不銹鋼焊接研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)

1、不銹鋼焊接研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)摘要 不銹鋼具有多種優(yōu)點(diǎn)，且焊接性良好，但是傳統(tǒng)的焊接方法由于種種原因?qū)е缕浣宇^缺陷嚴(yán)重，因此新的焊接方法的研發(fā)迫在眉睫。本文主要分析了不銹鋼傳統(tǒng)焊接方法的各種優(yōu)缺點(diǎn)，進(jìn)而對(duì)激光-MIG復(fù)合焊焊接不銹鋼這一新的焊接方法做了一定的研究，分析了國(guó)內(nèi)外的研究進(jìn)展，并對(duì)其發(fā)展做了展望。關(guān)鍵詞 不銹鋼、激光-MIG復(fù)合焊、研究現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢(shì)0 引言不銹鋼由于其表面光潔，具有不銹和耐蝕性并有其他許多優(yōu)良性能，在許多工業(yè)領(lǐng)域、裝飾業(yè)以及日常生活中得到了廣泛的應(yīng)用。而近年來(lái)迅速發(fā)展起來(lái)的鐵素體不銹鋼由于其價(jià)格 經(jīng)濟(jì)，綜合性能優(yōu)良和表面更加光亮等日益受到鋼鐵制造企業(yè)及用戶(hù)的重視。但是

2、由于工藝不當(dāng)、材料有缺陷等原因會(huì)對(duì)不銹鋼焊接接頭造成種種缺陷。如：焊接接頭的脆化、焊縫的均勻腐蝕、接頭的點(diǎn)蝕、應(yīng)力腐蝕破裂、易產(chǎn)生熱裂紋，由于導(dǎo)熱系數(shù)小線膨脹系數(shù)大，易于形成聯(lián)生結(jié)晶方向性強(qiáng)的柱狀晶的焊縫組織，焊縫組織成分復(fù)雜1。以上問(wèn)題都極大的限制了不銹鋼的應(yīng)用。于是發(fā)展新型焊接工藝尤其是新型的焊接方法迫在眉睫。因此各種各樣新型焊種應(yīng)運(yùn)而生，如攪拌摩擦焊、激光焊等。此處我們的研究項(xiàng)目是激光焊接不銹鋼。1 不銹鋼的焊接性分析不銹鋼作為現(xiàn)代工業(yè)中一種重要的材料，已有100多年的歷史。因不銹鋼具有高強(qiáng)度、可焊接性、抗腐蝕性、易加工性和表面具有光澤性等許多優(yōu)異的特性，在宇航、化工、汽車(chē)、食品機(jī)械、醫(yī)

3、藥、儀器儀表、能源等工業(yè)及建筑裝飾方面得到了廣泛而重要的應(yīng)用。但隨著石油化工工業(yè)、軍事工業(yè)及海洋開(kāi)發(fā)的迅速發(fā)展，對(duì)不銹鋼提出了更高的要求，傳統(tǒng)的不銹鋼已經(jīng)適應(yīng)不了特殊行業(yè)和特殊功能領(lǐng)域的使用要求，因此，不銹鋼材料也逐步向功能性和特殊性方向發(fā)展，出現(xiàn)了超級(jí)不銹鋼和滿足各種特殊功能要求的功能性不銹鋼。鐵素體不銹鋼含鉻量在1130，具有體心立方晶格結(jié)構(gòu)，在使用狀態(tài)下以鐵素體組織為主。鐵素體 不銹鋼與奧氏體不銹鋼(如AISI304等)相比，具有強(qiáng)度高，冷加工硬化傾向較低，導(dǎo)熱系數(shù)大、線膨脹系數(shù)小等優(yōu)點(diǎn)。傳統(tǒng)的鐵素體不銹鋼由于鋼中的C和N等間隙元素含量比較高，因此存在韌性差，耐蝕性和焊接性差等缺點(diǎn)，因此

4、其應(yīng)用范圍極其有限。近年來(lái)，由于不銹鋼精煉技術(shù)的發(fā)展，AOD、VOD等工藝的應(yīng)用，已經(jīng)能生產(chǎn)出低碳、氮和氧的超純鐵素體不銹鋼，使得上述鐵素體不銹鋼的缺點(diǎn)得到了一定程度的改善并進(jìn)一步發(fā)展了許多新的焊接性好、加工性能優(yōu)良的新 品種。這類(lèi)鐵素體不銹鋼的特點(diǎn)就是中、高鉻，不含或含少量鎳，同時(shí)添加了有益金元素鈮、鈦、鉬等該 類(lèi)不銹鋼成形性、耐蝕性和焊接性?xún)?yōu)良2。奧氏體鉻鎳不銹鋼的使用是最廣泛的，良好的耐蝕性是這類(lèi)不銹鋼的特點(diǎn)，它也可被用于需要其低導(dǎo)磁率、良好的零下低溫韌性 、高的高溫強(qiáng)度等場(chǎng)合。奧氏體不銹鋼成功焊接的一個(gè)重要部分是通過(guò)選擇焊縫金屬的類(lèi)型、焊接工藝和焊后熱處理來(lái)控制其成分和顯微組織。當(dāng)這類(lèi)

5、鋼的成分變得復(fù)雜、斷面更大或使用條件要求更廣時(shí)就會(huì)產(chǎn)生一系列的問(wèn)題。為了解決這些問(wèn)題，就需要有較多的冶金知識(shí)。雖然這些問(wèn)題很少發(fā)生，但對(duì)材料的消耗和重要的焊接件來(lái)說(shuō)，應(yīng)盡早解決這些問(wèn)題3。2 不銹鋼的焊接研究現(xiàn)狀2.1 不銹鋼的手工鎢極氬弧焊連接手工鎢極氬弧焊電弧熱量集中且操作靈活方便，適宜應(yīng)用于焊接情況復(fù)雜多變的石油、化工 野外現(xiàn)場(chǎng)施工中。在焊接工藝上要求其采用短弧快速的小線能量焊接，盡量減小焊縫過(guò)熱，以防止焊接接頭應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂和熱裂紋的產(chǎn)生。因焊縫過(guò)熱減小，也就相應(yīng)減少了焊縫金屬 在敏化溫度區(qū)停留的時(shí)間，焊接接頭的晶間腐蝕傾向減小。手工鎢極氬弧焊焊接不銹鋼使用的弧焊電源一般采用普通直流氬弧

6、焊機(jī)，在條件允許的情況下最宜采用脈沖氬弧焊機(jī)。手工 脈沖氬弧焊工藝對(duì)于不銹鋼焊件的全位置焊、窄間隙焊以及要求單面焊雙面成形的管件、薄件均顯示出獨(dú)特的優(yōu)越性，是一種高效、優(yōu)質(zhì)、經(jīng)濟(jì)、節(jié)能的先進(jìn)焊接工藝。奧氏體不銹鋼的熱導(dǎo)率低，在同樣的焊接電流下可獲得比結(jié)構(gòu)鋼大的熔深。為了獲得一定尺 寸的焊縫，同時(shí)為了防止過(guò)熱，焊接電流應(yīng)比焊接普通低合金鋼時(shí)小1020，并且傾向于采用細(xì)直徑的焊絲。這樣既可達(dá)到所需的溶深，又使得焊道截面相對(duì)減小，即焊接電流的相對(duì)減小有利于提高焊縫抗裂性能4。2.2 不銹鋼的釬焊連接釬焊（Soldering and Brazing）：利用熔點(diǎn)比母材（被釬焊材料）熔點(diǎn)低的填充金屬（稱(chēng)為

7、釬料或焊料），在低于母材熔點(diǎn)、高于釬料熔點(diǎn)的溫度下，利用液態(tài)釬料在母材表面潤(rùn)濕、鋪展和在母材間隙中填縫，與母材相互溶解與擴(kuò)散，而實(shí)現(xiàn)零件間的連接的焊接方法。較之熔焊，釬焊時(shí)母材不熔化，僅釬料熔化；較之壓焊，釬焊時(shí)不對(duì)焊件施加壓力。釬焊形成的焊縫稱(chēng)為釬縫。釬焊所用的填充金屬稱(chēng)為釬料。釬焊過(guò)程：表面清洗好的工件以搭接型式裝配在一起，把釬料放在接頭間隙附近或接頭間隙之間。當(dāng)工件與釬料被加熱到稍高于釬料熔點(diǎn)溫度后，釬料熔化（工件未熔化），并借助毛細(xì)管作用被吸入和充滿固態(tài)工件間隙之間，液態(tài)釬料與工件金屬相互擴(kuò)散溶解，冷疑后即形成釬焊接頭。陳志林5等人對(duì)不銹鋼不銹鋼釬焊接頭電化學(xué)行為進(jìn)行了研究。其結(jié)論是：

8、(1)多元合金鐵基堆焊層焊態(tài)組織主要是馬氏體和殘余奧氏體，具有較高的抵抗急冷急熱軟化能力。(2)多元合金鐵基堆焊層經(jīng)500018冷熱循環(huán)處理后，其硬度值基本不變：經(jīng)5608冷熱循環(huán)超過(guò)80次后，硬度有所增加，達(dá)563HRC；然后，隨循環(huán)上限溫度的升高。經(jīng)冷熱循環(huán)處理后，硬度有所降低，當(dāng)該堆焊層經(jīng)70018冷熱循環(huán)120次后，其硬度為425 HRC。張秉剛6等人對(duì)鉻青銅與雙相不銹鋼電子束熔釬焊接頭形成機(jī)制進(jìn)行了研究。結(jié)論是：(1) 采用不等厚接頭形式及電子束以一定偏移量作用于銅側(cè)可形成連接性能良好QCrO81Cr21Ni5Ti電子束熔釬接頭。(2)鉻青銅與雙相不銹鋼電子束熔釬焊接頭的焊縫組 織為

9、宏觀均勻的Cu(SSFe)相，熔釬界面上部形成了與焊縫及鋼側(cè)母材連接良好的一薄的+相熔合過(guò)渡層，下部為釬合面。(3)QCrO8與1Cr21Ni5Ti不等厚偏銅電子束熔釬焊接頭形成過(guò)程可大致分為四個(gè)階段，匙孔形熔池形成階段、熔合過(guò)渡層形成階段、釬縫形成階段、最終組織形成階段7。2.3 不銹鋼的電阻焊連接電阻焊（resistance welding）就是將工件組合后通過(guò)電極施加壓力，利用電流通過(guò)接頭的接觸面及鄰近區(qū)域產(chǎn)生的電阻熱進(jìn)行焊接的方法。電阻焊利用電流流經(jīng)工件接觸面及鄰近區(qū)域產(chǎn)生的電阻熱效應(yīng)將其加熱到熔化或塑性狀態(tài)，使之形成金屬結(jié)合的一種方法。電阻焊方法主要有四種，即點(diǎn)焊、縫焊、凸焊、對(duì)焊。

10、梁海、張玉克8選用先進(jìn)的中頻逆變式直流焊機(jī)，采用大電流、短時(shí)間和陡升的電流波形前沿的加熱規(guī)范，以及步進(jìn)式焊接進(jìn)給方式，1:10大厚度比電阻縫焊可以形成質(zhì)量良好的 內(nèi)部和外部的焊縫，矯正了焊縫熔核偏移現(xiàn)象，焊縫熔核呈環(huán)形焊透特征。(0.2+2.2 )mm大厚度比不銹鋼縫焊組件接頭的熔核寬度達(dá)到了1.75mm，焊透率大于10%，工藝撕破良好，焊縫外形美觀，壓痕均勻。焊縫在水中進(jìn)行1.6MPa壓力氣密試驗(yàn)2min 不泄漏。以新 型的中頻逆變直流電阻縫焊工藝和設(shè)備代替了傳統(tǒng)的儲(chǔ)能式電阻焊工藝和設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了大厚度比電阻縫焊，為推廣應(yīng)用積累了經(jīng)驗(yàn)。丁成鋼9等人對(duì)不銹鋼電阻點(diǎn)焊的工藝進(jìn)行了詳細(xì)的研究。最終得

11、出結(jié)論：(1)不銹鋼1.5mm薄板點(diǎn)焊時(shí)，采用中等偏硬的點(diǎn)焊規(guī)范，接頭的外觀、平滑度及熔核尺寸和力學(xué)性能均達(dá)到 了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。(2)待焊表面涂抹密封膠后，可使點(diǎn)焊接頭產(chǎn)生結(jié)合線伸入缺陷，熔核直徑和接頭的力學(xué)性能略有下降，但符合標(biāo)準(zhǔn)的要求；接頭的外觀、平滑度不受影響。(3)點(diǎn)焊熔核組織呈典型的奧氏體柱狀晶形態(tài)，待焊表面涂抹的密封膠對(duì)接頭的組織無(wú)不良影響。胡禮木10對(duì)電阻對(duì)焊接頭的性能進(jìn)行了研究。得出結(jié)論：(1)含鉬、氫較低的雙相鋼SAF2304 的電阻對(duì)焊接頭的tcpt為6 ，比母材的下降了9。(2)含鉬、氨較高的3種雙相鋼SAF2205的電阻對(duì)焊接頭的為2330。與母材相比下降幅度在10以

12、內(nèi)。其力學(xué)性能也有所下降，下降幅度約為20%，表現(xiàn)出較好的焊接性能和焊后抗點(diǎn)蝕性能。(3)超級(jí)取相鋼SAF2507的電阻對(duì)焊接頭的與其母材的相當(dāng)，高達(dá)6568。力學(xué)性能略有下降，且熱影響區(qū)窄，晶粒長(zhǎng)大傾向小，表現(xiàn)出極好的焊接性能和焊后抗點(diǎn)蝕性能。2.4 不銹鋼的攪拌磨擦焊連接拌摩擦焊（Friction Stir Welding）是由英國(guó)焊接研究所（TWI）于1991年提出的專(zhuān)利焊接技術(shù)。攪拌摩擦焊問(wèn)世以來(lái)，引起了各國(guó)學(xué)者和研究機(jī)構(gòu)的廣泛重視，成為了國(guó)內(nèi)外的研究熱點(diǎn)。攪拌摩擦焊在開(kāi)發(fā)初期主要是應(yīng)用于鋁及其合金系列的材料，目前鋁合金的應(yīng)用已經(jīng)基本成熟10-11。基于大型鋁攪拌摩擦焊結(jié)構(gòu)的成功，并借

13、鑒鋁合金對(duì)其在焊接機(jī)理、工藝、組織性能和攪拌摩擦頭方面的研究，國(guó)外不銹鋼的攪拌摩擦焊正積極進(jìn)行探討，許多文章提到了鋼的攪拌摩擦焊的可行性,報(bào)道了攪拌摩擦焊縫與母材的機(jī)械性能，但都還是處于初步研究階段12-14。不銹鋼攪拌摩擦焊具有其他傳統(tǒng)焊接方法不具備的優(yōu)點(diǎn)。FSW低的熱量輸入（相對(duì)熔化焊而言）在熱影響區(qū)產(chǎn)生很小的冶金學(xué)改變和最小的扭曲及殘余變形的特點(diǎn)，在焊接厚板時(shí)尤其重要比如在造船和車(chē)輛工業(yè)上。而且，由于FS W過(guò)程是固相連接過(guò)程，不銹鋼中的氫致裂紋問(wèn)題可能被消除。另外，攪拌摩擦焊的固相特性消除了焊接煙霧。這些優(yōu)點(diǎn)可能使得不銹鋼的攪拌摩擦焊得到廣泛應(yīng)用。不銹鋼攪拌摩擦焊在攪拌摩擦焊在未來(lái)的發(fā)

14、展中是一個(gè)新興的課題，國(guó)外對(duì)不銹鋼攪拌摩擦焊的系統(tǒng)研究還不是很多，只是對(duì)304不銹鋼進(jìn)行了初步的研究。在國(guó)內(nèi)，蘭州理工大學(xué)對(duì)不銹鋼攪拌摩擦焊進(jìn)行了探索性研究，已取得初步成果攪拌摩擦焊在不銹鋼材料連接工程化應(yīng)用的關(guān)鍵是：高熔點(diǎn)、高硬度攪拌摩擦頭材料的選擇，攪拌摩擦頭幾何形狀的優(yōu)化設(shè)計(jì)和壽命的有效提高。2.5 不銹鋼的埋弧焊連接埋弧焊（含埋弧堆焊及電渣堆焊等）是一種電弧在焊劑層下燃燒進(jìn)行焊接的方法。其固有的焊接質(zhì)量穩(wěn)定、焊接生產(chǎn)率高、無(wú)弧光及煙塵很少等優(yōu)點(diǎn)，使其成為壓力容器、管段制造、箱型梁柱等重要鋼結(jié)構(gòu)制作中的主要焊接方法。近年來(lái)，雖然先后出現(xiàn)了許多種高效、優(yōu)質(zhì)的新焊接方法，但埋弧焊的應(yīng)用領(lǐng)域依

15、然未受任何影響。從各種熔焊方法的熔敷金屬重量所占份額的角度來(lái)看，埋弧焊約占10%左右，且多年來(lái)一直變化不大。李杰15等人對(duì)奧氏體不銹鋼埋弧焊拼排焊接進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)，取得了一定的進(jìn)展。從其研究中我們可以知道：（1）在合理的焊接規(guī)范及焊接材料下，奧氏體不銹鋼自動(dòng)埋弧焊焊縫質(zhì)量良好，管屏焊后整體變形小，奧氏體不銹鋼采用埋弧焊并排是可行的。（2）厚度為=8mm扁鋼必須開(kāi)坡口，才能完全達(dá)到未焊透C值考核要求。（3）選用的GXS-340、TFS-330及CHF601焊劑與GWS-347及TW347焊絲組合均適合奧氏體不銹鋼管排埋弧焊并排焊接，但GXS-340脫渣性能比TFS-330及CHF601略差，推

16、薦采用TFS-330及CHF601。邱葭菲16等人對(duì)不銹鋼埋弧焊工藝進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。其結(jié)論是：(1)對(duì)奧氏體不銹鋼06Crl9Nil0采用埋弧焊工藝焊接，焊接接頭的力學(xué)性能、工藝性能及耐腐蝕性能能滿足焊接生產(chǎn)的需要，可代替焊條電弧焊和鎢極氬弧焊。(2)焊劑HJ260及焊劑SJ601配用相應(yīng)的焊絲進(jìn)行焊接，均 能滿足產(chǎn)品焊接質(zhì)量要求，但采用SJ601焊劑焊接的接頭力學(xué)性能要優(yōu)于采用HJ260的且SJ601焊劑的堆積密度小。相同焊縫焊接時(shí)焊劑消耗量小，有利于經(jīng)濟(jì)效益的提高。(3)根據(jù) 奧氏體不銹鋼的物理性能和埋弧焊工藝特點(diǎn)。對(duì)奧氏體不銹鋼進(jìn)行埋弧焊時(shí)，應(yīng)采用較小的熱輸入、快速焊、控制好道間溫度，以防止

17、接頭過(guò)熱，提高接頭耐腐蝕性能。2.6 不銹鋼的激光焊連接激光焊是以聚焦的激光束作為能源轟擊焊件所產(chǎn)生的熱量進(jìn)行焊接的一種高效精密的焊接方法。激光焊接是激光材料加工技術(shù)應(yīng)用的重要方面之一。20世紀(jì)70年代主要用于焊接薄壁材料和低速焊接，焊接過(guò)程屬熱傳導(dǎo)型，即激光輻射加熱工件表面，表面熱量通過(guò)熱傳導(dǎo)向內(nèi)部擴(kuò)散，通過(guò)控制激光脈沖的寬度、能量、峰值功率和重復(fù)頻率等參數(shù)，使工件熔化，形成特定的熔池。由于其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，已成功應(yīng)用于微、小型零件的精密焊接中。姜澤東17等人對(duì)不銹鋼薄板脈沖激光焊焊接熱過(guò)程數(shù)值進(jìn)行了分析，分析過(guò)程中考慮到激光輸出功率受激光頻率脈寬以及焊接電流等諸多因素的影響,計(jì)算時(shí)通過(guò)分析焊接

18、速度對(duì)焊縫成形的影響來(lái)闡述了線能量對(duì)焊接質(zhì)量的影響,結(jié)論是：（1）在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,利用ANSYS有限元軟件對(duì)304不銹鋼薄板脈沖激光焊接熱過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值分析,數(shù)值模擬得到的焊縫尺寸與實(shí)際焊縫基本吻合。（2）ANSYS計(jì)算所得熔池大小與試驗(yàn)結(jié)果基本一致，熔池的尺寸隨著輸入能量的增加熔池長(zhǎng)大速度明顯變快,計(jì)算結(jié)果表明,在激光加熱0.05 s后材料開(kāi)始熔化,熔池呈現(xiàn)大幅度增長(zhǎng)趨勢(shì)。（3）焊接速度對(duì)熔深和熔寬的影響較為顯著熔寬隨焊接速度的增加而逐漸減小, 當(dāng)焊接速度達(dá)到0.5 m/min時(shí),熔寬變化速度趨于平緩，焊接熔深幾乎與焊接速度成反比,焊接速度過(guò)快,難以形成小孔效應(yīng),而過(guò)低的焊接速度會(huì)使材料過(guò)渡

19、熔化和燒損,所以焊接時(shí)應(yīng)選擇合理的焊接速度計(jì)算結(jié)果表明,當(dāng)焊接速度約為0.4 m/min時(shí),熔深為0.5mm以上,能夠保證工件熔透,且深寬比可達(dá)到2：1。楊立軍18等人對(duì)不銹鋼薄板激光焊工藝進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)，結(jié)論是：A304不銹鋼薄板激光焊在較大的焊接參數(shù)范圍內(nèi)都可以將板材熔透激光功率和焊接速度對(duì)焊縫是否熔透的影響是不同的，并不完全取決于名義上的熱輸入的大?。黄渲屑す夤β实挠绊懜?，這意味著在不同激光功率條件下，材料熔化對(duì)激光能量吸收利用的比例是不同的。調(diào)制脈沖激光焊由于峰值激光功率較大，可以以較小的激光平均功率將試驗(yàn)用工件熔透但其焊縫呈現(xiàn)出明顯的分層凝固現(xiàn)象，越靠近焊縫中心，層中的枝晶越粗大

20、。權(quán)雯雯19等人對(duì)不銹鋼低功率脈沖活性激光焊進(jìn)行了研究，得出的結(jié)論是：(1)將活性焊接 技術(shù)引人SUS304的低功率脈沖激光焊接中,研究發(fā)現(xiàn)單一活性劑的存在使焊縫熔深均有不 同程度的改變。其中,TIO:增加熔深效果最為明顯。氧化物活性劑均可使深寬比有不同程度的增加,其增加效果由大到小分別為Cr2O3、TiO2、SiO2。而氟化物對(duì)深寬比則無(wú)明顯增加效果。(2)活性劑涂層可以有效提高激光的利用率,增加焊縫的熱輸人。此外,氧化物活性劑還通過(guò)改變?nèi)鄢乇砻鎻埩Φ姆植加绊懥巳鄢亓鲃?dòng)狀態(tài),使焊縫深寬比顯著增加。(3)焊縫顯微組織為柱狀晶和等軸晶?；钚詣┑拇嬖趯?dǎo)致焊接熱輸入增加,從而使得焊縫中的柱狀晶區(qū)域擴(kuò)

21、大,等軸晶區(qū)域變小。由于氣孔會(huì)影響其周?chē)臒釋?dǎo)率,氣孔周?chē)木植繀^(qū)域出現(xiàn)了等軸晶。韓國(guó)明20等人對(duì)不銹鋼焊接溫度場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)學(xué)建模分析，得出的結(jié)論是：(1)在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,通過(guò)對(duì)焊縫形狀和激光熱源的綜合分析,建立了與熔池形狀類(lèi)似的組合體移動(dòng)熱源模型。(2)利用ANSYS有限元軟件對(duì)激光焊接的焊縫形狀進(jìn)行了模擬仿真,模擬得到的焊縫形狀與實(shí)際焊縫形狀基本吻合。(3)利用ANSYS有限元軟件對(duì)激光焊接的準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)三維溫度場(chǎng)進(jìn)行了模擬,在有限元分析時(shí)考慮了熱物理參數(shù)對(duì)溫度的依賴(lài)性,采用了余量控制法,保證了根據(jù)選擇節(jié)點(diǎn)的精確性。仿真結(jié)果表明,等溫線呈橢圓形,在移動(dòng)熱源的前方等溫線密集,溫度梯度較大,熱源后方的

22、等溫線較稀疏,溫度梯度小。(4)激光焊接時(shí)熔池表面中心附近的溫度最高, 熔池 表面附近的金屬蒸氣最高溫度可達(dá)13332。黃冬林21等人對(duì)超薄不銹鋼激光精密縫焊工藝進(jìn)行了研究，結(jié)論是：（1）電流為78 A，頻率10 Hz，脈沖寬度1ms，正離焦量2mm時(shí)，可對(duì)0.15mm超薄304不銹鋼實(shí)現(xiàn)精密縫焊,能得到光滑美觀的焊縫。（2）隨著電流的增大，焊縫的寬度增大，焊接過(guò)程逐漸出現(xiàn)飛濺，焊縫表面出現(xiàn)氧化現(xiàn)象，并有粗糙感。（3）隨脈沖寬度的增大，焊縫的寬度也在增大。脈寬的變化對(duì)不銹鋼超薄板激光焊接的效果影響非常顯著，脈沖寬度的微小增大，都可能導(dǎo)致試樣被氧化和燒穿。（4）隨脈沖頻率的增加，焊點(diǎn)重疊率增大，

23、焊縫寬度先增大，后基本保持不變。在顯微鏡下觀察，焊縫越來(lái)越光滑美觀，但脈沖頻率增加到一定值時(shí)，焊接過(guò)程飛濺嚴(yán)重，焊縫變得粗糙，并且試樣的上下表面都出現(xiàn)氧化現(xiàn)象（5）超薄板材料的激光焊接適宜采用正離焦，在相同離焦量的情況下，正離焦激光焊得到的焊縫表面比負(fù)離焦時(shí)要光滑美觀。樊丁22等人對(duì)不銹鋼活性激光焊工藝進(jìn)行了研究，其結(jié)論是：（1）各焊縫表面成形良好，波紋過(guò)渡均勻，細(xì)膩。（2）焊接速度和激光功率對(duì)YAG激光焊焊縫成形的影響較大。（3）散焦離焦量和保護(hù)氣種類(lèi)對(duì)YAG激光焊焊縫成形的影響較小。（4）與硫含量較低的情況相比，活性劑和活性元素硫含量較高的情況下均能使得焊縫熔寬發(fā)生明顯收縮，隨著熱輸入量的

24、增加，活性劑增加熔深的效果更加明顯，活性劑對(duì)熔深的影響效果與焊接過(guò)程的熱輸入量有密切聯(lián)系。毛衛(wèi)平23等人進(jìn)行了不銹鋼薄板激光對(duì)接焊有限元仿真分析。得出的結(jié)論是：（1）利用ANSYS有限元軟件對(duì)激光焊接的溫度場(chǎng)進(jìn)行模擬仿真分析，結(jié)果表明，等溫線呈橢圓形，在移動(dòng)熱源的前方較密集，溫度梯度較大，熱源后方相對(duì)稀疏，溫度梯度較小。（2）在溫度場(chǎng)分析的基礎(chǔ)上，對(duì)焊接殘余應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行仿真分析，得出殘余應(yīng)力的分布規(guī)律，焊縫區(qū)呈現(xiàn)殘余拉伸應(yīng)力,而周?chē)鷧^(qū)域呈現(xiàn)壓應(yīng)力。（3）利用250W激光焊接機(jī)對(duì)AISI202不銹鋼薄板進(jìn)行對(duì)接焊，分別測(cè)量橫向和縱向殘余應(yīng)力，并與仿真結(jié)果對(duì)比，二者具有較好的一致性。當(dāng)前, 工業(yè)焊接

25、生產(chǎn)中常用的鎢極惰性氣體(tungsten inert gas ,T IG) 焊接工藝具有焊縫成型質(zhì)量好的優(yōu)點(diǎn),但也具有單道焊接熔深淺、 熱影響區(qū)大、對(duì)材料成分的變化敏感、生產(chǎn)效率低的缺點(diǎn)24。我國(guó)科學(xué)家嚴(yán)軍25等人對(duì)316L不銹鋼激光-鎢極惰性氣體復(fù)合焊接工藝進(jìn)行了研究。最終得出結(jié)論：(1)TIG電弧在小電流條件下不穩(wěn)定, 激光的加入可以提高其穩(wěn)定性, 提高焊縫的表面成形質(zhì)量。復(fù)合焊接可以提高焊縫的橋接能力、增大焊接熔深。在激光功P>2.5kW時(shí),會(huì)產(chǎn)生小孔效應(yīng)，激光壓縮電弧，其對(duì)復(fù)合焊接熔深影響顯著。(2)激光-TIG 焊接中，在電弧電流小于150A時(shí)，激光對(duì)電弧的壓縮作用強(qiáng)，焊接熔

26、寬與兩熱源的熱輸入關(guān)系密切；當(dāng)電流大于150A時(shí)，激光對(duì)電弧的引導(dǎo)作用變?nèi)酰入x子膨脹、長(zhǎng)大，僅電弧電流是焊接熔寬的決定性因素。(3)激光-TIG焊接中，熱源的復(fù)合效果對(duì)兩者間距D十分敏感，存在一個(gè)最佳間距 (2mm3mm)，該條件下的焊接熔深是D為試驗(yàn)中其它參數(shù)下的1.46倍2.54倍。鐵素體不銹鋼具有成本低、膨脹系數(shù)小、應(yīng)力腐蝕性能好等優(yōu)勢(shì)，廣泛應(yīng)用于家用電器、建筑和裝飾中26-28。任平29等人對(duì)15Cr鐵素體不銹鋼性能及焊管開(kāi)裂進(jìn)行了分析。結(jié)論是：（1）15%Cr鐵素體不銹鋼板材熱軋退火組織晶粒較大且均勻分布，為后續(xù)冷軋退火板獲得均勻分布的組織提供基礎(chǔ)，從而獲得良好的機(jī)械加工性能。(2

27、)激光焊接接頭的焊縫很窄，在焊縫處存在明顯的界線。激光焊焊縫在高速焊接的過(guò)程中快速冷卻形成樹(shù)枝狀的鑄態(tài)晶體組織，樹(shù)枝晶的方向與焊接方向約成60°。同時(shí)焊縫與母材之間為不平直的界面，對(duì)其結(jié)合性有較佳的貢獻(xiàn)。熱影響區(qū)晶粒略有長(zhǎng)大，這是焊管擴(kuò)管過(guò)程中開(kāi)裂發(fā)生在熱影響區(qū)進(jìn)而擴(kuò)展到整個(gè)焊縫區(qū)的原因。(3)應(yīng)加大激光焊的焊接熱輸入，加大實(shí)驗(yàn)焊管焊縫處熔深，同時(shí)控制柱狀晶的長(zhǎng)大從而與基體更好的結(jié)合，以增大焊縫處的強(qiáng)度。2.7 激光-電弧復(fù)合焊自1960年第1臺(tái)紅寶石激光器問(wèn)世以來(lái)，激光技術(shù)已經(jīng)滲透到各行各業(yè)，大功率激光的廣泛應(yīng)用已經(jīng)被很多學(xué)者譽(yù)為第4次工業(yè)革命。激光焊接技術(shù)是激光在制造業(yè)中應(yīng)用的典

28、型代表之一 30 。然而，單純的激光焊和激光填絲焊焊縫粗糙，焊縫處應(yīng)力集中系數(shù)大，而且焊接過(guò)程中要求較高接頭裝配精度（接頭裝配間隙<0.5 mm）。試驗(yàn)證明：?jiǎn)渭兗す夂负附拥暮癖诮饘?，焊縫疲勞強(qiáng)度低，在造船業(yè)中沒(méi)有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值31。激光焊和其他焊接技術(shù)結(jié)合可以解決這一關(guān)鍵問(wèn)題,激光電弧復(fù)合焊就是最好的解決方案之一。激光電弧復(fù)合焊技術(shù)將2種熱源進(jìn)行復(fù)合，兼容兩者的優(yōu)點(diǎn)，其概念早在 幾年前就已提出，但是受到激光技術(shù)發(fā)展的限制最近才開(kāi)始商業(yè)化。激光電弧復(fù)合焊的2種熱源相互影響和支持的焊接速度比單純激光焊的還高，是傳統(tǒng)電弧焊速度的510倍。同時(shí)，其焊縫的熔深和根焊的熔寬都比單純的激光焊高，試驗(yàn)研

29、究已經(jīng)證實(shí)，激光的熱源有引導(dǎo)熔融填充金屬流向焊縫底部的作用，所以復(fù)合焊的焊縫光滑、 疲勞強(qiáng)度高，應(yīng)力集中系數(shù)也得到了改善，有巨大的商業(yè)潛力。到目前為止，已經(jīng)有很多公司和研究單位在進(jìn)行復(fù)合焊的工業(yè)應(yīng)用研究， 主要有激光氣體保護(hù)鎢極電?。═IG）復(fù)合、激光金屬焊絲氣體保護(hù)焊（MIG）復(fù)合、激光等離子復(fù)合等幾種形式32。 對(duì)激光電弧復(fù)合焊的研究和應(yīng)用證明，與其他焊接技術(shù)相比，復(fù)合焊接技術(shù)有著無(wú)與倫比的優(yōu)點(diǎn)，勢(shì)必成為未來(lái)的焊接主力。因此，研究激光電弧復(fù)合焊的焊接質(zhì)量、焊接參數(shù)、焊接材料性能等對(duì)占領(lǐng)未來(lái)的焊接市場(chǎng)有指導(dǎo)性意義。雷振33-34等人對(duì)5A02/Q235鋼的Nd :YAG激光脈沖M I G復(fù)合

30、熱源熔一釬連接進(jìn)行了研究。最終發(fā)現(xiàn)(1)通過(guò)在Q235冷軋鋼板表面涂敷鋁鋼特種釬劑，借助于大光斑Nd：YAG激光一脈沖MIG復(fù)合熱源熔一釬連接方法可以實(shí)現(xiàn)5A02鋁合金板與非鍍層冷軋鋼的熔一釬連接。其中，涂有礎(chǔ)F4+Sn+zn配方釬劑試樣的焊縫成形美觀，并且焊縫金屬的鋪展性好良好。(2)涂有KAlF4+Sn+zn配方釬劑試樣的熔一釬接頭具有較高的強(qiáng)度。拉伸試驗(yàn)中，試樣的破壞位置發(fā)生在鋁母材的焊接熱影響區(qū)，最大抗拉強(qiáng)度可達(dá)165.3MPa，約為5A02鋁合金母材抗拉強(qiáng)度的83.6，與鋁母材熔化焊接頭等強(qiáng)；顯微硬度測(cè)試結(jié)果表明，鋁母材焊接熱影響區(qū)略有軟化；剪切試驗(yàn)中，接頭的抗剪強(qiáng)度可達(dá)106.3M

31、Pa。(3)掃描電鏡觀察表明，在接頭釬焊連接界面處生成了一薄層Al-Fe金屬間化合物，化合物層的平均厚度約為3.27m；能譜分析結(jié)果表明，接頭釬焊連接界面處AJ，F(xiàn)e原子擴(kuò)散較為充分。(4) KAlF4+Sn+Zn特種釬劑中，KAlF4是釬劑的主要載體,在釬焊過(guò)程中具有去除釬料和母材表面的氧化物并保護(hù)工件和液態(tài)釬料在釬焊過(guò)程中免于氧化的作用；Zn,Sn金屬是特種釬劑的重要組成部分，焊接過(guò)程中能夠充當(dāng)金屬過(guò)渡層的作用，既能促進(jìn)熔池金屬的鋪展，又能提高熔一釬接頭的強(qiáng)度。胡連海35-39等人對(duì)10Ni3CrMoV鋼T型接頭的CO2激光復(fù)合焊工藝與組織進(jìn)行了研究。其結(jié)論是：(1)10Ni3CrMoV鋼

32、激光復(fù)合焊接中, 不同氣體對(duì)焊縫化學(xué)成分影響主要體現(xiàn)在Si和M n。綜合焊縫成分和工藝性, 采用10% CO2+60% He+30%Ar的混合氣體。分析等離子體間的相互作用以及電信號(hào),確定激光與電弧間距為4mm。(2)T型接頭的焊縫微觀組織由大量的板條馬氏體、少量的針狀鐵素體和粒狀貝氏體組成, 較窄的粗晶區(qū)為粗大的馬氏體組織, 重疊區(qū)經(jīng)過(guò)兩次熱循環(huán)后組織細(xì)化,顯示了焊接接頭的較好力學(xué)性能, 硬度值在粗晶區(qū)達(dá)到最大值355HV。(3)采用優(yōu)化的工藝參數(shù)實(shí)現(xiàn)了雙面T型結(jié)構(gòu)的焊接, 通過(guò)X射線檢測(cè)焊縫,沒(méi)有裂紋,存在少量小氣孔,焊縫質(zhì)量滿足船用要求。Lars-Erik Stridn40對(duì)13%Cr不

33、銹鋼的激光復(fù)合焊工藝進(jìn)行了研究。其結(jié)論是：當(dāng)高強(qiáng)度和高耐蝕性鋼用于生產(chǎn)時(shí)，需提高焊接生產(chǎn)率，同時(shí)保證焊接接頭質(zhì)量的要求。激光復(fù)合焊是一種相對(duì)較新的焊接工藝，能夠同時(shí)滿足生產(chǎn)率和焊縫質(zhì)量要求。焊接超級(jí)馬氏體不銹鋼時(shí)，對(duì)焊接材料的選擇有足夠的自主性。為了達(dá)到焊縫強(qiáng)度要求，首選力學(xué)性能與母材相匹配的焊接材料，但是，如果考慮到其它評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)，如疲勞性能，也可以采用其它的焊接材料，如雙相鋼奧氏體不銹鋼或Ni基合金。經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，該工藝能滿足焊縫疲勞性能要求，同時(shí)減小焊接工件變形，提高焊接速度，焊接工作周期明顯縮短。機(jī)器人MIG焊的焊接速度一般為1215mm/s，在同樣的工況條件下，激光復(fù)合焊工藝的焊接速度可

34、以提高到5560mm/s。激光復(fù)合焊對(duì)板厚要求可以從 3mm增加到20mm，在這個(gè)范圍內(nèi)，激光復(fù)合焊工藝可以降低費(fèi)用，同時(shí)提高焊接速度、減小變形和焊后清理強(qiáng)度、減小接頭體積和提高焊縫質(zhì)量等。韋輝亮41-42等人對(duì)激光MIG電弧的復(fù)合作用及對(duì)熔滴過(guò)渡的影響進(jìn)行了研究。其結(jié)論是：(1)通過(guò)自行搭建的YAG激光脈沖MIG電弧復(fù)合焊接系統(tǒng)，可以進(jìn)行激光電弧復(fù)合焊接，并且對(duì)焊接過(guò)程中電信號(hào)和電弧高速攝像圖片信號(hào)進(jìn)行同步采集。(2)在文中所述試驗(yàn)參數(shù)下，加入激光后熔滴過(guò)渡形式發(fā)生變化，通過(guò)分析電信號(hào)和高速攝像圖片可以發(fā)現(xiàn)，熔滴的過(guò)渡頻率降低，熔滴過(guò)渡形式從一脈一滴變?yōu)閮擅}一滴過(guò)渡，熔滴尺寸變大。(3)激光

35、MIG復(fù)合焊中激光對(duì)電弧產(chǎn)生了明顯的吸引作用，從而導(dǎo)致熔滴受力情況發(fā)生改變，等離子流力向激光方向偏移，其豎直向下的分力減小，導(dǎo)致等離子流力對(duì)熔滴過(guò)渡的促進(jìn)作用減小，降低了熔滴過(guò)渡的頻率。3 結(jié)語(yǔ) 激光一電弧復(fù)合焊接不僅綜合了激光和電弧各自的優(yōu)點(diǎn)，具有激光焊接的高速度及電弧焊接良好的橋聯(lián)性和高的填充金屬熔敷效率，而且由于激光與電弧的交互作用，產(chǎn)生了1+1>2的效果，焊接效率、焊接過(guò)程穩(wěn)定性和可靠性、焊接質(zhì)量等進(jìn)一步提高。經(jīng)過(guò)近30年的發(fā)展，對(duì)激光一電弧復(fù)合焊接的特點(diǎn)有了較深刻的認(rèn)識(shí)，這種方法也已開(kāi)始在工業(yè)中應(yīng)用，但是在焊接機(jī)制、不同材料的中、厚板焊接工藝技術(shù)等方面還有許多問(wèn)題需要深入研究。

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