Laser Scanning Welding Characteristics and Research Status of Several Common Alloys

Luyu LI; Yongjun HU; Feng LI; Chang SHU

doi:10.7512/j.issn.1001-2303.2022.02.04

Important Issuse | Views : 0 下载量: 996 CSCD: 0

PDF
Export
Share
Collection
Album

Laser Scanning Welding Characteristics and Research Status of Several Common Alloys
Vol. 52, Issue 2, Pages: 26-35(2022)
Received：29 March 2021，

Revised：2021-10-28，

Published：20 February 2022
DOI： 10.7512/j.issn.1001-2303.2022.02.04
稿件说明：

移动端阅览

李路雨，胡永俊，李　风，等.几种常见合金的激光扫描焊接特性及研究现状［J］.电焊机，2022，52（2）：26-35. DOI： 10.7512/j.issn.1001-2303.2022.02.04.

LI Luyu, HU Yongjun, LI Feng, et al.Laser Scanning Welding Characteristics and Research Status of Several Common Alloys[J].Electric Welding Machine, 2022, 52(2): 26-35. DOI： 10.7512/j.issn.1001-2303.2022.02.04.

摘要

激光扫描焊接是一种高效的新型激光焊接技术，具有独特的激光束定位方式、扫描范围广、灵活性高、工作距离长等优点，相比于传统激光焊接，其多点焊接的特性能在很大程度上提升焊接效率。概述了激光扫描焊接技术的工作原理和分类，重点阐述铝合金、镁合金、钛合金、铜及铜合金、铝-钢异质合金几种常用合金的激光扫描焊接特性及研究现状。扫描激光束对熔池的搅拌作用可有效改善铝合金焊缝中的缺陷，小孔的微观结构以及焊接过程的受力变化是今后铝合金扫描激光焊接研究的突破点；激光扫描焊接可显著改善镁合金的焊缝成形质量，优化、控制、调节不同的激光扫描焊接工艺参数操作窗口并制定相关的工艺规范，以及如何控制中间相的形成及其含量是扫描焊接镁合金研究需要突破的重点；钛合金激光扫描焊接的一个重要难点是焊接过程中匙孔的不稳定性，这在很大程度上影响焊缝成形，匙孔的稳定性取决于其受力状态，因此首先要控制激光束的运动状态（如扫描轨迹、扫描幅度、扫描频率等）；铜及铜合金的低吸收率和高热导率使得扫描焊接铜时需要更高的激光功率，所需设备、高成本以及可能存在的夹杂物限制了该工艺的推广，仍需要更多的研究来了解铜合金扫描焊接机理并克服焊接时工艺稳定性低、大飞溅和高孔隙率问题；激光扫描焊接其他异质合金如镁-铝、铝-铜、镁-钛、钛-铝合金等也会是未来激光扫描焊接的研究重点。最后，针对已有研究中的不足提出激光扫描焊接目前面对的挑战及未来发展趋势。

Abstract

Laser scanning welding is a highly efficient new laser welding technology

with unique laser beam positioning

wide scanning range

high flexibility

long working distance and other advantages

compared to traditional laser welding

its multi-point welding characteristics can largely enhance the welding efficiency. Overview of the working principle and classification of laser scanning welding technology

focusing on the laser scanning welding characteristics and research status of several common alloys such as aluminum

magnesium

titanium

copper and copper alloys

and aluminum-steel. The stirring effect of the scanning laser beam on the molten pool can effectively improve the defects in the aluminum alloy weld

the microstructure of small holes and the force changes in the welding process is a breakthrough point for future research on scanning laser welding of aluminum alloys. Laser scanning welding can significantly improve the quality of weld forming of magnesium alloys

optimization

control

adjustment of different laser scanning welding process parameters operating window and the development of relevant process specifications

as well as how to control the formation of the intermediate phase and its content is the focus of research on scanning welding magnesium alloys need to break through. An important difficulty in laser scanning welding of titanium alloys is the instability of the keyhole during the welding process

which largely affects the weld formation. The stability of the keyhole depends on its force state

so the first step is to control the movement of the laser beam (such as scanning trajectory

scanning amplitude

scanning frequency

etc.). The low absorption and high thermal conductivity of copper and copper alloys require higher laser power for scanning welding copper. The required equipment

high cost and possible inclusions limit the diffusion of the process

and more research is still needed to understand the mechanism of scanning welding of copper alloys and to overcome the problems of low process stability

large spatter and high porosity during welding. Laser scanning welding of other heterogeneous alloys such as magnesium - aluminum

aluminum - copper

magnesium - titanium

titanium - aluminum alloy will also be the focus of future laser scanning welding research. Finally

for the shortcomings in the existing research proposed laser scanning welding challenges and future development trends.

关键词

Keywords

references

邹琼琼，龚红英，黄继龙，宋春雨 . 激光焊接技术的研究现状及发展［J］. 热加工工艺， 2016 ， 45 （ 21 ）： 20 - 23 .

ZOU Qiongqiong ， GONG Hongying ， HUANG Jilong ， SONG Chunyun . Research Status and Development of Laser Welding Technology ［J］. Hot Working Technolog ， 2016 ， 45 （ 21 ）： 20 - 23 .

辜诚，魏艳红，占小红．铝合金激光焊接气孔形成机理研究现状及发展［C］. 第二十次全国焊接学术会议 . 2015 .

GU Cheng ， WEI Yanhong ， ZHAN Xioahong . Research status and development of porosity formation mechanism in aluminum alloy laser welding ［C］. The 20th National Welding Academic Conference ， 2015 .

罗勇 . 可编程激光振镜焊接头的设计［D］. 辽宁：东北大学， 2019 .

LUO Yong . Design of Programmable Laser Galvo Welding Head ［D］. Northeastern University ， 2019 .

谢小珑，李权洪，母中彦，等 . 304不锈钢扫描激光焊接的熔池流动行为及焊缝成形研究［J］. 电焊机， 2021 ， 51 （ 1 ）： 42 - 48 .

XIE Xiaolong ， LI Quanhong ， MU Zhongyan ， et al . Study on molten pool flow behavior and weld formation in scanning laser welding of 304 stainless steel ［J］. Electric Welding Machine ， 2021 ， 51 （ 1 ）： 42 - 48 .

陈晓宇，王旭友，周立涛，等 . 激光扫描焊接技术的研究现状［J］. 机械制造文摘（焊接分册）， 2014 （ 04 ）： 6 - 11 .

CHEN Xiaoyu ， WANG Xuyou ， ZHOU Litao ， et al . The research status of laser scanning welding technology ［J］. Welding Digest of Machinery Manufacturing ， 2014 （ 04 ）： 6 - 11 .

许世文 . 振镜扫描式激光焊接机的随动系统设计［D］. 江苏：南京理工大学， 2019 .

XU Shiwen . Follow-up system design of galvanometer scanning laser welding machine ［D］. Nanjing University of Science and Technology ， 2019 .

徐越 . 应用于SLS的振镜式三维激光扫描系统研究［D］. 湖北：华中科技大学， 2017 .

XU Yue . Research on Galvo 3D Laser Scanning System Applied in SLS ［D］. Huazhong University of Science and Technology ， 2017 .

梁晓梅，黄瑞生，刘金湘，等 . 核电用304不锈钢扫描激光微连接工艺研究［J］. 电焊机， 2020 ， 50 （ 7 ）： 53 - 58 .

LIANG Xiaomei ， HUANG Ruisheng ， LIU Jinxiang ， et al . Research on scanning laser micro-connection technology of 304 stainless steel for nuclear power ［J］. Electric Welding Machine ， 2020 ， 50 （ 7 ）： 53 - 58 .

Kim C ， Kim J ， Lim H ， et al . Investigation of laser remote welding using disc laser ［J］. Journal of materials processing technology ， 2008 ， 201 （ 1-3 ）： 521 - 525 .

Lu J ， Kujanpää V . Review study on remote laser welding with fiber lasers ［J］. Journal of Laser applications ， 2013 ， 25 （ 5 ）： 052008 .

Wu Tao ， Shanglu Yang . Weld zone porosity elimination process in remote laser welding of AA5182-O aluminum alloy lap-joints ［J］. Journal of Materials Processing Tech. ， 2020 （ 286 ）： 116826 .

邹吉鹏，李连胜，宫建锋，等 . 铝合金厚板激光扫描填丝焊接气孔抑制［J］. 焊接学报， 2019 ， 40 （ 10 ）： 43 - 47，66，163 .

ZHOU Jipeng ， LI Liansheng ， GONG Jianfeng ， et al . Suppression of porosity in laser scanning wire-filling welding of aluminum alloy thick plates ［J］. Transactions of the China Welding Institution ， 2019 ， 40 （ 10 ）： 43 - 47，66，163 .

杨蓉 . 激光扫描焊接工艺在铝合金焊接中的应用研究［J］. 现代制造技术与装备， 2017 （ 02 ）： 106 - 108 .

YANG Rong . Application research of laser scanning welding process in aluminum alloy welding ［J］. Modern Manufacturing Technology and Equipment ， 2017 （ 02 ）： 106 - 108 .

Genyu Chen ， Bin Wang ， Shuai Mao ， et al . Research on the “∞”-shaped laser scanning welding process for aluminum alloy ［J］. Optics and Laser Technology ， 2019 （ 115 ）： 32 - 41 .

Zhimin Wang ， J.P. Oliveira ， Zhi Zeng ， et al . Laser beam oscillating welding of 5A06 aluminum alloys： Microstructure， porosity and mechanical properties ［J］. Optics and Laser Technology ， 2019 （ 111 ）： 58 - 65 .

黄瑞生，邹吉鹏，孟圣昊，等 . 铝合金激光扫描焊接工艺特性［J］. 焊接学报， 2019 ， 40 （ 04 ）： 61 - 66，163 .

HUANG Ruisheng ， ZHOU Jipeng ， MENG Shenghao ， et al . Process characteristics of aluminum alloy laser scanning welding ［J］. Transactions of the China Welding Institution ， 2019 ， 40 （ 04 ）： 61 - 66，163 .

毛帅 . 5052铝合金光纤激光扫描焊接工艺研究［D］. 湖南：湖南大学， 2018 .

MAOSHAUI . Research on 5052 Aluminum Alloy Fiber Laser Scanning Welding Technology ［D］. Hunan University ， 2018 .

项云忠 . 6061/2A12异种铝合金激光扫描焊接接头组织性能研究［D］. 湖北：华中科技大学， 2019 .

XIANG Yunzhong . Study on Microstructure and Properties of Laser Scanning Welded Joints of Dissimilar Aluminum Alloys ［D］. Huazhong University of Science and Technology ， 2019 .

黄瑞生，邹吉鹏，宫建锋，等 . 激光扫描焊接熔池及等离子体动态行为［J］. 焊接学报， 2020 ， 41 （ 03 ）： 11 - 16，97 .

HUNAG Ruisheng ， ZHOU Jipeng ， GONG Jianfeng ， et al . Laser Scanning Welding Pool and Plasma Dynamic Behavior ［J］. Transactions of the China Welding Institution ， 2020 ， 41 （ 03 ）： 11 - 16，97 .

Wenchao Ke ， Xianzheng Bu ， J.P. Oliveira ， et al . Modeling and numerical study of keyhole-induced porosity formation in laser beam oscillating welding of 5A06 aluminum alloy ［J］. Optics and Laser Technology ， 2021 （ 133 ）： 106540 .

吴思根，周昕宇，蒋志伟，等 . 低频振荡扫描激光焊接铝合金薄板温度场数值模拟［J］. 应用激光， 2019 ， 39 （ 03 ）： 440 - 447 .

WUGensi ， ZHOU Xinyu ， JIANG Zhiwei ， et al . Numerical Simulation of Temperature Field of Low Frequency Oscillation Scanning Laser Welded Aluminum Alloy Sheet ［J］. Applied Laser ， 2019 ， 39 （ 03 ）： 440 - 447 .

T Yuan ， Z Luo ， S Kou . Grain refining of magnesium welds by arc oscillation ［J］. Acta Materialia ， 2016 （ 116 ）： 166 - 176 .

王和康 . AZ31B镁合金振荡扫描激光焊接工艺研究［D］. 湖北：华中科技大学， 2018 .

WANG Hekang . Research on Oscillating Scanning Laser Welding Process of AZ31B Magnesium Alloy ［D］. Huazhong University of Science and Technology ， 2018 .

Kangda Hao ， Hekang Wang ， Ming Gao ， et al . Laser welding of AZ31B magnesium alloy with beam oscillation ［J］. Journal of Materials Research and Technology ， 2019 ， 8 （ 3 ）： 3044 - 3053 .

Gao M ， Wang H ， Hao K ， et al . Evolutions in microstructure and mechanical properties of laser lap welded AZ31 magnesium alloy via beam oscillation ［J］. Journal of Manufacturing Processes ， 2019 （ 45 ）： 92 - 99 .

吕会敏 . 镁合金光纤激光摆动焊接工艺研究［J］. 材料保护， 2020 ， 53 （ 02 ）： 112 - 114，135 .

LV Humin . Research on Fiber Laser Welding Welding Process of Magnesium Alloy ［J］. Materials Protection ， 2020 ， 53 （ 02 ）： 112 - 114，135 .

陈波，孟正，马程远，等 . 扫描振镜激光TC4钛合金焊接性能及熔池流动行为研究［J］. 航空学报： 2021 ， 42 （ 12 ）： 425223 .

CHEN Bo ， MENG Zheng ， MA Chengyuan ， et al . Study on welding performance and molten pool flow behavior of TC4 titanium alloy by scanning galvanometer laser ［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica ， 2021 ， 42 （ 12 ）： 425223 .

Wang Zhimin ， Sun Lulu ， Ke Wenchao ， et al . Laser Oscillating Welding of TC31 High-Temperature Titanium Alloy ［J］. Metals ， 2020 ， 10 （ 9 ）： 1185 .

Chen X ， Lei Z ， Chen Y ， et al . Effect of Laser Beam Oscillation on Laser Welding-Brazing of Ti/Al Dissimilar Metals ［J］. Materials ， 2019 ， 12 （ 24 ）： 4165 .

Wen Dong ， Dong Wen ， Huang Rongrong ， et al . Effect of Beam Oscillating Parameters on Laser Welding of Mg/Ti Joints ［J］. Journal of physics. Conference series ， 2020 ， 1622 （ 1 ）： 012022 .

Sun Y ， Xu N ， Morisada Y ， et al . Microstructure and mechanical properties of friction stir welded pure Cu plates ［J］. Transactions of JWRI ， 2012 ， 41 （ 1 ）： 53 - 58 .

姜德富，潘洪文 . 激光摆动焊接头在纯铜连接中的应用［J］. 金属加工（热加工）， 2017 （ S1 ）： 24 - 25 .

JIANG Defu ， PAN Hongwen . Application of laser swing welding head in pure copper connection ［J］. MW Metal Forming ， 2017 （ S1 ）： 24 - 25 .

Masanori Miyagi ， Xudong Zhang ， Yousuke Kawahito ， et al . Surface void suppression for pure copper by high-speed laser scanner welding ［J］. Journal of Materials Processing Tech. ， 2017 （ 240 ）： 52 - 59 .

Franco D F . Wobbling laser beam welding of copper ［D］， 2017 .

Haeusler A ， Schürmann A ， Schöler C ， et al . Quality improvement of copper welds by laser micro welding with the usage of spatial power modulation ［J］. Journal of Laser Applications ， 2017 ， 29 （ 2 ）： 022422 .

Diana Franco ， J.P. Oliveira ， Telmo G. Santos ， et al . Analysis of copper sheets welded by fiber laser with beam oscillation ［J］. Optics and Laser Technology ， 2021 （ 133 ）： 106563 .

李军兆，刘一搏，孙清洁，等 . 激光摆动模式对铝/钢焊接接头成形特征及组织、强度的影响［J］. 中国激光， 2020 ， 47 （ 04 ）： 141 - 148 .

LI Junzhao ， LIU Yibo ， SUN Qingjie ， et al . Influence of Laser Swing Mode on Forming Characteristics， Microstructure and Strength of Aluminum/Steel Welded Joints ［J］. Chinese Journal of Lasers ， 2020 ， 47 （ 04 ）： 141 - 148 .

Kotadia H R ， Franciosa P ， Ceglarek D . Challenges and opportunities in remote laser welding of steel to aluminium ［J］. EDP Sciences ， 2019 （ 269 ）： 02012 .

Dr . Florian Albert， Philip Marben， Tom Graham. Remote Laser Welding of Steel and Aluminum Alloys ［J］. Laser Technik Journal ， 2017 ， 14 （ 1 ）： 32 - 35 .

Seffer O ， Springer A ， Kaierle S . Investigations on remote laser beam welding of dissimilar joints of aluminum alloys and steel with varying sheet thicknesses for car body construction ［J］. Journal of Laser Applications ， 2017 ， 29 （ 2 ）： 022414 .

编辑部网址： http：//www.71dhj.com http://www.71dhj.com