本文探索了光束摆动对TC4钛合金窄间隙激光填丝焊缝成形和气孔率的影响。研究结果表明,无摆动时,焊缝表面起伏不连续,横截面窄而深,增加光束摆动之后,表面成形连续均匀,横截面相对变得宽而浅。当采用垂直或圆形摆动方式,摆动幅度为1.5~2 mm,摆动频率在20~100 Hz之间时,获得了焊缝表面和横截面成形良好的焊接接头。当采用圆形摆动,摆幅为2 mm,摆动频率在100~200 Hz之间时,获得的焊缝无明显气孔。采用该工艺进行了20 mm厚TC4钛合金窄间隙激光填丝焊接,焊接接头呈银白色,焊缝均匀连续,接头拉伸性能测试表明,其最大抗拉强度达930 MPa,接头强度与母材等强,断裂方式为韧性断裂,拉伸试样断裂在母材。

针对高速列车侧墙A6N01S铝合金型材非熔透型焊接接头气孔倾向严重的问题, 以5A06铝合金为试验对象, 系统研究了摆动方式、摆动频率、摆动幅度等激光摆动参数对铝合金激光-MIG复合填丝焊焊缝气孔率的影响规律, 并通过激光摆动工艺有效地解决了高速列车侧墙铝合金型材的焊缝气孔问题。结果表明, 试验条件下, 与激光束不摆动相比, 采用光束圆形摆动, 垂直于焊缝摆动和“∞”形摆动均可以有效抑制焊缝气孔, 其中, 垂直于焊缝摆动抑制气孔效果最佳, “∞”形摆动抑制气孔效果最差; 不同的摆动方式存在不同的最优摆动频率区间, 圆形摆动的最优频率区间最宽, “∞”形摆动的最优频率区间最窄; 激光摆动后, 高速列车侧墙铝合金型材3 mm侧焊缝的气孔完全被抑制, 4 mm侧焊缝气孔率约为0.55%, 约下降63.2%。

熔透检测是实现高功率激光焊接质量在线控制的重要环节, 但由于介观尺度下的低辐值熔透特征信号产生于激光匙孔底部被匙孔喷射物质和周围干扰信号完全掩盖, 熔透状态难以被直接获取, 常规检测多以间接测量为主。 将光谱透视技术、 红外显微成像技术、 光电传感技术及空间定位提取技术相结合, 提出一种激光焊接熔透特征信号同轴增效提取方法。 以高功率激光在匙孔内壁激发的荧光辐射源作为直接检测信号, 利用不同发光体的谱段特性在红外谱段有效分离并抑制激光焊接匙孔上方的等离子体、 金属蒸汽焰、 粒子团簇等强干扰信号, 使红外荧光信号得到有效增强, 实现光谱透视显像效果。 同时采用自行研制的激光焊接同轴显微光路系统, 利用红外显微成像原理提取到匙孔内壁受激辐射荧光的红外显微实像。 并以此为基础对高功率激光焊接熔透状态与匙孔内部影像特征进行关联研究, 发现与熔透状态直接相关的低辐射值特征现象及特征区域的存在。 通过视觉辅助定位调节和熔透特征位置试验矫正等寻位方式, 依次提高定位精度, 直至将传感器光电感应芯片高精度定位至荧光辐射实像中的熔透特征区域。 由此通过光谱透视—显微成像—介观寻位萃取的逐层光学分离方式, 实现了对匙孔熔透特征数据的精准提取和最大化增强。 试验结果表明, 基于多种光谱及光学处理技术复合应用的大功率固体激光焊熔透特征同轴增效提取方法对激光熔透特征信号增强效果显著, 可作为一种新型的高功率激光焊接熔透在线检测手段。

利用余高-熔宽比表示焊缝表面铺展性并与焊缝余高一起作为参数来评价激光+电弧复合热源焊缝的表面成形,通过试验研究了Nd:YAG激光+脉冲MAG电弧复合热源焊接过程中焊接规范参数对复合热源焊缝表面成形的影响,并分析了激光对复合热源焊缝表面成形的影响.研究结果表明,在电弧功率变化过程中,激光对复合热源焊缝表面成形影响较小,但随着激光功率的增大,其对焊缝表面成形的影响也逐渐增大.焊接速度变化过程中,激光束能量的加入不仅改善焊缝表面成形还极大地提高了焊接速度,而在光丝间距和离焦量变化过程中,激光束对复合热源焊缝表面成形的影响很小.