1 哈尔滨焊接研究院有限公司，黑龙江 哈尔滨 150028
2 北京航天新风机械设备有限责任公司，北京 100039
3 北京科技大学材料先进焊接与连接技术研究室，北京 100083
为探究万瓦级激光-MAG复合焊接焊缝成形特性，在不同的激光功率下，对比分析了三种不同复合焊接方法在焊缝成形、等离子体形态方面的差异性及关联性。结果表明：随着激光功率变化，焊缝的特征尺寸及波动与等离子体的特征尺寸及波动具有一定的对应关系，具体表现为：随着激光功率增加，等离子体面积及其波动都增加，焊缝熔深、熔宽及其波动均增加；当激光功率增加到20 kW时，等离子体面积及其波动的增量开始减小，焊缝尺寸的增量也开始减小，焊缝成形质量开始变差。激光‐单丝MAG复合焊接方法在20、25、30 kW激光功率下的平均熔深增量相比5、10、15 kW下的减小了71.64%。在相同的工艺参数下，与激光-单丝MAG复合焊接相比，激光-单丝MAG复合填丝焊接下的等离子体面积及其标准差显著增加，熔深减小，成形变差，而激光-双丝MAG复合焊接下的等离子形态、焊缝成形变化均不明显。随着激光功率增加，不同的添丝方式体现在焊缝成形及等离子体形态等方面的差异性逐渐增强，当激光功率增加到20 kW时，焊缝熔深以及影响熔深的等离子体面积及其波动的增量有所减小。
激光技术 激光-电弧复合焊接 万瓦级激光 焊缝成形 等离子体形态 送丝方式
1 苏州大学机电工程学院，江苏 苏州 215021
2 苏州大学光电科学与工程学院，江苏 苏州 215006
激光熔丝沉积技术是一种输送丝材并以激光为热源的定向能量沉积技术。为了探讨同轴熔丝过程的机理与效应，采用自主研发的激光内同轴送丝熔化沉积技术来分析研究基板受辐照比值对于熔丝过程稳定性的影响；借助高速相机拍摄并分析熔丝沉积过渡阶段机理；通过数学模型计算与实验验证的方式研究了熔丝沉积动态过程与工艺参数之间的关系。结果表明：较小的基板受辐照比值会引起“液滴”过渡熔丝行为，即处于稳定与不稳定的临界状态；而基板受辐照比值较大时会引起“液桥”过渡熔丝行为，即处于一个相对稳定的状态。本研究对激光熔丝沉积的动力学稳态性分析具有一定的指导意义。
激光光学 激光熔化沉积 光内同轴送丝 基板受辐照比值 过程稳定性 高速摄像
1 武汉华工激光工程有限责任公司, 激光先进制造技术湖北省重点实验室, 湖北 武汉 430223
2 中钢集团邢台机械轧辊有限公司, 轧辊复合材料国家重点实验室, 河北 邢台 054025
采用10 kW光纤激光器对厚度10 mm的AH36船用钢进行了激光电弧复合焊试验研究, 并与同材料的MAG焊进行对比, 分别从焊缝成型、焊缝截面形貌、焊接接头力学性能、样件焊接变形、效率以及成本等多方面进行分析。试验结果表明：选择适当的送丝速度, MAG焊及激光电弧复合焊可分别得到具有良好焊缝成型及截面形貌的焊缝, 焊缝强度均大于母材强度。对于同等板厚同等长度的焊缝, 激光电弧复合焊的变形量仅为MAG焊的50%左右。复合焊的焊接效率优势更明显, 可达到MAG焊效率的5倍。复合焊的焊材成本仅为MAG焊的21%, 气体成本约为MAG焊的42%, 设备成本在同等效率下的差距较小。从长远的使用前景来看, 激光电弧复合焊的优势远远大于MAG焊。
激光电弧复合焊 MAG焊 送丝速度 船用钢 效率 成本 laser-arc hybrid welding MAG welding wire feeding speed marine steel efficiency cost
研究“三分光束”光内同轴送丝激光熔覆各工艺参数的工艺区间及参数与熔覆层几何形貌映射关系。首先，采用单因素实验方法研究激光功率、扫描速度、送丝速度、离焦量四个工艺参数的工艺区间；其次，以熔覆层的高度、宽度、横截面积作为熔覆层几何形貌的量化指标；最后，分别建立神经网络模型和二次回归模型实现熔覆工艺参数和熔覆层形貌量化指标之间映射关系的预测。基于单道单因素实验，当激光功率介于1 300~1 700 W，扫描速度介于3~7 mm/s，送丝速度介于9~15 mm/s，离焦量介于?2.5~?1.5 mm时能获得液桥过渡熔覆质量较好的单道。在对测试样本数据的预测中，在置信度85%情况下，BP神经网络模型对熔覆层高度、宽度、横截面积的预测精度分别为100%, 100%, 93.33%，均方根误差分别为0.21, 0.07, 0.24；二次回归模型的精度分别为100%, 66.67%, 73.33%，均方根误差分别为0.21, 0.13, 0.28。结论说明二次回归模型中变量的交叉项未能拟合送丝熔覆多变量耦合的非线性过程，而BP神经网络得到较好的预测结果。
激光熔覆 三分光束 光内同轴送丝 二次回归 BP神经网络 laser cladding three bean coaxial wire feeding quadratic regression BP neural network 红外与激光工程
2020, 49(3): 0305005
针对三光束光内送丝熔覆工艺的温度场进行研究,并对其工艺参数进行优化。建立了三光束光源的热源模型,利用ANSYS软件对熔池的温度场进行仿真,并结合工艺实验分析了离焦量、激光功率和扫描速度等工艺参数对熔覆层形貌的影响。仿真及实验结果表明:离焦量对熔覆层高度的影响较大,且会影响稀释区的形貌特征,激光功率主要影响熔覆层的稀释率,扫描速度对熔覆层高度的影响较大,扫描方向的改变对熔覆层稀释区有一定的影响;在离焦量为-2 mm、激光功率为1500 W、扫描速度为5 mm/s的条件下进行熔覆实验,得到的熔覆层平整光滑,无明显的熔覆缺陷,熔覆层组织为马氏体,硬度为411 HV,硬度的分布较为均匀。
激光技术 激光熔覆 送丝 温度场 工艺参数 中国激光
2019, 46(10): 1002004
1 重庆大学 材料科学与工程学院, 重庆 400045
2 中国科学院重庆绿色智能技术研究院, 重庆 400714
3 智能增材制造技术与系统重庆市重点实验室, 重庆 400714
为实现对增材制造成形件的精确控形控性, 必须要对其热过程有一定科学认识。以真空环境下激光熔丝增材制造单道成形为例, 利用红外热像技术对其热过程进行监测。比较分析送丝速度对温度场、热循环、冷却速率的影响规律, 利用红外热分析对其成形熔敷道宽度及缺陷开展研究。结果表明: 借助红外热像可实现对熔敷道温度场变化的监测, 沿熔敷道长度成形方向, 监测点对应最高温度和冷却速率分别呈现升高和降低趋势。随着送丝速度的增加, 熔敷道长度1/4、2/4、3/4处监测点对应的冷却速率随之减小。此外, 基于红外热分析可实现对熔敷道宽度预测以及对缺陷位置的定位。
红外热像 增材制造 激光熔丝 送丝速度 infrared thermography additive manufacturing laser metal-wire wire feeding speed 红外与激光工程
2018, 47(6): 0604002
1 上海大学材料科学与工程学院, 上海 200072
2 上海海鹰机械厂, 上海 200436
采用激光送丝堆焊技术对预置缺陷(缺陷深度0.4、0.8、1.2、1.6和2.0 mm, 样品厚度4 mm)的30CrMnSiNi2A超高强度钢进行修复, 对激光功率、激光扫描速度、送丝速度进行正交试验得出最佳工艺, 以获得性能优良的修复样品。利用光学显微镜(OM)、电子扫描显微镜(SEM)、显微硬度仪和万能试验机对修复件熔池尺寸、显微组织、显微硬度、抗拉强度和拉伸断口进行了研究。结果表明, 1.2 mm缺陷深度, 激光功率3.1 kW, 焊接速度0.9 m/min, 送丝速度2.4 m/min时, 修复件性能最佳, 抗拉强度达到原件设计标准, 断口出现在堆焊层。工艺参数影响着熔池质量尺寸参数, 包括熔深、堆焊层宽度和堆高, 从而影响修复件质量。根据缺陷深度, 采用各自的最佳工艺, 在预置缺陷深度0.4 mm、0.8 mm和1.2 mm的样品中, 抗拉强度基本达标, 超过1.2 mm时, 抗拉强度急剧下降,不达标。由此得到预置缺陷的样品临界修复尺寸是1.2 mm, 即占板厚的30%。
超高强度钢再制造 激光送丝堆焊 正交试验 修复工艺 临界修复尺寸 remanufacturing of ultra-high strength steel laser wire-feeding surfacing welding orthogonal experiment 30CrMnSiNi2A 30CrMnSiNi2A repair process critical repair dimension
1 南京南车浦镇城轨车辆有限责任公司, 江苏 南京210031
2 华中科技大学材料科学与工程学院, 湖北 武汉 430074
研究了不锈钢SUS304的激光填丝焊接工艺对焊接质量的影响。研究发现, 随着激光功率的升高, 焊缝由钉状变为“束腰”状, 焊缝熔宽的变化不明显, 焊缝余高逐渐减小;焊接速度的提高使得焊缝变得“细小”, 焊缝宽度减小, 焊接速度的增大也使得焊缝余高的减小;送丝速度增大使得熔宽有一定的减小, 余高增加较为明显, 并且当送丝速度达到3.0 m/min时, 过渡金属不能充分地铺展, 焊缝表面质量较差。在实验设定的参数范围内, 接头拉伸断裂位置均在母材, 焊缝强度能够得到保证。焊缝区由细小的柱状奥氏体枝晶和枝晶间少量的铁素体组成, 焊缝区的显微硬度在230 HV左右, 高于母材(约190 HV)。
激光填丝焊 送丝速度 焊缝强度 组织分析 laser filler wire welding wire feed rate weld strength microstructure analysis
1 上海工程技术大学材料工程学院, 上海 201620
2 高强激光智能加工装备关键技术产学研开发中心, 上海 201620
激光钎焊过程中有很多影响焊接接头质量的因素，如激光功率，焊接速度，离焦量等，主要研究了送丝速度对焊接接头力学性能的影响。实验结果显示：焊接接头中有Fe-Si(Cu)弥散相的析出，这些析出相呈现颗粒状，小岛状或者花瓣状分布。当送丝速度达到2.0 m/min时，弥散相的分布最为密集，焊接接头的力学性能最好，并高于母材，在母材处发生断裂；当送丝速度为1.7 m/min和2.3 m/min时，Fe-Si(Cu)相只是零星的分布在焊接接头内，接头力学性能比母材差，拉伸实验断裂在焊缝处，断裂方式属于韧性塑性型。
激光技术 镀锌钢板 送丝速度 弥散相 断裂 中国激光
2014, 41(10): 1003003
1 苏州大学机电工程学院, 江苏 苏州 215021
2 梅塞得斯奔驰技术集团, 德国 辛德芬根 71063
在激光送丝熔覆中, 由于金属丝材为刚性输送, 可避免送粉带来的问题, 同时具有容易实现精确控制、送料速度快、精度高、材料利用率几乎为100%、节能环保及相对成本低等优点, 送丝熔覆被认为具有极大发展空间。为了获得连续平整的单道熔覆层表面质量, 采用“光束中空、光内送丝”的新工艺对304不锈钢丝激光熔覆的工艺进行了实验研究。分析了激光离焦量、送丝速度及线能量(激光功率与扫描速度的比值)对单道熔覆层质量的影响规律。实验结果表明: 随送丝速度及线能量的增大, 熔覆层表面质量先变好后变差; 在一定的激光负离焦范围内, 能够获得到表面质量良好的单道熔覆层。为激光送丝熔覆方式下成形实体零件的工艺提供基础。
激光熔覆 光内送丝 工艺参数 成形质量 laser cladding inside-laser wire feeding process parameters forming quality
