激光-電弧復合焊接技術與應用

1、 哈爾濱工業(yè)大學激光-電弧復合焊接技術及其應用學生：XXX學號：XXXXXX班級：XXXXXX2013年 月 日摘要：結合國內外激光-電弧復合焊的研究現(xiàn)狀，概括了激光-電弧復合焊的特點、激光電弧復合方式。介紹了激光-電弧復合焊接技術特點、闡述了此技術的原理、優(yōu)勢及其應用前景。關鍵詞：激光-電弧復合；焊接；應用激光焊接以其能量密度高、焊接速度快、變形小、熔深大和易實現(xiàn)自動化等優(yōu)點而被廣泛應用于各種結構件的焊接。但是，與其他焊接熱源一樣，激光焊也有其缺點：設備投資大，能量利用率低，焊前的準備工作要求高，接頭中易產生氣孔、裂紋、咬邊等缺陷。為避免單獨激光焊所存在的問題， 激光-電弧復合焊是最好的選擇

2、。激光-電弧復合焊將激光焊和電弧焊兩種工藝相結合，取長補短發(fā)揮各自優(yōu)勢，不僅能獲得好的焊接質量和生產效益， 而且還能降低成本，實現(xiàn)高效、優(yōu)質的焊接1。0 背景及基本原理激光電弧復合焊接始于20世紀70年代末，由英國倫敦帝國大學學者W.M.Steen首先提出，但直到最近幾年，由于工業(yè)生產的需要，才逐步成為國際焊接界的關注焦點，并得到了廣泛重視。目前，作為一種新興焊接技術，在德國、日本等發(fā)達國家已先后進入了工業(yè)化應用階段。激光-電弧復合焊接的原理如圖1所示，激光與電弧同時作用于金屬表面同一位置，焊縫上方因激光作用而產生光致等離子體云，等離子云對入射激光的吸收和散射會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；同時電弧對母材進行加熱，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，從而使總的能量利用率提高，熔深進一步增加6。激光束對電弧還有聚焦、引導作用，使焊接過程中的電弧更加穩(wěn)定2。圖2. 工業(yè)用復合焊炬產品圖1. 激光-電弧復合焊接原理多年的復合熱源焊接基礎研究，證明了激光-電弧復合焊接熱源的優(yōu)勢和工業(yè)應用的可行性，國內外多家研究機構和企業(yè)同時開展了專用設備的研制。哈工大的陳彥斌教授研制了一種利用空心鎢極尖端產生電弧，激光從空心鎢極中間

4、穿過環(huán)狀電弧到達工件表面的CO2激光-TIG同軸復合焊炬；蘭州理工大學的樊丁與日本大阪大學的中田一博等人聯(lián)合設計YAG激光-脈沖MIG電弧復合焊炬8；清華大學的張旭東、陳武柱申請了激光-電弧同軸復合焊炬的專利。但國內還沒有出現(xiàn)商業(yè)化的激光-電弧復合焊接設備。國外從事這方面的研究機構較多，如德國的Fruanhofer 激光技術研究院(ILT);、英國的焊接研究所（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)達國家，由于工業(yè)上的需求，各式的實用復合焊炬已應運而生，比較著名的激光-電弧復合焊專用設備的生產廠家有HIGHYAG 和Fronius。其典型復合焊炬產品如

5、圖2所示。1 激光-電弧復合熱源焊接的特點激光-電弧復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、能量傳輸機制截然不同的熱源復合在一起，共同作用于工件表面，從而實現(xiàn)對工件進行加熱完成焊接的過程。采用激光與電弧的復合方式可以充分地發(fā)揮兩種熱源的優(yōu)勢，彌補雙方的不足，是一種新型、優(yōu)質、高效、節(jié)能的焊接方法。在同等條件下，激光-電弧復合焊比單一的激光焊或電弧焊具有更強的適應性，焊縫的成型性更好。其優(yōu)點如下3：(1) 提高了焊接接頭的適應性。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焊縫的深處，使得熔深增加。其次由于電弧的作用會增大金屬對激光的吸收率也是熔深增大的原因。(3) 改善焊縫質量，減少焊接缺陷。激光的作用使得焊縫的加熱時間變短，不易產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合熱源能夠減緩熔池的凝固時間，使得熔池的相變充分的進行，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) 提高生產效率，降低生產成本。激光與電弧的相互作用會提高焊

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到很好的焊接效果，與激光焊相比可以降低設備成本。2 激光-電弧的復合方式激光-電弧復合熱源使用的激光器一般有CO2激光器和Nd:YAG激光器。根據激光與電弧的相對位置不同可分為3：同軸復合，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合根據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對焊縫的表面成形和內部的性能產生重大的影響。高志國等4對激光-MIG復合焊中激光與電弧前后位置對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，焊縫的上表面會出現(xiàn)溝槽。通過對焊縫的成分及性能進行分析，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，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于對焊縫進行一次回火而其熱量不能傳輸到焊縫較深處，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。胡連海等6的研究表明，激光與

9、電弧間距對激光復合焊熔滴過度有影響，在高速MIG焊接時熔滴過度很不穩(wěn)定，而激光-MIG復合焊接時，由于激光等離子體對熔滴的熱輻射作用和對電弧的吸收作用改變了電弧的形態(tài)及相應的熔滴的受力狀態(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，存在不同的最佳激光與電弧間距。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1。根據電弧的不同，目前激光-電弧復合焊方法主要有：(1) 激光-TIG復合焊。它的焊接速是激光焊的幾倍以上，多數用于薄板高速焊，也可用于不等厚材料對接焊縫的焊接。這種復合方法是激光復合焊中最早進行研究的。Matsuda 等研究表明，當焊速為0.55 m

10、/min時，用5kW的激光配合300A的TIG電弧其熔深是單獨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應用“陽極間隙法”測量電流密度,結果表明，在電弧復合激光作用之后，其電流密度得到明顯的提高。(2) 激光-MIG復合焊。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構， 常用于焊接中厚板。因此這種方法主要用于造船業(yè)，管道運輸業(yè)和重型汽車制造業(yè)。在德國已將這種復合技術研制到了實用階段，F(xiàn)raunhofer 研究所已研制出一套激光-MIG復合熱源焊接儲油罐的焊接系統(tǒng)， 它能有效地焊接58mm厚的油罐。(3) 激光-等離子復合焊。激光與等離子復合一般采

11、用同軸復合方式。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，非常有利于進行復合熱源焊接。Blundell等人采用激光-等離子復合焊高速焊接0.16mm厚的鍍鋅板時發(fā)現(xiàn)， 焊接時電弧非常穩(wěn)定，即使是在90 m/min時電弧也很穩(wěn)定而且不會出現(xiàn)單純激光焊接時的缺陷， 而單獨激光焊接時在48 m/min時就會出現(xiàn)電弧不穩(wěn)現(xiàn)象而且還會出現(xiàn)焊接缺陷1。3 激光-電弧焊接的應用23.1 在汽車工業(yè)中的應用汽車行業(yè)中，隨著車輛運輸設備朝著輕量化發(fā)展，車身框架結構中也更多地引入了鋁、鋁鎂等輕質合金，其旨主要為了節(jié)約能源，減少污染，改善車輛機動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A

12、udi A2、A8及日本本田的NXS，大眾的新款Audi A8更是采用了全鋁合金框架結構。在鋁合金車身焊接圖4. 輝騰車型前車門及搭接復合焊縫圖3. Audi車身橫向頂框激光-電弧復合焊縫中，以前主要采用激光焊和熔化極氣體保護焊，隨著激光-電弧復合焊工藝的成熟，車身焊縫復合焊所占比例也逐步上升。Audi A8車身焊縫中有4.5m長激光-電弧復合焊，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合焊接.，圖4為其前車門結構示意圖，這些車門焊縫總長4980mm,7處為熔化

13、極氣體保護焊，焊縫長380mm；11處為激光焊，焊縫長1030；48 處為復合焊，焊縫長3570mm。激光-電弧復合焊接在汽車制造業(yè)中是一種全新的連接技術，兩者能量的協(xié)同優(yōu)化作用，使得應用愈來愈廣，特別是在代替原來激光焊接焊前裝配要求很嚴格或是焊接性能不可能達到要求的部位。通過選擇不同的工藝參數，獲得需要的焊縫形貌及其結構組成，電弧部分通過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，兩者的復合，工藝更加穩(wěn)定。寬廣的應用和工藝的低適應性，使得復合焊在汽車制造中減少設備成本投入，縮短生產周期，降低生產成本，對提高生產力起到了顯著的效果2。3.2 在造船業(yè)中的應用一般船體結構中，鋼結

14、構占主體，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-電弧復合焊接是一種實效的連接方法，它在美國海軍連接中心(NJC)和愛迪生焊接研究所(EWI)的“船體結構復合熱源焊接”合作項目中得到證實。圖3. 不同焊接熱源之間的試驗結果對比NJC/EWI針對船體結構件的復合熱源焊接技術進行了系統(tǒng)的研究，在船體的結構件焊接過程中對激光-MIG 復合熱源焊接與常規(guī)焊、激光焊進行比較研究，研究內容包括了焊接效率、材料特性、接頭形式、焊縫變形等多方面。焊縫接頭通過彎曲、拉伸等試驗，證明激光電弧復合焊技術完全滿足美國海軍典型船結構材料焊接結構的要求。圖5為常規(guī)焊、激光焊接和復合熱源

15、焊接的試驗結果對比。在焊接結果中可明顯看出激光-MIG 復合熱源焊接的優(yōu)勢。圖5. 不同焊接熱源之間的試驗結果對比激光-電弧復合焊應用于造船業(yè)的第一條生產線于2002年在德國Meyer-Werft造船廠實現(xiàn),該生產線采用CO2激光-GMAW復合熱源，主要用于船體平板和加強筋焊接，如圖6 所示。工藝過程實現(xiàn)自動化，如平板對接焊流程：計算機控制板料進給速度和邊緣定位；板料夾緊；焊縫焊前研磨機預處理；板料進給拼縫；復合焊接；夾具松開，板料移走。平板對焊焊炬一次可行走范圍為20m*20m，焊縫間隙熔寬達1mm，與常規(guī)電弧焊接相比，復合焊熱輸入減少10%，厚板的對接焊，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技術。近年來，一些船體中開始引進鋁合金結構，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，容易產生缺陷，使鋁合金不能充分發(fā)揮其優(yōu)點，限制了它們在造船業(yè)中的進一步應用。激光-電弧復合焊則可克服上述缺點，是一種有效的解決方法。除了工藝適用的廣泛性外，高的生產效率在造船這種長周期的制造工業(yè)中更為重要。圖6. 德國Meyer-Werft造船廠船板復合焊接及焊縫3.3 在其他行業(yè)中的應用石油化工的油罐、管道連接也是激光-電弧復合焊一個重要的應用方面。通常的石油管道壁厚較大，常規(guī)電弧焊接需要設計特殊的坡口，進行多道焊，在反復的起弧收弧階段易產生缺

17、陷。復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，美國的EWI簽訂了名為“YAG管道”的運輸管道連接項目，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Fruanhofer研究所研制了一套激光-MIG電弧復合熱源焊接儲油罐的焊接系統(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X射線攝影檢測，焊縫無氣孔，無裂紋，焊縫質量通過德國TUV 鑒定。目前，美國賓夕法尼亞州應用研究實驗室(ARL)和鋼鐵造船公司(NASSCO)也正在聯(lián)合設計組建類似的管道復合焊系統(tǒng)，該項目將歷時兩年，到2006年底正式交付于工業(yè)應用。圖7. 儲油罐復合焊接系統(tǒng)圖8. 油罐壁復合焊縫形貌參考文獻1 樊丁,董皕喆,余淑榮,張詩正.激光-電弧復合焊接的技術特點與研究進展.熱加工工藝,2011 ,40 (11 ):164-169.2 王治宇,王春明,胡倫驥,胡席遠.激光-電弧復合焊接的應用.電焊機，2006,2(36):38-41.3 陳彥賓.現(xiàn)代激光焊接技術M.北京:科學出版社.4 高志國，黃堅，李亞玲等激光-MIG