激光-電弧復(fù)合焊接技術(shù)及其應(yīng)用

1、激光-電弧復(fù)合焊接技術(shù)及其應(yīng)用 HIT-1029101 激光焊接以其能量密度高、焊速快、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)激光焊所存在的問題，激光一電弧復(fù)合焊是最好的選擇。激光-電弧復(fù)合焊將激光焊和電弧焊兩種工藝相結(jié)合，取長補(bǔ)短發(fā)揮各自優(yōu)勢，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。近年來，隨著電弧焊設(shè)備和激光器性能的提高，激光-電弧復(fù)合焊技術(shù)的發(fā)展日新月異，已成為激光焊接研究的熱點(diǎn)2。本文結(jié)

2、合國內(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、激光與電弧的相互作用以及激光-電弧復(fù)合焊成型的的影響因素等幾個(gè)方面的問題。1基本原理及提出背景激光一電弧復(fù)合焊接的原理如圖1所示，激光與電弧同時(shí)作用于金屬表而同一位置，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，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)電弧對母材進(jìn)行加熱，使母材溫度升高，母材對激光的吸收率提高，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

3、能量利用率提高，熔深進(jìn)一步增加。激光束對電弧還有聚焦、引導(dǎo)作用，使焊接過程中的電弧更加穩(wěn)定3。圖1.激光-電弧符合焊接的原理單獨(dú)激光熱源的作用區(qū)域小，復(fù)合焊中電弧的參與，擴(kuò)大了熱作用范圍，熔化金屬增多，橋接能力增強(qiáng)，降低了對焊件接口的裝配要求。同時(shí)電弧大的熱作用范圍、熱影響區(qū)擴(kuò)大，溫度梯度減小，冷卻速度降低，熔池凝固過程變得緩慢，焊接鋁合金等金屬時(shí)可減少或消除氣孔和裂紋的生成。電弧焊接容易使用焊茲填充焊縫，采用激光一電弧復(fù)合焊接的方法進(jìn)一步擴(kuò)大拼縫間隙的寬容度、減少或消除焊接后接口部位的凹陷，改善焊縫形貌;此外，通過選擇不同的焊茲，還可調(diào)整焊縫的化學(xué)成分，改善力學(xué)性能。 2 激光-電弧復(fù)合熱源

4、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)對工件進(jìn)行加熱完成焊接的過程。采用激光+電弧的復(fù)合方式可以充分地發(fā)揮兩種熱源的優(yōu)勢，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，激光一電弧復(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4。(l) 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。在激光的作用下電弧可以到達(dá)焊縫的深處

5、，使得熔深增加。其次由于電弧的作用會(huì)增大金屬對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)提高焊接速度，由于電弧的作用使得用較

6、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。 3激光與電弧的復(fù)合方式激光-電弧復(fù)合熱源使用的激光器一般有CO2和Nd:YAG激光器。根據(jù)激光與電弧的相對位置不同可分為: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。激光與電弧的相對位置不同會(huì)對焊縫的表面成形和內(nèi)部的性能產(chǎn)生重大的影響。激光束在電弧前，焊縫的上表面成形均勻且飽滿美觀，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。通過對焊縫的成分及

7、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焊接過程有影響，激光與電弧的間距不同對焊接過程也有影響。激光與電弧間距對激光復(fù)合焊熔滴過度有影響，在高速M(fèi)IG焊接時(shí)熔滴過度很不穩(wěn)定，而激光-MIG復(fù)合焊接時(shí)，由于激光等離子體對熔滴的熱輻射作用和對電

8、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)，使得熔滴的過渡過程發(fā)生了變化，對于不同的焊接電流，存在不同的最仕激光與電弧間距。在最佳間距下，熔滴過度形式為單一的穩(wěn)定射流過度，電流電壓恒定，焊縫成形良好。 根據(jù)電弧的不同，激光一電弧復(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0.5-5 m/min時(shí)，用SkW的激光配合300 A的TIG電弧其熔深是單獨(dú)Skw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。“陽極間隙法”

9、測量電流密度，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一MIG復(fù)合熱源焊接儲(chǔ)油罐的焊接系統(tǒng)，它能有效地焊5-8 mm厚的油罐。 (3)激光-離子復(fù)合焊。激光與等離子復(fù)合一般采用同軸復(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。激光一等離子復(fù)合焊高速焊接0.16 mm厚的鍍鋅板時(shí)發(fā)現(xiàn)，焊接時(shí)電弧非

10、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。 4激光與電弧的相互作用 在普通的電弧焊過程中，隨著焊速的不斷增加，電弧將出現(xiàn)不穩(wěn)定的情況。而在加入激光束后，焊接過程明顯變得穩(wěn)定，這是因?yàn)橛捎诩す鈱﹄娀〉奈蛪嚎s作用，使弧柱的電阻減小，場強(qiáng)降低，增加了電弧的穩(wěn)定性。 YAG與電弧復(fù)合焊接時(shí)，激光與電弧相互作用后，電弧電壓趨向穩(wěn)定，同時(shí)激光對電弧具有明顯的吸引和壓縮作用。而隨著電弧電流的增加，電弧的溫度不斷升高，體積不斷膨脹，等離子體對激光的阻礙作用隨之增加，激光的能量大部分用于加熱電

11、弧，導(dǎo)致電弧的體積進(jìn)一步膨脹，在這種情況下的焊縫熔寬較大，熔深較小。而電弧本身可以起到強(qiáng)化激光，稀釋等離子體、預(yù)熱工件的作用，在電流較小時(shí)，等離子體的密度被稀釋，減弱其對激光的屏蔽作用，從而增大激光到達(dá)工件表面的能量.可以進(jìn)一步的提高金屬對激光的吸收率。張寰臻等5對直流TIG電弧對高功率CO2光光束的特性進(jìn)行了研究，研究表明TIG電弧會(huì)將激光的部分能量吸收掉，吸收率隨著TIG電弧的電流及激光的功率增加而不斷增加，而且激光的位置越靠近陽極吸收率越高;電弧等離子體對激光有折射效應(yīng)會(huì)使激光束散焦、變形并向陰極方向偏轉(zhuǎn)，入射的激光功率越高、電弧的電流越大、激光的位置越靠近陽極，光束散焦越明顯。電弧對激

12、光的吸收和散焦的共同作用，使得電弧激光功率密度顯著降低。當(dāng)激光功率達(dá)到1500 W時(shí)，中心功率密度的降低接近90%，但電弧對YAG激光束的影響較小。500 W的Nd:YAG激光穿過直流100 A的TIG電弧后的能量，結(jié)果顯現(xiàn)激光功率密度的損耗非常的小，幾乎可忽略不計(jì)，而且電弧對激光的散射作用也不明顯。不僅激光與電弧間存在相互作用，電弧氣氛對激光與電弧也有影響，而且不同的氣氛其影響還不一樣。對比研究氫氣和氦氣下對CO2光與直流TIG電弧垂直相互作用時(shí)的光束特性和電弧特性。結(jié)果表明，氫氣氣氛時(shí)激光功率顯著減小，同時(shí)激光束散焦，激光束的功率密度分布嚴(yán)重劣化;TIG電弧的電壓降低，電弧的體積膨脹甚至產(chǎn)

13、生燃燒波;氦氣氣氛時(shí)激光電弧相互作用時(shí)光束特性及電弧特性變化不大。CO2激光與氫弧相互作用時(shí)，激光功率衰減可達(dá)65%以上，而CO2激光與氦弧相互作用時(shí)，在激光功率為3500 W時(shí)，電弧對激光的吸收率僅為3.5%，而且光束特性和電弧特性沒有明顯的變化。5激光-電弧復(fù)合焊接成形的影響因素 影響激光-電弧復(fù)合焊成形的因素很多，主要有:電弧電流，激光功率，離焦量，激光與電弧的相對位置，焊接速度。它們嚴(yán)重地影響焊縫成型和焊接質(zhì)量。（1）電弧電流。在激光功率一定，電流較小時(shí)隨著電流的增大熔深增加，但當(dāng)電流較大時(shí)隨著電流的增大熔深變化不大有時(shí)甚至減小。對雙焦點(diǎn)激光一IG電弧復(fù)合焊接工藝的研究發(fā)現(xiàn)，在同一激光

14、功率下，熔深隨著電弧電流的增加而增大，當(dāng)電流大到某一值時(shí)熔深達(dá)到最大值，隨后當(dāng)繼續(xù)增大電流熔深反而減小。（2）激光功率。激光功率是影響復(fù)合熱源熔一釬焊的主要焊接參數(shù)。激光功率對焊縫成型影響很大，特別是對熔深的影響最大。隨著功率的增加熔深變大。雷振等6對鋁鋼的激光復(fù)合焊的研究表明，熔深隨著激光功率的增加而增大。 激光功率對熔寬也有影響，但不是很明顯。從對雙焦點(diǎn)激光一rI'IG電弧復(fù)合焊接工藝研究表明，在較小的電弧電流下熔寬隨功率的增大而變寬，但是在大電流下這種變化不明顯。 (3)離焦量。離焦量對電弧的穩(wěn)定性及熔寬影響不大，但對熔深有較大影響。通常定義激光束的焦點(diǎn)在工件表面為零離焦量，在工

15、件之上為正離焦量，在3工件之下為負(fù)離焦量。一般存在一個(gè)適當(dāng)?shù)碾x焦量使得熔深最大。在電弧與YAG復(fù)合焊時(shí)，得出最佳的離焦量是-1mm。研究不銹鋼YAG-MAG激光復(fù)合焊時(shí)發(fā)現(xiàn)，在相同的離焦量下復(fù)合焊時(shí)的熔深是激光焊時(shí)的兩倍。 (4)激光與電弧的相對位置。激光與電弧的相對位置對復(fù)合焊焊縫的成型及焊縫質(zhì)量有影響。研究表明，激光束在前而電弧在后時(shí)焊縫上表面成型均勻飽滿，而電弧在前激光束在后焊縫表面會(huì)出現(xiàn)傾斜溝槽，而且前者焊縫上部的硬度小于下部，而后者焊縫上部的硬度大于下部。 (5)焊接速度。在一定激光功率下，隨著焊接速度的增加，熔深、熔寬變小。這是因?yàn)樵谝欢ǖ募す夤β屎秃附与娏飨?，隨著焊接速度的變大單

16、位時(shí)間單位長度的范圍內(nèi)熱輸入減小，從而熱源向四周傳播的熱量減少，用于金屬熔化的熱量就減少，因而熔深、熔寬變小。其次因?yàn)楹附铀俣茸兇?，電弧收縮，使得電弧加熱區(qū)域的范圍減小，因而熔寬減小。哈爾濱焊接研究所的秦國梁等對Na:YAG激光+脈沖GMAW復(fù)合熱源焊接參數(shù)對焊縫熔寬影響的研究證實(shí)了這一點(diǎn)，即隨焊速的提高熔寬變小。 在一定激光功率下，隨著焊接速度的增加熔深、熔寬變小，熔深變淺甚至無法焊透;適當(dāng)降低焊速可以增大熔深，但焊速過慢可能導(dǎo)致焊件過度熔化，甚至焊穿，因此必須找到一個(gè)適當(dāng)?shù)暮附庸に?，既滿足高效的要求又能獲得較大的熔深。鋁/鋼激光一MIG復(fù)合熱源熔一釬連接試驗(yàn)研究表明，利用該連接方法可以實(shí)現(xiàn)

17、高速的鋁/鋼焊接，最高焊接速度可達(dá)5 m/min.6 激光一電弧復(fù)合焊接在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用7盡管激光一電弧復(fù)合焊作為一項(xiàng)應(yīng)用技術(shù)還處于其初始階段，但是它已經(jīng)在很多工業(yè)領(lǐng)域顯示出強(qiáng)大的優(yōu)勢。目前激光一電弧復(fù)合焊系統(tǒng)正向集成化、輕型化、智能化發(fā)展，將廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中 6.1 在造船業(yè)中的應(yīng)用 一般船體結(jié)構(gòu)中，鋼結(jié)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。激光一電弧復(fù)合焊接是一種實(shí)效的連接方法，它在美國海軍連接中心(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)日。 表1 19751996年船體材料焊接情況(ESAB 1999)

18、 NJC/EWI針對船體結(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)件焊接過程中對激光一MIG復(fù)合熱源焊接與常規(guī)焊、激光焊進(jìn)行比較研究，研究內(nèi)容包括了焊接效率、材料特性、接頭形式、焊縫變形等多方而。焊縫接頭通過彎曲、拉伸、卻貝等試驗(yàn)，證明激光電弧復(fù)合焊技術(shù)完全滿足美國海軍典型船結(jié)構(gòu)材料焊接結(jié)構(gòu)的要求。圖2常規(guī)焊、激光焊接和復(fù)合熱源焊接的試驗(yàn)結(jié)果對比。在焊接結(jié)果中可明顯看出激光一MIG復(fù)合熱源焊接的優(yōu)勢。 圖2常規(guī)焊、激光焊接和復(fù)合熱源焊接的試驗(yàn)結(jié)果對比 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Meyer-Werft造船廠實(shí)現(xiàn)，該生產(chǎn)線采用CO:激光-GMAW復(fù)合熱

19、源，主要用于船體平板和加強(qiáng)筋焊接。工藝過程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，如平板對接焊流程: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。平板對焊焊炬一次可行走范圍為20 mx20 m，焊縫間隙熔寬達(dá)1 mm，與常規(guī)電弧焊接相比，復(fù)合焊熱輸入減少10%，5mm厚板的對接焊，速度提高3倍以上。目前，一些大中型造船廠的中厚板焊接都積極采用了該項(xiàng)技術(shù)。 還有一些造船廠出于經(jīng)濟(jì)上的考慮，直接將現(xiàn)有焊接生產(chǎn)線上的普通焊接機(jī)頭改裝為復(fù)合焊炬，德國vaerner Warnow Werft造船廠就是一起成功的實(shí)例，改裝后的復(fù)合焊炬繼續(xù)使原有焊接平臺(tái)，焊接船板焊縫，焊

20、縫性能滿足要求，生產(chǎn)效率大大提高。 近年來，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)，限制了它們在造船業(yè)中的進(jìn)一步應(yīng)用。激光一電弧復(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)效率在造船這種長周期的制造工業(yè)中更為重要。 6.2 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大眾的Audi A2,A8及日本本

21、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)。 在鋁合金車身焊接中，以前主要采用激光焊和熔化極氣體保護(hù)焊，隨著激光一電弧復(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4.5 m長激光一電弧復(fù)合焊，主要分布在車架的橫向頂框上。其激光輸出功率為3.8 kW，焊接速度3.6 m/min，送茲速率4.5 m/min。輝騰(phaeton)系列車身中，所有的車門都采用了復(fù)合焊接，這些車門焊縫總長4 980 mm，7處為熔化極氣體保護(hù)焊，焊縫長380 mm; 11處為激光焊，焊縫長1030 mm ; 48處為復(fù)合焊，焊縫長3570 mm。 激光一電弧復(fù)合焊

22、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)用愈來愈廣，特別是在代替原來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，電弧部分通過填充焊茲增加焊縫橋接能力，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，對提高生產(chǎn)力起到了顯著的效果。6.3 在其他行業(yè)中的應(yīng)用 石油化工的油罐、管道連接也是激光一電弧復(fù)合焊一個(gè)重要的應(yīng)用方而。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)生缺陷。復(fù)合焊則充分利用電弧