激光-電弧復(fù)合焊接技術(shù)與應(yīng)用

1、 哈爾濱工業(yè)大學(xué)激光-電弧復(fù)合焊接技術(shù)及其應(yīng)用學(xué)生：XXX學(xué)號(hào)：XXXXXX班級(jí)：XXXXXX2013年 月 日摘要：結(jié)合國(guó)內(nèi)外激光-電弧復(fù)合焊的研究現(xiàn)狀，概括了激光-電弧復(fù)合焊的特點(diǎn)、激光電弧復(fù)合方式。介紹了激光-電弧復(fù)合焊接技術(shù)特點(diǎn)、闡述了此技術(shù)的原理、優(yōu)勢(shì)及其應(yīng)用前景。關(guān)鍵詞：激光-電弧復(fù)合；焊接；應(yīng)用激光焊接以其能量密度高、焊接速度快、變形小、熔深大和易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于各種結(jié)構(gòu)件的焊接。但是，與其他焊接熱源一樣，激光焊也有其缺點(diǎn)：設(shè)備投資大，能量利用率低，焊前的準(zhǔn)備工作要求高，接頭中易產(chǎn)生氣孔、裂紋、咬邊等缺陷。為避免單獨(dú)激光焊所存在的問(wèn)題， 激光-電弧復(fù)合焊是最好的選擇

2、。激光-電弧復(fù)合焊將激光焊和電弧焊兩種工藝相結(jié)合，取長(zhǎng)補(bǔ)短發(fā)揮各自優(yōu)勢(shì)，不僅能獲得好的焊接質(zhì)量和生產(chǎn)效益， 而且還能降低成本，實(shí)現(xiàn)高效、優(yōu)質(zhì)的焊接1。0 背景及基本原理激光電弧復(fù)合焊接始于20世紀(jì)70年代末，由英國(guó)倫敦帝國(guó)大學(xué)學(xué)者W.M.Steen首先提出，但直到最近幾年，由于工業(yè)生產(chǎn)的需要，才逐步成為國(guó)際焊接界的關(guān)注焦點(diǎn)，并得到了廣泛重視。目前，作為一種新興焊接技術(shù)，在德國(guó)、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家已先后進(jìn)入了工業(yè)化應(yīng)用階段。激光-電弧復(fù)合焊接的原理如圖1所示，激光與電弧同時(shí)作用于金屬表面同一位置，焊縫上方因激光作用而產(chǎn)生光致等離子體云，等離子云對(duì)入射激光的吸收和散射會(huì)降低激光能量利用率，外加電弧后，

3、低溫低密度的電弧等離子體使激光致等離子體被稀釋，激光能量傳輸效率提高；同時(shí)電弧對(duì)母材進(jìn)行加熱，使母材溫度升高，母材對(duì)激光的吸收率提高，焊接熔深增加。另外，激光熔化金屬，為電弧提供自由電子，降低了電弧通道的電阻，電弧的能量利用率也提高，從而使總的能量利用率提高，熔深進(jìn)一步增加6。激光束對(duì)電弧還有聚焦、引導(dǎo)作用，使焊接過(guò)程中的電弧更加穩(wěn)定2。圖2. 工業(yè)用復(fù)合焊炬產(chǎn)品圖1. 激光-電弧復(fù)合焊接原理多年的復(fù)合熱源焊接基礎(chǔ)研究，證明了激光-電弧復(fù)合焊接熱源的優(yōu)勢(shì)和工業(yè)應(yīng)用的可行性，國(guó)內(nèi)外多家研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)同時(shí)開展了專用設(shè)備的研制。哈工大的陳彥斌教授研制了一種利用空心鎢極尖端產(chǎn)生電弧，激光從空心鎢極中間

4、穿過(guò)環(huán)狀電弧到達(dá)工件表面的CO2激光-TIG同軸復(fù)合焊炬；蘭州理工大學(xué)的樊丁與日本大阪大學(xué)的中田一博等人聯(lián)合設(shè)計(jì)YAG激光-脈沖MIG電弧復(fù)合焊炬8；清華大學(xué)的張旭東、陳武柱申請(qǐng)了激光-電弧同軸復(fù)合焊炬的專利。但國(guó)內(nèi)還沒有出現(xiàn)商業(yè)化的激光-電弧復(fù)合焊接設(shè)備。國(guó)外從事這方面的研究機(jī)構(gòu)較多，如德國(guó)的Fruanhofer 激光技術(shù)研究院(ILT);、英國(guó)的焊接研究所（TWI）、烏克蘭巴頓焊接研究所（Paton）、日本三菱重工等。在日本及歐美一些發(fā)達(dá)國(guó)家，由于工業(yè)上的需求，各式的實(shí)用復(fù)合焊炬已應(yīng)運(yùn)而生，比較著名的激光-電弧復(fù)合焊專用設(shè)備的生產(chǎn)廠家有HIGHYAG 和Fronius。其典型復(fù)合焊炬產(chǎn)品如

5、圖2所示。1 激光-電弧復(fù)合熱源焊接的特點(diǎn)激光-電弧復(fù)合熱源焊接是將電弧與較小功率的激光配合一起從而獲得大熔深的焊接方法。它是將兩種物理性質(zhì)、能量傳輸機(jī)制截然不同的熱源復(fù)合在一起，共同作用于工件表面，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)工件進(jìn)行加熱完成焊接的過(guò)程。采用激光與電弧的復(fù)合方式可以充分地發(fā)揮兩種熱源的優(yōu)勢(shì)，彌補(bǔ)雙方的不足，是一種新型、優(yōu)質(zhì)、高效、節(jié)能的焊接方法。在同等條件下，激光-電弧復(fù)合焊比單一的激光焊或電弧焊具有更強(qiáng)的適應(yīng)性，焊縫的成型性更好。其優(yōu)點(diǎn)如下3：(1) 提高了焊接接頭的適應(yīng)性。由于電弧的作用降低了激光對(duì)接頭間隙的裝配精度的要求，因此可以在較大的接頭間隙下實(shí)現(xiàn)焊接。(2) 增加了焊縫的熔深。在激

6、光的作用下電弧可以到達(dá)焊縫的深處，使得熔深增加。其次由于電弧的作用會(huì)增大金屬對(duì)激光的吸收率也是熔深增大的原因。(3) 改善焊縫質(zhì)量，減少焊接缺陷。激光的作用使得焊縫的加熱時(shí)間變短，不易產(chǎn)生晶粒過(guò)大而且使熱影響區(qū)減小，改善焊縫組織性能。由于在電弧的作用下復(fù)合熱源能夠減緩熔池的凝固時(shí)間，使得熔池的相變充分的進(jìn)行，而且有利于氣體的溢出，能夠有效地減少氣孔、裂紋、咬邊等焊接缺陷。(4) 增加焊接過(guò)程的穩(wěn)定性。由于激光的作用在熔池中會(huì)形成匙孔，它對(duì)電弧有吸引作用，從而增加了焊接的穩(wěn)定性。而且匙孔會(huì)使電弧的根部壓縮，從而增大電弧能量的利用率。(5) 提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本。激光與電弧的相互作用會(huì)提高焊

7、接速度， 由于電弧的作用使得用較小功率的激光器就能達(dá)到很好的焊接效果，與激光焊相比可以降低設(shè)備成本。2 激光-電弧的復(fù)合方式激光-電弧復(fù)合熱源使用的激光器一般有CO2激光器和Nd:YAG激光器。根據(jù)激光與電弧的相對(duì)位置不同可分為3：同軸復(fù)合，即激光與電弧處于同軸共同作用于工件的同一位置；旁軸復(fù)合，即激光束與電弧以一定的角度共同作用于工件的同一位置。激光與電弧的旁軸復(fù)合根據(jù)不同情況又可分為激光在電弧前和激光在電弧后兩種。激光與電弧的相對(duì)位置不同會(huì)對(duì)焊縫的表面成形和內(nèi)部的性能產(chǎn)生重大的影響。高志國(guó)等4對(duì)激光-MIG復(fù)合焊中激光與電弧前后位置對(duì)焊縫成形影響的研究表明，激光束在電弧前，焊縫的上表面成形

8、均勻且飽滿美觀，特別是在焊接速度較大的情況下效果更明顯；而電弧在激光束前，焊縫的上表面會(huì)出現(xiàn)溝槽。通過(guò)對(duì)焊縫的成分及性能進(jìn)行分析，得知兩種情況下Mg元素含量都是從焊縫上部到下部遞增，而激光在電弧前焊縫上部的硬度小于下部，激光在電弧后焊縫上部的硬度大于下部的硬度。出現(xiàn)這種情況的原因是電弧在后時(shí)，熱源作用面積大，熱源移走后焊縫冷卻慢而有利于熔池中的氣體溢出，因此成型好；而且電弧熱源作用于激光后相當(dāng)于對(duì)焊縫進(jìn)行一次回火而其熱量不能傳輸?shù)胶缚p較深處，故而下部未回火，因此焊縫上部的硬度小于下部。不僅激光與電弧的前后不同對(duì)焊接過(guò)程有影響，激光與電弧的間距不同對(duì)焊接過(guò)程也有影響。胡連海等6的研究表明，激光與

9、電弧間距對(duì)激光復(fù)合焊熔滴過(guò)度有影響，在高速M(fèi)IG焊接時(shí)熔滴過(guò)度很不穩(wěn)定，而激光-MIG復(fù)合焊接時(shí)，由于激光等離子體對(duì)熔滴的熱輻射作用和對(duì)電弧的吸收作用改變了電弧的形態(tài)及相應(yīng)的熔滴的受力狀態(tài)， 使得熔滴的過(guò)渡過(guò)程發(fā)生了變化，對(duì)于不同的焊接電流，存在不同的最佳激光與電弧間距。在最佳間距下，熔滴過(guò)度形式為單一的穩(wěn)定射流過(guò)度，電流電壓恒定，焊縫成形良好1。根據(jù)電弧的不同，目前激光-電弧復(fù)合焊方法主要有：(1) 激光-TIG復(fù)合焊。它的焊接速是激光焊的幾倍以上，多數(shù)用于薄板高速焊，也可用于不等厚材料對(duì)接焊縫的焊接。這種復(fù)合方法是激光復(fù)合焊中最早進(jìn)行研究的。Matsuda 等研究表明，當(dāng)焊速為0.55 m

10、/min時(shí)，用5kW的激光配合300A的TIG電弧其熔深是單獨(dú)5 kW激光焊接熔深的1.32.0倍，而且焊縫不出現(xiàn)咬邊和氣孔的缺陷。Avilov應(yīng)用“陽(yáng)極間隙法”測(cè)量電流密度,結(jié)果表明，在電弧復(fù)合激光作用之后，其電流密度得到明顯的提高。(2) 激光-MIG復(fù)合焊。利用填焊絲的優(yōu)勢(shì)可以改善焊縫的冶金性能和微觀組織結(jié)構(gòu)， 常用于焊接中厚板。因此這種方法主要用于造船業(yè)，管道運(yùn)輸業(yè)和重型汽車制造業(yè)。在德國(guó)已將這種復(fù)合技術(shù)研制到了實(shí)用階段，F(xiàn)raunhofer 研究所已研制出一套激光-MIG復(fù)合熱源焊接儲(chǔ)油罐的焊接系統(tǒng)， 它能有效地焊接58mm厚的油罐。(3) 激光-等離子復(fù)合焊。激光與等離子復(fù)合一般采

11、用同軸復(fù)合方式。等離子弧具有剛性好、溫度高、方向性好、電弧易引燃等優(yōu)點(diǎn)，非常有利于進(jìn)行復(fù)合熱源焊接。Blundell等人采用激光-等離子復(fù)合焊高速焊接0.16mm厚的鍍鋅板時(shí)發(fā)現(xiàn)， 焊接時(shí)電弧非常穩(wěn)定，即使是在90 m/min時(shí)電弧也很穩(wěn)定而且不會(huì)出現(xiàn)單純激光焊接時(shí)的缺陷， 而單獨(dú)激光焊接時(shí)在48 m/min時(shí)就會(huì)出現(xiàn)電弧不穩(wěn)現(xiàn)象而且還會(huì)出現(xiàn)焊接缺陷1。3 激光-電弧焊接的應(yīng)用23.1 在汽車工業(yè)中的應(yīng)用汽車行業(yè)中，隨著車輛運(yùn)輸設(shè)備朝著輕量化發(fā)展，車身框架結(jié)構(gòu)中也更多地引入了鋁、鋁鎂等輕質(zhì)合金，其旨主要為了節(jié)約能源，減少污染，改善車輛機(jī)動(dòng)性能以及車身材料的再生性。典型的鋁合金車型有德國(guó)大眾的A

12、udi A2、A8及日本本田的NXS，大眾的新款A(yù)udi A8更是采用了全鋁合金框架結(jié)構(gòu)。在鋁合金車身焊接圖4. 輝騰車型前車門及搭接復(fù)合焊縫圖3. Audi車身橫向頂框激光-電弧復(fù)合焊縫中，以前主要采用激光焊和熔化極氣體保護(hù)焊，隨著激光-電弧復(fù)合焊工藝的成熟，車身焊縫復(fù)合焊所占比例也逐步上升。Audi A8車身焊縫中有4.5m長(zhǎng)激光-電弧復(fù)合焊，主要分布在車架的橫向頂框上，如圖3所示。其激光輸出功率為3.8kW，焊接速度3.6m/min，送絲速率4.5m/min。輝騰(plaeton)系列車身中，所有的車門都采用了復(fù)合焊接.，圖4為其前車門結(jié)構(gòu)示意圖，這些車門焊縫總長(zhǎng)4980mm,7處為熔化

13、極氣體保護(hù)焊，焊縫長(zhǎng)380mm；11處為激光焊，焊縫長(zhǎng)1030；48 處為復(fù)合焊，焊縫長(zhǎng)3570mm。激光-電弧復(fù)合焊接在汽車制造業(yè)中是一種全新的連接技術(shù)，兩者能量的協(xié)同優(yōu)化作用，使得應(yīng)用愈來(lái)愈廣，特別是在代替原來(lái)激光焊接焊前裝配要求很嚴(yán)格或是焊接性能不可能達(dá)到要求的部位。通過(guò)選擇不同的工藝參數(shù)，獲得需要的焊縫形貌及其結(jié)構(gòu)組成，電弧部分通過(guò)填充焊絲增加焊縫橋接能力，降低焊前裝配要求，而激光增加熔深，兩者的復(fù)合，工藝更加穩(wěn)定。寬廣的應(yīng)用和工藝的低適應(yīng)性，使得復(fù)合焊在汽車制造中減少設(shè)備成本投入，縮短生產(chǎn)周期，降低生產(chǎn)成本，對(duì)提高生產(chǎn)力起到了顯著的效果2。3.2 在造船業(yè)中的應(yīng)用一般船體結(jié)構(gòu)中，鋼結(jié)

14、構(gòu)占主體，傳統(tǒng)的焊接方法為手工電弧焊和MIG/MAG焊(見表1);，但效率較低。激光-電弧復(fù)合焊接是一種實(shí)效的連接方法，它在美國(guó)海軍連接中心(NJC)和愛迪生焊接研究所(EWI)的“船體結(jié)構(gòu)復(fù)合熱源焊接”合作項(xiàng)目中得到證實(shí)。圖3. 不同焊接熱源之間的試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比NJC/EWI針對(duì)船體結(jié)構(gòu)件的復(fù)合熱源焊接技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，在船體的結(jié)構(gòu)件焊接過(guò)程中對(duì)激光-MIG 復(fù)合熱源焊接與常規(guī)焊、激光焊進(jìn)行比較研究，研究?jī)?nèi)容包括了焊接效率、材料特性、接頭形式、焊縫變形等多方面。焊縫接頭通過(guò)彎曲、拉伸等試驗(yàn)，證明激光電弧復(fù)合焊技術(shù)完全滿足美國(guó)海軍典型船結(jié)構(gòu)材料焊接結(jié)構(gòu)的要求。圖5為常規(guī)焊、激光焊接和復(fù)合熱源

15、焊接的試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比。在焊接結(jié)果中可明顯看出激光-MIG 復(fù)合熱源焊接的優(yōu)勢(shì)。圖5. 不同焊接熱源之間的試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比激光-電弧復(fù)合焊應(yīng)用于造船業(yè)的第一條生產(chǎn)線于2002年在德國(guó)Meyer-Werft造船廠實(shí)現(xiàn),該生產(chǎn)線采用CO2激光-GMAW復(fù)合熱源，主要用于船體平板和加強(qiáng)筋焊接，如圖6 所示。工藝過(guò)程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，如平板對(duì)接焊流程：計(jì)算機(jī)控制板料進(jìn)給速度和邊緣定位；板料夾緊；焊縫焊前研磨機(jī)預(yù)處理；板料進(jìn)給拼縫；復(fù)合焊接；夾具松開，板料移走。平板對(duì)焊焊炬一次可行走范圍為20m*20m，焊縫間隙熔寬達(dá)1mm，與常規(guī)電弧焊接相比，復(fù)合焊熱輸入減少10%，厚板的對(duì)接焊，速度提高3倍以上。目前，一些大中型

16、造船廠的中厚板焊接都積極采用了該項(xiàng)技術(shù)。近年來(lái)，一些船體中開始引進(jìn)鋁合金結(jié)構(gòu)，特別是快艇、渡輪、巡邏船、豪華游船等。傳統(tǒng)的焊接方法可焊鋁合金種類有限，容易產(chǎn)生缺陷，使鋁合金不能充分發(fā)揮其優(yōu)點(diǎn)，限制了它們?cè)谠齑瑯I(yè)中的進(jìn)一步應(yīng)用。激光-電弧復(fù)合焊則可克服上述缺點(diǎn)，是一種有效的解決方法。除了工藝適用的廣泛性外，高的生產(chǎn)效率在造船這種長(zhǎng)周期的制造工業(yè)中更為重要。圖6. 德國(guó)Meyer-Werft造船廠船板復(fù)合焊接及焊縫3.3 在其他行業(yè)中的應(yīng)用石油化工的油罐、管道連接也是激光-電弧復(fù)合焊一個(gè)重要的應(yīng)用方面。通常的石油管道壁厚較大，常規(guī)電弧焊接需要設(shè)計(jì)特殊的坡口，進(jìn)行多道焊，在反復(fù)的起弧收弧階段易產(chǎn)生缺

17、陷。復(fù)合焊則充分利用電弧焊的橋接能力和激光焊的深熔性，能一次單道焊接成形，減少焊接缺陷，提高焊接效率。2000年，美國(guó)的EWI簽訂了名為“YAG管道”的運(yùn)輸管道連接項(xiàng)目，其目的在于減少焊接管道成本和提高焊接管道的工作效率。同年，德國(guó)Fruanhofer研究所研制了一套激光-MIG電弧復(fù)合熱源焊接儲(chǔ)油罐的焊接系統(tǒng)(見圖)，采用1.5m/min. 的焊接速度，焊接壁厚58mm，管徑1.6m 的小油箱(用時(shí)不到三分半)，油箱焊接所采用激光功率為5.7kW、焊接電壓29V、電流240A。焊縫橫截面如圖 所示，焊后通過(guò)X射線攝影檢測(cè)，焊縫無(wú)氣孔，無(wú)裂紋，焊縫質(zhì)量通過(guò)德國(guó)TUV 鑒定。目前，美國(guó)賓夕法尼亞州應(yīng)用研究實(shí)驗(yàn)室(ARL)和鋼鐵造船公司(NASSCO)也正在聯(lián)合設(shè)計(jì)組建類似的管道復(fù)合焊系統(tǒng)，該項(xiàng)目將歷時(shí)兩年，到2006年底正式交付于工業(yè)應(yīng)用。圖7. 儲(chǔ)油罐復(fù)合焊接系統(tǒng)圖8. 油罐壁復(fù)合焊縫形貌參考文獻(xiàn)1 樊丁,董皕喆,余淑榮,張?jiān)娬?激光-電弧復(fù)合焊接的技術(shù)特點(diǎn)與研究進(jìn)展.熱加工工藝,2011 ,40 (11 ):164-169.2 王治宇,王春明,胡倫驥,胡席遠(yuǎn).激光-電弧復(fù)合焊接的應(yīng)用.電焊機(jī)，2006,2(36):38-41.3 陳彥賓.現(xiàn)代激光焊接技術(shù)M.北京:科學(xué)出版社.4 高志國(guó)，黃堅(jiān)，李亞玲等激光-MIG