激光焊典型案例

1、 1 主讲：曹润平主讲：曹润平激光焊技术特种焊接技术课程系列之 2 激光焊典型案例激光焊典型案例CO2激光复合焊船用钢板T型接头工艺 激光拼焊典型质量问题 汽车用铝合金激光焊 42CrMo钢伞形齿轮轴的窄间隙激光焊 3 采用CO2激光-MIG复合焊接技术，对常用的14mm厚CCS-A船用钢板的T型接头进行双面焊接，并分析其微观组织和硬度。母材为板厚14mm的CCS-A船用钢板，焊丝为1.2mm的JM56，其化学成分如表1所示。实验采用德国TRUMPF生产的CO2激光器，其最大输出功率为15kW，激光波长为10.6m，焦距为350mm。COCO2 2激光复合焊船用钢板激光复合焊船用钢板T T型接

2、头工艺型接头工艺案案 例例描描 述述 4 COCO2 2激光复合焊船用钢板激光复合焊船用钢板T T型接头工艺型接头工艺激光焊工艺激光焊工艺 在激光MIG复合焊接此T形接头时，采用不开坡口的双面焊接工艺，激光与面板角度为8。其他优化确定的焊接工艺参数还包括：侧吹气体为纯He，流量为30L/min；保护气体为75He%+25Ar%，流量为30L/min；激光距腹板的距离为1mm左右。 焊接速度为1.1m/min，激光功率为912kW，离焦量为-2mm，送丝速度为11.5m/min，MIG焊丝伸出长度为16mm，激光电弧间距为4mm左右。 5 COCO2 2激光复合焊船用钢板激光复合焊船用钢板T T

3、型接头工艺型接头工艺焊接结果焊接结果 T型双面焊接第二道焊接热输入使第一道焊缝细晶区晶粒长大，硬度降低。接头硬度呈马鞍形对称分布，由母材逐渐增大，在热影响区细晶区达到最大，在焊缝区又降低，出现一个平台区。接头硬度最大值为375.3HV。焊缝成形在优化的焊接参数条件下，双面T型焊接能完全焊透14mm厚的钢板，焊缝表面成形美观、干净，飞溅很少，呈现凹形，无咬边等缺陷。焊缝质量（无裂纹、气孔和夹渣等焊接缺陷）宏观检测符合GJB要求。焊缝组织焊缝组织为针状铁素体+马氏体+少量粒贝；熔合区为铁素体+粒贝+少量马氏体；粗晶区为粗大马氏体，但范围较窄，降低了其对接头性能影响；细晶区主要为细小的马氏体；不完全

4、重结晶区为针状铁素体+原始铁素体+马氏体。力学性能 6 激光拼焊典型质量问题激光拼焊典型质量问题问题一：焊接气孔问题一：焊接气孔原因：原因： 1.焊接保护气体不纯 （解决方法：更换纯度较高气体） 2.焊接保护气体位置不对 （解决方法：调节铜管吹气角度和高度位置） 3.焊接保护气体流量大小不合适 （解决方法：调节保护气体流量） 4.板材表面有油污、水汽或杂质等 （解决方法：清洁板材焊缝表面） 7 激光拼焊典型质量问题激光拼焊典型质量问题问题二：焊接断弧问题二：焊接断弧原因：原因： 1.焊接参数不合适（解决方法：调整焊接功率、速度、焦点、保护气体等参数到合适值） 2.外光路镜片污染（解决方法：检查

5、并清洗外光路镜片） 3.激光器内部镜片污染（解决方法：检查并清洗内部光路镜片） 8 激光拼焊典型质量问题激光拼焊典型质量问题问题三：焊缝表面有颗粒或者焊缝成型不均匀问题三：焊缝表面有颗粒或者焊缝成型不均匀原因：原因： 1.焊接保护气体不纯 （解决方法：更换纯度较高气体） 2.焊接保护气体位置不对 （解决方法：调节铜管吹气角度和高度位置） 3.焊接保护气体流量大小不合适 （解决方法：调节保护气体流量） 4.板材表面有油污、水汽或杂质等 （解决方法：清洁板材焊缝表面） 9 激光拼焊典型质量问题激光拼焊典型质量问题问题四：焊缝错边问题四：焊缝错边原因：原因： 1.板材精剪后平整度不一致（解决方法：检

6、查板材平整度） 2.焊接平台不平整（解决方法：检查并清理平台是否有焊渣） 10 激光拼焊典型质量问题激光拼焊典型质量问题问题五：焊缝偏向一侧板材问题五：焊缝偏向一侧板材原因：原因： 1.拼缝时挤压坐标值过大（解决方法：调整合适拼缝挤压坐标值） 2.焊接时激光偏向一侧（解决方法：调整焊接时激光到焊缝合适值） 11 激光拼焊典型质量问题激光拼焊典型质量问题问题六：焊缝局部变窄问题六：焊缝局部变窄原因：原因： 1.拼缝时间隙值过大（解决方法：调整合适拼缝挤压坐标值或者更换合格板材） 2.焊接时激光偏向薄板一侧（解决方法：调整焊接时激光到焊缝合适值） 12 激光拼焊典型质量问题激光拼焊典型质量问题问题

7、七：焊缝未焊透问题七：焊缝未焊透原因：原因： 焊接时工艺参数不合适（功率过低、速度过快、离焦量过大等）原因：原因： 1.焊接时工艺参数不合适（功率过高、速度过慢、离焦量过小等） 2.焊接时激光偏向薄板一侧（解决方法：调整焊接时激光到焊缝合适值）问题八：焊缝烧穿问题八：焊缝烧穿 13 铝合金应用特性铝合金因材质轻，耐腐蚀，低温性能和机械综合性能好而广泛应用于航空、航天、汽车、机械制造、船舶及化学工业等众多领域。汽车行业中适用铝合金主要有Al-Mg (5000 系列 )、Al-Mg-Si(6000 系列)及Al-Mg-Zn(7000系列) 三大系列，汽车外壳多用耐蚀可焊的5000 系合金，而梁柱等

8、强度要求较高的部位则用 6000 系或 7000 系合金。研究表明，采用铝合金材料适当减轻汽车的重量可以把油耗降低37%；悬挂装置的负荷降低18%；振动强度降低5%。汽车用铝合金激光焊 14 铝合金的焊接性目前，主要采用TIG焊、MIG焊等常规方法来焊接铝合金。1.常规方法热输入量大，导致焊缝宽大且熔深较浅，铝合金导热快，冶金时高温溶解大量的氢来不及溢出产生氢气孔(冶金气孔和氧化膜气孔)；2.冶金速度快，焊缝金属晶粒粗大，焊接接头软化使强度减少达到40%；3.铝合金熔点低而导热快，熔融金属流动性差而使焊缝成型不美观；4.受热面积大，加工材料容易变形而影响加工尺寸精度。汽车用铝合金激光焊 15

9、用激光焊接铝合金的优势采用激光焊接铝合金，热输入量小且热源集中，特别是光纤激光器问世后，激光焊接铝合金的能量密度更加集中，激光波长更短，高反射得到改善。通过激光填丝，激光-MIG复合焊，双光斑激光焊等工艺，可明显改善铝合金焊接的成型效果，且焊接质量得到改善。汽车用铝合金激光焊 16 1.焊前准备。焊接前对铝合金件表面进行无水酒精或丙酮擦试，以清除表面所吸附的水或油等杂质。为防止工件在空气中被氧化，需要对工件进行机械打磨或化学处理并烘干，以尽快完成焊接。为了加快铝合金焊接时的熔池流动性，可以在铝合金工件焊接背面加垫铜板以改善焊缝成型。焊接时，采用Ar气保护，隔绝空气，能减小气孔的产生。汽车用铝合

10、金激光焊激光焊接铝合金工艺措施 17 2.尽量选择光纤激光。铝合金激光焊接开始时，存在高反射现象，严重影响材料对激光能量的吸收，而波长越短，材料对光的吸收就越好，因此，光纤激光比CO2激光对铝合金的吸收要好。光纤激光的光束模式也会比CO2激光好，能量密度更加集中。一旦材料开始吸收光能，对液态金属对光的反射率就明显下降。汽车用铝合金激光焊激光焊接铝合金工艺措施 18 3.采用双光斑激光焊，能够明显改善气孔率。双光束进行焊接时，两束光形成一个相对较大的匙孔，提高了匙孔的稳定性，有利于气体的逸出；相比于串行双光束，采用并行双光束焊接时，熔池内部温度梯度更小，降低了液态金属凝固速度，延长气泡的逸出时间

11、，有利于减小气孔倾向；并行双光束激光焊也能提高送丝的稳定性，对稳定焊接质量有利。汽车用铝合金激光焊激光焊接铝合金工艺措施 19 汽车用铝合金激光焊激光焊接铝合金工艺措施双光束激光焊模型（上，并行；下，串行）双光斑激光获得的原理图(左)及能量密度分布图(右) 20 4.采用激光填丝焊，相比铝合金激光自熔焊，能够得到更好的成型。激光填丝焊能够兼容激光焊的高能量密度和填丝焊的高桥接能力，对于有一定间隙的焊缝，能够保证良好的成型效果。而且通过不同的填充材料的选择，可以对母材进行不同的化学冶金，起到一定合金元素补充且强化的功效。汽车用铝合金激光焊激光焊接铝合金工艺措施 21 5.采用激光复合焊。通过激光

12、与电弧的复合，能够有效消除激光焊形成的等离子体的影响。通过光丝间距、吹气、焊枪角度等参数的调节，能够获得美观的焊缝，而且对于厚板无需开坡口或只需开小坡口就可以形成良好的焊缝。汽车用铝合金激光焊激光焊接铝合金工艺措施单激光焊与激光-MIG复合焊模型比较 22 6.采用功能强大的激光头，能够稳定焊接质量。随着激光加工的深入开发，功能越来越强大的激光头得到快速的应用。目前由Scansonic和HighYAG所研制的激光头，能够在一定范围内上下左右浮动而不改变光斑大小，也不影响光丝配合，非常利于大批量的生产应用，能改善材料因加工而产生的少量尺寸偏差而引起的焊接缺陷。汽车用铝合金激光焊激光焊接铝合金工艺

13、措施Scansonic 生产的 ALO3 激光头 23 7.采用合适的焊接工艺参数，能够保证焊接质量。右图为6061铝合金激光填丝焊接的激光功率和焊接速度的优化参数范围关系图。汽车用铝合金激光焊激光焊接铝合金工艺措施6061铝合金的激光功率和焊接速度的优化参数关系图 24 7.采用合适的焊接工艺参数，能够保证焊接质量。从6061铝合金激光焊接的激光功率和焊接速度优化参数范围关系图可以看到，激光功率和焊接速度的优化匹配参数曲线呈直线式上升，斜率基本保持不变。每一个给定的激光功率值，在优化参数曲线上都有一个优化的焊接速度与之对应，且焊接速度可在一定范围内变化仍能获得成形质量好的焊缝，此区域属于焊接

14、稳定区。在某一功率值时，当焊接速度过大，热输入变小，铝合金板材不能焊透，此时焊接速度过大则向上超过稳定区范围，属于未熔透区；当焊接速度过小，热输入过大，熔池下塌严重，此时属于熔池坍塌区。汽车用铝合金激光焊激光焊接铝合金工艺措施 25 42CrMo钢伞形齿轮轴钢伞形齿轮轴的窄间隙激光焊的窄间隙激光焊齿轮作为机械传动的重要部件，受加工条件限制，大直径锻造齿轮整体制造存在很大困难，甚至必须分体加工后通过焊接实现连接。焊接结构齿轮已在很大程度上取代了大尺寸的铸造齿轮以及镶圈式结构齿轮，成为经济可行的制造方法之一。 26 42CrMo钢伞形齿轮轴的窄间隙激光焊钢伞形齿轮轴的窄间隙激光焊伞形齿轮轴的材料是

15、42CrMo中碳高强钢，具有良好的综合力学性能和较高的淬透性，但由于含碳量高，合金元素含量也较高，淬硬倾向比较大。为了避免裂纹产生，采用窄间隙激光填丝法进行焊接。焊接设备采用德国某公司的CO2激光器，最大输出功率为3.5kW，焊接工作台为五轴联动工作台。光束采用抛物铜镜反射聚焦系统，焦距为300mm，聚焦光斑直径为0.26mm。焊接时，装卡好的齿轮轴在回转工作台的带动下旋转，双层喷嘴侧吹保护气体。填充材料为日本TCS-2CM焊丝（相当于ER62-B3）。 27 42CrMo钢伞形齿轮轴的窄间隙激光焊钢伞形齿轮轴的窄间隙激光焊42CrMo钢及填充材料的化学成分（%）材 料CSiMnCrMoNiP

16、SFe42CrMo0.38 0.450.170.370.5 0.80.91.20.15 0.250.0300.030 0.030 余量TCS-2CM0.090.320.712.261.040.033 0.005 余量 28 42CrMo钢伞形齿轮轴的窄间隙激光焊钢伞形齿轮轴的窄间隙激光焊由于受激光器输出功率限制，为了实现完全焊透，同时兼顾送丝速度和焊接过程稳定性，采用窄间隙激光填丝多层焊接技术，其中第一层为自熔焊。激光焊工艺伞形齿轮结构示意图 42CrMo钢伞形齿轮轴激光焊装置 29 42CrMo钢伞形齿轮轴的窄间隙激光焊钢伞形齿轮轴的窄间隙激光焊激光焊工艺42CrMo钢伞形齿轮轴激光焊的工艺

17、参数焊 层激光功（kW）焊接速度（m/min）送丝速度（m/min）保护气流量（L/min）第一层3.51.02.5%Ar+15%He第二层3.50.72.52.5%Ar+15%He第三层3.50.52.52.5%Ar+15%He 30 42CrMo钢伞形齿轮轴的窄间隙激光焊钢伞形齿轮轴的窄间隙激光焊焊接结果1.42CrMo钢伞形齿轮轴激光焊接头表面成形良好，采用金相分析，42CrMo钢伞形齿轮轴激光焊焊缝内部没有裂纹、气孔等缺陷。右图是激光焊接接头附近各区域横向显微硬度的分布曲线。齿轮轴激光焊熔合区显微硬度约580HM，母材硬度约300HM，在热影响区中不存在软化现象。42CrMo钢伞形齿轮轴激光焊焊接接头区横向显微硬度分布 31 42CrMo钢伞形齿轮轴的窄间隙激光焊钢伞形齿轮轴的窄间隙激光焊焊接结果2.齿轮轴激光焊焊缝中心处纵向的硬度分布如右图。从焊缝上部到根部，硬度逐渐升高。焊缝下部的底层焊缝为自熔焊接，没有填充焊丝，焊缝中较高的碳含量，使硬度维持在一个较高的水平上；而上层焊道中，在低碳TCS-2CM焊丝的中和作用下，焊缝中碳含量降低，造成硬度降低。但是