，并搭接50mm再引弧施焊，焊后搭接处应修磨均匀。3.1.3 二氧化碳气体保护焊工艺要求[12] [16]（1）CO2气体纯度应不大于99.5，气体流量：细丝（小于1.6mm）短路过渡焊接时一般5～15L/min，粗丝（大于1.6mm）焊接时在10～20L/min，如果焊接电流较大，焊接速度较快，焊丝伸出长度较长或在室外作业，气体流量应适当加大。（2）如有要求可采用药芯焊丝焊接，具体工艺见相关标准。3.1.4 栓钉（螺柱）焊要求[12] [16] （1）栓钉和保护瓷环规格符合现行国家标准。（2）栓钉焊端和母材表面应具有清洁的表面，无漆层、轧鳞和油水污垢等。但允许有少量锈迹。（3）质量控制。投产前应对所选的焊接工艺进行评定，通常是与生产相同的条件下对焊成接头作破坏性试验。如弯曲等。3.1.5 焊缝磨修和返修焊要求[16] 1．杆件焊接后，两端的引板或产品试板必须用气割切掉，并磨平切口，不得损伤杆件；2．垂直应力方向的对接焊缝必须除去余高，并顺应力方向磨平；3．焊脚尺寸、焊坡或余高等超出规定的上限值的焊缝及小于1mm且超差的咬边必须修磨匀顺；4．焊缝咬边超过1mm或焊脚尺寸不足时，可采用手弧焊进行返修焊；5．应采用碳弧气刨或其他机械方法清除焊接缺陷，在清除缺陷时应刨出利于返修焊的坡口，并用砂轮磨掉坡口表面的氧化皮，露出金属光泽；6．焊接裂纹的清除长度应由裂纹端各外延50mm；7．用埋弧焊返修焊缝时，必须将焊缝清除部位的两端刨成1：5的斜坡；8．翻修焊缝应按原焊缝质量要求检验；同一部位的返修焊不宜超过两次。3.1.6 其它要求[16] 1．焊工和无损检测人员必须通过考试并取得资格证书，且只能从事资格证书中认定范围内的工作。2．焊接工艺必须根据焊接工艺评定报告编制，施焊时应严格执行焊接工艺，焊接工艺评定应符合相关标准。3．焊接工艺宜在室内进行，环境湿度应小于80%；焊接低合金钢的环境温度不低于5℃，焊接普通碳素钢不应低于0℃；主要杆件应在组装后24h 内焊接。4．焊接前必须彻底清除等焊区域内的有害物，焊接时严禁在母材的非焊接部位引弧，焊接后应清理焊缝表面的熔渣及两侧的飞溅。5．焊接材料应通过焊接工艺评定确定；焊剂、焊条必须按产品说明书烘干使用；焊剂中的脏物，焊丝上的油锈等必须清除干净；CO2气体的纯度应大于99.5%。6．焊前预热温度应通过焊接性试验和焊接工艺评定确定；预热范围一般为焊缝每侧100mm以上，距焊缝30~50mm范围内测温。7．采用埋弧焊、CO2气体(混合气体)保护焊及低氢型焊条手工焊方法焊接的接头，组装前必须彻底清除待焊区域的铁锈、氧化铁皮、油污、水分等有害物，使其表面显露出金属光泽。清除范围应符合图3-1-1的规定。图3-1-1组装前的清除范围3.2 焊接工艺评定[16] [17] [18]具体可参照GBT19866-2005《焊接工艺规程及评定的一般原则》、TB10212-1998《铁路钢桥制造规范》附录C和 DL/T868-2004《电力行业焊接评定规程》。3.3 焊接残余应力与变形的控制[5] [12] [13]3.3.1控制焊接残余应力的工艺措施（1）采用合理的焊接顺序和方向1） 先焊接收缩量较大的焊缝，使焊缝能较自由的收缩。2） 焊缝交叉时，先焊错开的短焊缝，后焊直通长焊缝，使焊缝有较大的横向收缩余地。3） 先焊在工作时受力较大的焊缝，使内应力合理分布。（2）降低焊缝的拘束度在焊接镶块的封闭焊缝或其它拘束度大的焊缝时，可采用反变形法降低焊件的局部刚度，从而减小焊缝的拘束度 。（3）锤击焊缝可用头部带小圆弧的工具锤击焊缝，使焊缝得到延展，降低内应力，锤击应保持均匀适度，避免锤击过分，以防止产生裂缝。一般不锤击第一层和表面层。（4）局部加热造成反变形（加热减应区法）在焊接结构的适当部位加热使之伸长，加热区的伸长带动焊接部位，使它产生一个与焊缝收缩方向相反的变形。在加热区冷却收缩时，焊缝就可能比较自由地收缩，从而减少内应力。（5）采用线能量小的工艺措施和焊接方法，或强制冷却措施。（6）预拉伸补偿焊缝收缩（机械拉伸或加热拉伸）。3.3.2 焊后降低或消除残余应力的方法 有用机械力或冲击能的办法和热处理方法。具体工艺措施略。3.3.3控制焊接变形的工艺措施（1）反措施当构件刚度过大(如大型箱形梁等),采用上述强制反变形有困难时，可以先将梁的腹板在下料拼板时作成上挠的，然后再进行装配焊接（如桥式起重机箱形大梁）。在薄板上焊接骨架时，对薄板采用加热（SH法）、机械预拉伸（SS法）、或者两者同时使用(SSH法）使其伸长，然后再薄板上装配焊接骨架，薄板预拉伸和加热后再冷却所产生的拉应力可以有效地降低焊接应力防止失稳波浪变形。在薄板对接时也可采用在焊缝两侧一定距离处适当宽度上加热，使焊缝得到拉伸，从而减少压缩塑性变形，降低残余内应力，而消除波浪变形，此法即为低应力无变形法（LSND法）。（2）刚性固定法对防止弯曲变形的效果远不如反变形法。但对角变形和波浪变形较有效。例如法兰面的角变形。焊接薄板时为防止波浪变形，在焊缝两侧紧压固定，加压位置应尽量接近焊缝并保持压力均匀。为此，可采用带一定挠度的压块或者采用琴键式的多点压块。（3）选用合理的焊接方法和规范选用能量比较集中的焊接方法，如CO2保护焊、等离子弧焊代替气焊和手工电弧焊进行薄板焊接可减少变形量。焊缝不对称的焊件，可通过选用适当的焊接工艺参数，在没有反变形或夹具的条件下，控制弯曲变形。在焊缝两侧采用直接水冷或水冷铜块散热，可限制和缩小焊接热场，减少变形。但对有淬火倾向的钢材应慎用。（4）选择合理的装配焊接次序把结构适当地分成部件，分别装配焊接，然后再拼焊成整体。使不对称的焊缝或收缩量较大的焊缝能自由地收缩而不影响整体结构。按照这个原则生产复杂的大型焊接结构既有利于控制焊接变形，又能扩大作业面，缩短生产周期。3.3.4矫正焊接残余变形的方法(1) 机械矫正法利用外力使构件产生与焊接变形方向相反的塑性变形，使两者互相抵消。(2) 火焰矫正法本法是利用火焰局部加热时产生压缩塑性变形，使较长的金属在冷却后收缩，来达到矫正变形的目的。(3) 强电磁脉冲矫正法（电磁锤法）其基本原理与电磁成形相同，不过反其道而行之，可以利用它来矫正变形。随着汽车节能环保要求日趋严格,汽车轻量化越来越受到人们的广泛关注。当前,多材料分体组合制造已成为汽车轻量化主要制造技术方向之一。采用激光焊接不但可实现传统不易焊接材料间的连接,还为汽车零部件组合以及结构轻量化找到一种新的可行途径。
传统的制动凸轮轴为实心轴,若采用钢管结构代替实心轴,既可以减轻质量,又可以节约材料、降低成本,符合汽车制造技术的发展方向。钢管结构制造制动凸轮轴无法一次性成形,必须采用分段制造,然后焊接成为整体。制动凸轮轴的材料为45#钢、40Cr钢,属于中碳钢。由于含碳量较高,采用传统的焊接工艺在焊缝中很容易产生裂纹。激光焊接具有热影响区窄、焊接变形小、焊缝缺陷少、自动化程度高的优点,同时各种激光复合焊接技术极大地拓展了材料的可焊范围,从而为汽车轻量化提供了有力支撑。通过对空心组合式制动凸轮轴进行激光焊接技术研究,包括焊缝质量检测与分析、性能测试等,并与现生产工艺相结合,实现了组合式制动凸轮轴的激光-感应复合焊接技术开发。
2 试验材料、设备及方法
2.1 试验材料
试验材料为45#钢、40Cr钢,其材料成分组成如表1所示。
wt%
2.2 试验设备
2.2.1 激光焊接设备
激光焊接设备采用CO2激光加工机(图1),该设备主要由150~200 mm焦距激光焊接头、二维数控激光焊接机床以及自行研制焊接夹具组成。其中,焊接头聚焦镜全部采用反射式非球面水冷镀金镜,CO2激光器的最大输出功率为6 k W,感应加热设备的输入功率为100 k W。
2.2.2 检测分析设备
焊接试验后,采用Olympus低倍以及PMG3型高倍显微镜对焊缝表面形貌及截面组织进行分析,采用VH-5型显微硬度计对焊缝各部分的硬度进行测量;采用静扭试验机以及德国Zwick/Roell Z100型电子万能拉力机对激光焊接试样的扭转强度以及抗拉强度进行测量。
2.3 试验方法
试验用制动凸轮轴示意见图2a,左侧端部为制动凸轮,右侧端部为花键轴,中间部分为实心轴,样件长度为350~550 mm。在本次试验中,外径为35、38、40、43 mm的45#钢以及40Cr空心钢管将被用来代替中间部分实心轴以制造空心制动凸轮轴,上述4种不同外径的空心钢管均有3种不同壁厚,分别为4、5、6 mm。
在试验过程中,图2a所示的制动凸轮轴的中间实心轴部分将会被切断取出,并采用相同材质钢管代替,并与两侧的制动凸轮和花键轴通过激光焊接连成一体(图2b),以实现轻量化组合式制动凸轮轴激光焊接研制开发。激光焊接方式采用单一激光焊接和激光-感应复合焊接两种,焊口接头形式采用对接接头。
3 结果与讨论
3.1 激光焊接试验
制动凸轮轴单一激光焊接和激光-感应复合焊接装置如图3所示,两套装置之间的最大区别在于后者含有一套感应加热装置。
采用上述两种焊接方法获得的制动凸轮轴样件如图4所示,其相应的焊缝金相照片如图5所示。
从样件焊缝表面看,无论单一激光焊还是激光-感应复合焊接,样件焊缝表面状态皆良好。但从相应组合式制动凸轮轴焊缝上截取焊缝样品,经砂纸打磨、抛光以及腐蚀液腐蚀后在显微镜下进行观察,发现单一激光焊接组合式制动凸轮轴焊缝横截面上存在明显的由上至下的贯通裂纹(图5a),而激光-感应复合焊接焊缝则完好(图5b),在其焊缝横截面上未发现任何气孔、裂纹等缺陷,焊缝质量较好。
45#钢和40Cr钢单一激光焊接接头不同区域处的组织如图6所示。众所周知,对于焊接接头而言,熔合区和热影响区往往是焊缝力学性能最差的区域,其产生原因主要与该区域的组织有关。由于焊接热输入量小,熔池冷却速度快,激光焊接焊缝熔合区很容易形成淬硬组织,如图6c所示,在焊缝熔合区形成了大量的板条状马氏体;对于40Cr钢一侧热影响区,如图6b所示,其组织主要为珠光体、贝氏体以及马氏体;而对于45#钢一侧热影响区而言,其组织主要为马氏体,见图6d;对于45#钢以及40Cr钢母材而言,其基体组织均为珠光体和铁素体,如图6a和图6e所示。
图7所示为45#钢和40Cr钢激光-感应复合焊接接头不同区域处的焊缝组织。如图7b所示,在焊缝熔合区形成了均匀的屈氏体组织,意味着该处拥有良好的机械性能;对于40Cr钢母材侧热影响区而言,如图7a所示,形成了大量羽毛状的类贝氏体组织;另外,在该区域处还存在大块的铁素体相,其产生与感应加热以及焊接过程中该区域拥有一个比较大的热输入有关。对于45#钢一侧热影响区而言,其组织主要为珠光体和铁素体。对于40Cr钢而言,Cr元素的加入使得CCT曲线右移,扩大了贝氏体的形成区域,因此相比于45#钢母材侧热影响区,40Cr钢母材侧热影响区有贝氏体形成。
图8所示为激光-感应复合接焊和单一激光焊接试样焊缝显微硬度的横向分布曲线。对于激光-感应复合焊接而言,40Cr钢母材侧热影响区有类贝氏体组织生成,因而硬度值较高,最大硬度值约450 HV1,随着测量点远离焊缝中心,焊缝硬度曲线呈缓慢下降趋势;45#钢一侧热影响区组织为珠光体和铁素体,因而硬度值相对偏低,其变化范围为250~300 HV1,仅略高于母材基体硬度(约250 HV1),焊缝区域硬度在300 HV1附近。对于单一激光焊接而言,由前面的组织分析可知,其在焊缝以及45#钢母材侧热影响区域处的主要组织均为马氏体,因而其硬度值远高于两侧母材金属,高达700~800 HV1;在40Cr钢母材侧热影响区除了形成马氏体外,还形成了贝氏体和珠光体,因而该区域处的硬度较焊缝处硬度偏低一些,硬度值约为400~600 HV1。
综上可见,无论是45#钢还是40Cr钢,如采用单一激光焊接,由于熔池冷却速度快,焊缝区和热影响区很容易形成淬火组织,焊缝处的冷裂敏感性比较高,很容易产生冷裂纹;而采用激光-感应复合焊接,熔池冷却速度减慢,焊缝区和热影响区形成硬度较低的屈氏体和珠光体,焊缝淬硬倾向大大改善,有利于消除冷裂纹。
3.2 性能检测
3.2.1 静扭试验
组合式制动凸轮轴静扭试验测量结果如表2所示。试验结果表明,采用激光-复合焊接方法获得的组合式制动凸轮轴在设计载荷(2.3 k N·m)的作用下不发生断裂,如图9a所示,其最大承受扭矩值可达5.44 k N·m;但是对于单一激光焊接方法获得的制动凸轮轴,并不是所有样件皆满足设计要求,其断裂位置发生在焊接接头区域处,见图9b,其相应的断裂载荷为2.96 k N·m。
3.2.2 静扭刚度试验
表3所示为激光-感应复合焊接组合式制动凸轮轴与现生产实心制动凸轮轴扭转刚度试验对比结果。由表中数据可以看出,在2.3 k N·m设计载荷作用下,激光-感应复合焊接组合式制动凸轮轴的扭转角分别为为4.3°、4.4°、4.4°,而实心制动凸轮轴的扭转角为4.0°,测量结果比较接近,可满足设计要求。
3.2.3 制造可行性试验
中碳钢激光-感应复合焊接组合式制动凸轮轴制造技术开发与现生产工艺流程紧密结合,其加工流程如图10所示。目前,已在现有生产线上试制完成多批次凸轮轴样件,加工精度满足设计要求。与原结构相比,激光-感应焊接组合式制动凸轮轴可实现单车降重8.6 kg,单车降成本17.76元。
经打标、检验以及机械加工完成后的组合式制动凸轮轴成品件,如图11所示。
4 结论
a.完成组合式制动凸轮轴制造技术开发,包括中碳钢激光-感应复合焊接技术研究、焊接夹具设计与制造、制动凸轮轴生产工艺流程制定以及轻量化制动凸轮轴性能测试等。
b.采用激光-感应复合焊接技术,成功实现45#钢以及40Cr钢易淬硬材料无裂纹焊接。焊后制动凸轮轴扭转试验结果表明,焊缝在设计载荷条件下未发生断裂。
c.组合式制动凸轮轴制造技术开发与现生产工艺流程紧密结合,已在现有生产线试制完成多批次凸轮轴样件,加工精度满足设计要求。
d.激光-感应复合焊接得到的焊缝组织主要为屈氏体和铁素体,硬脆组织较少,不易形成焊接裂纹。单一焊缝中存在大量的马氏体组织,与激光复合焊接相比焊缝硬度明显偏高,极易产生冷裂纹。
e.与原结构相比,激光焊接组合式制动凸轮轴可实现单车降重8.6 kg,单车降成本17.76元。
参考文献
[1]Botkin M E.Structural Optimization of Automotive Body Components Based on parametric Solid Modeling[J].Engineering with Computers,2002,18(2):109-115.
【关键词】铝合金；激光焊接；机械性能
1、引言
在5000系列铝合金中，主要合金元素是镁，是铝的最有效和广泛使用的添加剂之一。镁的含量高达约5%，这也提高了铝合金元素的可焊合金的性能，锰可与镁合成以增加合金的强度。因此，如果设计制造一种具有尽可能高的制造焊接强度和延展性的熔焊合金，如5086，5083和5456这种合金是最好的选择。
铝合金的激光束焊接的困难在于它高的反射率，在焊接金属过程中容易发生汽化造成气孔形成。对激光束的焊接厚度5mm珠上板焊缝的机械性能进行了研究，在同一合金的TIG焊缝进行了测试。研究焊接工艺过程对机械性能的影响，对拉伸试验和焊接接头及母材金属的微硬度进行了测量。
2、实验过程
在LB焊接应用于5毫米厚的非热处理的采用3.5千瓦的CO2激光器铝合金AA5083-H321。珠上板与焊缝全焊透被执行。板被切割成尺寸300×150毫米的条状。该板的表面是用金属丝刷和丙酮清洗。激光束被聚焦在焊接板的表面上。珠上板焊缝已于自发使用交流电TIG焊用标准的2%钍钨电极的铝合金板制成。焊接后，将使用电火花切割机对样品横跨焊缝进行金相分析和拉伸试验。横向拉伸试样的形状和尺寸制备参照ASTM-E8标准。在每种条件下，三个试样均已在室温下进行测试。
优于拉伸试验，横跨焊缝、热影响区（HAZ）和偏碱金属的维氏硬度型材已经使用自动微硬度测试仪在1千克力的负载沿拉伸试样的横截面的中心线15秒下测量了。在基体金属的化学组成中，TIG和LB焊缝的样品用是真空光学发射光谱仪火花测定。化学组合物采取对焊缝两个位置的平均读数。
3、实验结果
（1）拉伸性能
对LB焊件的拉伸性能与这些基板和TIG焊接进行了比较。一般情况下，TIG和LB焊缝的拉伸性能劣于基体金属性质。所有的TIG和LB的焊接在熔融区域不合格，而不是在基体金属的拉伸试样。横向拉伸性能如屈服应力，极限拉伸强度和AA5083-H321铝合金接头的伸长率进行了评价。母材的屈服强度和抗拉强度分别为262兆帕和291兆帕。但是TIG的屈服强度和抗拉强度的焊接接头分别是176兆帕和266兆帕。这表明，在TIG焊接中，降低33%屈服强度和9%拉伸强度。LB的屈服强度和抗拉强度的焊接试样分别是222兆帕和246兆帕。这表明，由LB焊接这两个屈服强度和拉伸强度下降15%。LB焊缝的焊接屈服强度比TIG焊的焊缝屈服强度焊接样品26%更好。延展性是伸长率或面积减少率的量度。TIG和LB焊缝的延伸率也小于该基体金属。无论氩弧焊和LB焊缝的韧性是其母材的50%左右。
（2）硬度
TIG焊件的强度的减少在硬度方面中得到很好的体现。与此相反，这不能体现LB焊件的强度的降低。在TIG焊接的情况下，焊接区的硬度减少22%，而在LB焊接的情况下观察到有硬度增加9%。
（3）汽化
在TIG的熔合区，焊接试样中39%的镁，16.5%的锰和18.3%的锌损失，而镁存在于LB焊接试样中的比率要比其母材金属的高14%（收益）。在LB焊接中锰损失约18.3%。同样的锌在LB损失焊接样品中的损失高达91.7%。
4、实验结果讨论
（1）焊道外观
LB的焊缝外观是比TIG焊的外观更好的焊接板。TIG焊的再凝固部分的宽度焊接近800毫米，而LB的焊接板的只有2毫米。在TIG的较宽的宽度焊接板负责熔池中合金元素多的蒸发，从而降低其拉伸性能。
（2）拉伸性能
TIG焊接的屈服强度的降低33%是由于镁，锰和锌从焊接熔化区的蒸发导致的，应变的损耗硬化效果由于熔焊，以及毛孔由于形成氢孔隙等的存在。然而，存在屈服强度降低较少的LB焊接，即从焊接熔化区的镁元素的应变硬化效应最小损耗的最小蒸发只有15%是由于熔合区和热影响区的宽度和在焊缝区的原因而更少。在LB焊接过程中，晶粒生长得以控制是由于非常快速的加热和冷却，也由于LB焊接速度控制在3.5米/分钟，而TIG焊接是一个缓慢的加热和冷却过程中，相比于LB焊接过程中的晶粒生长比较粗糙。
（3）硬度
在研究中，在LB焊接的熔合区更高的硬度值进行了观察。这可能是由于LB焊接工艺的晶粒细化效果。
（4）汽化
TIG焊接样品中39%镁的损失主要是因为在TIG焊接过程中屈服应力值下降。与此相反，在LB焊缝过程中镁的比例略有增加，主要是在LB焊接过程中增加屈服应力。镁比例的减少自然会影响焊接接头的抗拉性能。由于锰的蒸发损失也同时影响焊接的样品的拉伸性质。已观察到，由于锁孔的形成在LB焊接试样中锌的蒸发损失是更多的。
5、结论
从上述研究得出结论：
（1）LB焊缝抗屈强度比TIG焊接高26%，LB焊接UTS的成本比TIG焊低7.5%。TIG和LB焊缝的断裂伸长率的比例几乎相同。
（2）硬度方面，在TIG焊接的情况最低的硬度分布于熔融区域中，在LB焊接的情况下绝对最小硬度值分别位于基本金属。
（3）如镁这样的挥发性元素，在TIG焊接比在LB焊接的汽化更多，而锰和锌的汽化在LB焊接中更多。总结实验结果可以看出，与TIG焊焊接相比，LB焊接工艺更适合于AA 5083 - H321 焊接。
参考文献
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