激光-電弧新技術(shù)及其應(yīng)用

1、摘要：本文主要介紹激光-電弧復(fù)合焊接新技術(shù)的原理、特點(diǎn)以及其焊接頭的復(fù)合結(jié)構(gòu)方式。論述了目前國(guó)內(nèi)外該技術(shù)的研究現(xiàn)狀，主要集中在激光-電弧相互作用、焊縫中顯微組織相組成的分析、焊接參數(shù)優(yōu)化和低功率激光-電弧復(fù)合焊等幾個(gè)部分。并簡(jiǎn)單介紹該技術(shù)在國(guó)內(nèi)外的應(yīng)用情況。關(guān)鍵詞：激光；復(fù)合焊接；激光-電弧復(fù)合焊接作為一種焊接新技術(shù),不僅具有高功率密度、低熱輸入量等優(yōu)點(diǎn),而且焊接質(zhì)量好、速度快,提高了電光能量轉(zhuǎn)換效率和利用率,使得焊接過程更加穩(wěn)定。與傳統(tǒng)的TIG焊、MIG焊相比,它是一種功能多、適應(yīng)性強(qiáng)、可靠性高的精密焊接方法。激光復(fù)合焊接技術(shù)已在航空航天、汽車制造、造船、核電設(shè)備等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用,成為了研

2、究最多最廣泛的復(fù)合焊接方法。目前國(guó)內(nèi)外很多公司都在研制激光-電弧復(fù)合焊接的設(shè)備。1 激光-電弧復(fù)合焊接技術(shù)英國(guó)學(xué)者W.Steen教授于上世紀(jì)七十年代首先提出了激光-電弧復(fù)合焊接方法，他在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)復(fù)合焊接過程中激光作用產(chǎn)生的匙孔對(duì)電弧具有吸引和壓縮作用，電弧特性發(fā)生改變，電弧效率顯著提高，激光能量的吸收率也顯著提高，因此焊縫熔深增加，焊接質(zhì)量良好。1.1 激光-電弧復(fù)合焊接技術(shù)原理激光電弧復(fù)合焊接是一種將物理性質(zhì)、能量傳輸機(jī)制截然不同的兩種熱源復(fù)合，并產(chǎn)生了“112”的“協(xié)同效應(yīng)”的全新、高效焊接方法，其原理如圖1-1 所示：圖1-1：激光-電弧復(fù)合焊接示意圖激光-電弧復(fù)合焊接時(shí)，激光作用產(chǎn)生

3、的金屬蒸汽進(jìn)入電弧區(qū)，由于金屬蒸汽電離能較低，更容易電離，導(dǎo)致電弧通道的電阻降低，電弧電流密度增加，電弧穩(wěn)定性增強(qiáng)，電弧的能量利用率提高。同時(shí)激光作用形成的小孔處溫度較高，熱發(fā)射電子比較容易，因此電弧被壓縮并吸引進(jìn)入小孔中，深熔小孔壓縮電弧尺寸并引導(dǎo)電弧，成為穩(wěn)定的陽(yáng)極斑點(diǎn)或陰極斑點(diǎn)，為電弧提供導(dǎo)電通道。又由于電弧對(duì)工件預(yù)熱以及等離子體的相互作用提高了激光能量的吸收效率，更多的激光能量用于熔化金屬。因此，新技術(shù)具有相比于單熱源焊接更大的焊接熔深和焊接速度，其焊縫成形兼具激光焊接與電弧焊接成形的特點(diǎn)。并且，復(fù)合熱源的能量利用率提高，產(chǎn)生相互增強(qiáng)的協(xié)同效應(yīng)，可使焊接效率、過程穩(wěn)定性和焊接質(zhì)量進(jìn)一步

4、提高1.2 激光-電弧復(fù)合焊接特點(diǎn)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(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：(1) 提高了焊接接頭的適應(yīng)性。 由于復(fù)合焊中電弧的加入，擴(kuò)大了熱作用范圍，熔化金屬增多，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。當(dāng)采用直流反接時(shí)，電弧可在激光焊接之前清潔焊縫表面，去除氧化膜，從而有利于焊接鋁合金。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，可減少或消除氣孔

5、和裂紋的產(chǎn)生，這可以改善難熔難焊金屬的焊接性。(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，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。而且激光和電弧的能量都可以單獨(dú)調(diào)節(jié)，將兩種熱源適當(dāng)配比可以獲得不同的焊縫深寬比。同時(shí)復(fù)合焊接能夠在接頭間隙高達(dá)1.5mm 的情況下獲得理想的焊縫成

6、形。焊縫成形的改善，避免了焊縫表面缺陷，使接頭的延伸率和疲勞性能較單純激光焊接有所改善。 (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(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。并且，激光加入后，其作用點(diǎn)能夠?yàn)殡娀√峁┓€(wěn)定的陽(yáng)極或陰極斑點(diǎn)，為電弧穩(wěn)定燃燒提供充足的帶電粒子，有效抑制電弧跳躍。激光等離子體還能夠通過激光、電弧相互作用提高了電弧的電離程度，穩(wěn)定和壓縮電弧，提高工藝穩(wěn)定性。(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小功率的激光器就能達(dá)到很好的焊接效果，與激

7、光焊相比可以降低設(shè)備成本。1.3 激光-電弧復(fù)合焊接接頭形式（1）旁軸復(fù)合結(jié)構(gòu) 鑒于激光-MIG電弧復(fù)合存在著送絲和熔滴過渡等問題,絕大多數(shù)焊接設(shè)備都是采用旁軸復(fù)合方式進(jìn)行焊接，如圖1-2所示為德國(guó)庫(kù)格勒公司生產(chǎn)的復(fù)合焊接頭。在國(guó)內(nèi),華中科技大學(xué)及大連理工大學(xué)設(shè)計(jì)的復(fù)合焊接加工頭雖然實(shí)現(xiàn)了電弧方向的調(diào)節(jié)及電弧角度變化,然而激光聚焦與電弧的一致性仍存在問題,調(diào)節(jié)精度難以達(dá)到要求,氣體保護(hù)也不能起到良好效果。（2）同軸復(fù)合結(jié)構(gòu) TIG電極的非熔化性使得TIG與激光更容易實(shí)現(xiàn)同軸復(fù)合焊接,日本Tishide與M.Nayama研制了一種電弧從2束激光中間穿過的YAG激光- TIG同軸復(fù)合焊接頭。圖1-

8、2：德國(guó)庫(kù)格勒公司復(fù)合焊接頭從光纖出來(lái)的激光被分為2束,再經(jīng)過透鏡聚焦使得激光的聚焦點(diǎn)與電弧的輻射點(diǎn)重合。焊接過程中,YAG激光-TIG復(fù)合焊接時(shí)形成的匙孔直徑是單獨(dú)YAG激光焊接的1.5倍,非常有利于氣體的逸出,對(duì)減少焊縫中的氣孔非常有益。激光被分為2束,再經(jīng)過透鏡聚焦使得激光的聚焦點(diǎn)與電弧的輻射點(diǎn)重合。焊接過程中,YAG激光-TIG復(fù)合焊接時(shí)形成的匙孔直徑是單獨(dú)YAG激光焊接的1.5倍,非常有利于氣體的逸出,對(duì)減少焊縫中的氣孔非常有益。我國(guó)哈爾濱工業(yè)大學(xué)陳彥賓教授采用空心鎢極的方法實(shí)現(xiàn)激光與TIG電弧的同軸復(fù)合。電弧在空心鎢極的尖端產(chǎn)生,激光束從鎢極中心穿過環(huán)狀電弧到達(dá)工件表面,其復(fù)合原理

9、如圖1-3所示。同軸復(fù)合時(shí)激光從電弧中心穿過,因而沒有焊接方向性問圖1-3：激光與空心鎢極同軸示意圖題,尤其適合于三維零件的焊接。同軸復(fù)合的焊接頭調(diào)節(jié)沒有旁軸那么復(fù)雜,但是鎢極孔徑的大小、鎢極尖端與工件的距離對(duì)焊接質(zhì)量有較大的影響,鎢極尖端的燒損會(huì)嚴(yán)重影響環(huán)狀電弧的形狀,影響焊接過程的穩(wěn)定性和焊縫形狀。（3）旋轉(zhuǎn)雙焦點(diǎn)復(fù)合結(jié)構(gòu) 通過將2束激光按照一定的方式排布或者將1束激光分成2束激光后形成2個(gè)單獨(dú)的焦點(diǎn),在焊接過程中2個(gè)焦點(diǎn)一邊以一定的頻率繞對(duì)稱中心軸旋轉(zhuǎn),而用于焊接的電弧與焊縫中心始終保持重合狀態(tài),但不進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。如圖1-4所示,焊接頭以焊接速度向前運(yùn)動(dòng),這兩者的運(yùn)動(dòng)復(fù)合起來(lái)形成了一個(gè)類似螺

10、旋狀軌跡前進(jìn),從而實(shí)現(xiàn)焊接過程。旋轉(zhuǎn)雙焦點(diǎn)激光-電弧復(fù)合焊接的2個(gè)旋轉(zhuǎn)著的激光束對(duì)焊接熔池上方的等離子體起到攪拌的作用,從而打破了等離子體對(duì)激光束的負(fù)透鏡效應(yīng),也減少了電弧對(duì)激光的能量吸收和散焦作用。另外,旋轉(zhuǎn)著的雙焦點(diǎn)對(duì)焊接熔池起到攪拌作用,使得有害氣體更容易逸出,減少焊接氣孔的缺陷;同時(shí)激光束均勻地?cái)嚢?就能防止熔池匙孔的閉合,從而使得激光束更能夠吸引和壓縮電弧,電弧也更加穩(wěn)定,大大提高了能量密度,增大了熔深。圖1-4：旋轉(zhuǎn)雙焦點(diǎn)激光-電弧復(fù)合焊接頭示意圖2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀隨著高功率激光的出現(xiàn)與廣泛應(yīng)用，復(fù)合焊接技術(shù)逐漸形成了激光為主導(dǎo)，電弧為輔助熱源的焊接方式，利用電弧焊接的適用范圍廣，

11、加熱區(qū)域大的特點(diǎn)用來(lái)改善激光焊接中存在的問題，并逐漸發(fā)展為一種熱門的焊接應(yīng)用技術(shù)，得到了廣泛的關(guān)注。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)激光-電弧復(fù)合焊接的研究主要集中在激光-電弧相互作用、焊縫中顯微組織相組成的分析、焊接參數(shù)優(yōu)化和低功率激光-電弧復(fù)合焊等幾個(gè)部分。2.1 激光-電弧相互作用英國(guó)的 Steen 教授利用小功率 CO2激光與 TIG 電弧復(fù)合，發(fā)現(xiàn)在激光作用下電弧電流增大而電壓降低，電弧的穩(wěn)定性及焊接速度均得到了提高。日本 Naito等進(jìn)行 YAG 激光-TIG 電弧復(fù)合焊接的研究表明電弧被吸引到小孔上方的區(qū)域，深熔小孔噴出的金屬蒸汽與電弧發(fā)生劇烈的作用，引起電弧形態(tài)的快速變化。而 V.V.Avlov等

12、通過陽(yáng)極間隙法發(fā)現(xiàn)激光-TIG 旁軸復(fù)合熱源的電流密度相比單電弧作用時(shí)增加了近 3 倍，電弧形態(tài)也發(fā)生了明顯的收縮，如圖 2-1 所示。 圖2-1：TIG電弧與激光-TIG電弧復(fù)合時(shí)的電流密度變化國(guó)內(nèi)陳彥賓教授等在進(jìn)行CO2激光-TIG電弧旁軸復(fù)合試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，電弧電流和激光功率增加使等離子體膨脹長(zhǎng)大，以致出現(xiàn)激光維持的燃燒波，對(duì)激光能量產(chǎn)生了嚴(yán)重的屏蔽，而大電流的存在降低了激光光路上保護(hù)氣體電離的閾值。宋剛等在小功率YAG激光-交流TIG電弧復(fù)合焊接鎂合金時(shí)發(fā)現(xiàn)，激光與材料作用產(chǎn)生的光致等離子體增強(qiáng)了電弧的放電能力，從而提高了高速焊接時(shí)電弧的穩(wěn)定性。2.2焊縫中顯微組織相組成的分析 在世紀(jì)年代

13、末提出了激光電弧復(fù)合熱源焊接（復(fù)合焊），復(fù)合焊接工藝綜合了激光焊 與電弧焊的 優(yōu)點(diǎn)，能夠更有效的焊接鋁合金厚板。隨著焊接工程技術(shù)的進(jìn)步和提高，鋁合金厚板在國(guó)防應(yīng)用中也越來(lái)越重要和普遍。目前，國(guó)內(nèi)外研究者已對(duì)鋁合金的各類焊接接頭做了較多的研究，觀察到焊縫顯微組織主要為樹枝晶以及（）共晶。從冶金學(xué)的角度來(lái)講，顯微組織的尺寸、分布及組成等方面決定了材料的力學(xué)性能，因此，焊縫中金屬的凝固行為必然會(huì)對(duì)接頭的力學(xué)性能產(chǎn)生影響。另外，隨著焊接板的厚度增加，焊縫中將存在溫度梯度，特別是當(dāng)焊縫熔凝區(qū)形狀變化時(shí)，焊縫中的顯微組織將產(chǎn)生明顯的不均勻性。隨著焊接厚度的增加，組織分布更加不均勻，力學(xué)性能在沿板厚方向上差

14、異會(huì)更大，因此，探索焊縫形狀與其顯微組織的分布規(guī)律，對(duì)進(jìn)一步研究焊縫形狀、顯微組織與接頭力學(xué)性能的關(guān)系具有重要的理論意義。例如，鑄造鋁合金是成分、性能和優(yōu)質(zhì)合金相近似的系三元合金，由于比重較輕，其焊接件近年來(lái)廣泛應(yīng)用在航空航天、軍事工業(yè)以及民用工業(yè)等領(lǐng)域。圖2-2為復(fù)合焊典型的接頭形貌，焊縫呈以中心線為對(duì)稱的字母形，熔凝區(qū)上部較寬而下部逐漸變窄，到根部寬度變化不明顯。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)焊接工藝參數(shù)選擇合適、保護(hù)到位時(shí)，厚的鋁合金板可一次焊透成形，而且焊縫飽滿較美觀，焊后板材幾乎無(wú)變形。圖2-3為接頭橫截面部分區(qū)域腐蝕后的金相照片，復(fù)合焊焊接接頭可以大致分為三個(gè)區(qū)域：熔凝區(qū)（）、熱影響區(qū)（）和母材

15、（）。圖2-2：復(fù)合焊典型的接頭形貌圖2-3：接頭橫截面部分區(qū)域腐蝕后的金相照片從圖2-3中可見，焊縫中主要是由白色的樹枝晶以及分布在其間的黑色（）共晶組成，熔合線附近的晶粒是從母材外延生長(zhǎng)而來(lái)，樹枝晶由母材到熔凝區(qū)依次變得細(xì)??；在復(fù)合焊中，熔池中金屬的冷卻速率極快，屬于典型的激冷結(jié)晶組織，故熔凝區(qū)的組織較細(xì)小。熱影響區(qū)中的樹枝晶較熔凝區(qū)要粗大得多；受熔池?zé)岬挠绊?，共晶相先熔化，受熱后部分熔化，液態(tài)金屬在快速凝固時(shí)發(fā)生共晶反應(yīng)，使得熱影響區(qū)中共晶相的含量較母材 與熔凝區(qū)要高。2.3 焊接參數(shù)優(yōu)化復(fù)合焊接工藝參數(shù)優(yōu)化研究:研究焊接電流、電弧電壓、激光功率、熱源間距、焊接速度等工藝參數(shù)對(duì)焊縫成形,

16、包括焊縫形貌、焊縫熔寬、焊縫熔深的影響，復(fù)合焊接過程中影響穩(wěn)定性的因素,以及各工藝參數(shù)對(duì)焊縫質(zhì)量的影響關(guān)系。并且，研究各工藝參數(shù)在激光電弧復(fù)合焊接過程中,熔滴過渡特征、電流電壓信號(hào)、電流電壓概率密度分布對(duì)工藝穩(wěn)定性的影響。通過焊接接頭的微觀組織與力學(xué)性能測(cè)試分析來(lái)改善工藝措施,以獲得具有優(yōu)良性能的焊接接頭。例如，在研究高強(qiáng)鋼的工藝參數(shù)優(yōu)化時(shí)，采用C02激光-MAG電弧旁軸復(fù)合熱源系統(tǒng),以高強(qiáng)鋼為實(shí)驗(yàn)材料進(jìn)行了平板堆焊試驗(yàn),對(duì)C02激光-MAG電弧復(fù)合焊接工藝進(jìn)行了基礎(chǔ)性研究,得出如下結(jié)論:1、C02激光-MAG電弧復(fù)合熱源焊接中,焊縫形貌與焊接電流、電弧電壓、激光功率、焊接速度等工藝參數(shù)有關(guān)。

17、其中,焊接電流在160-180A時(shí)較為理想；焊接速度在0.8-1.2m/min時(shí),焊縫形貌較好,激光與電弧耦合效果最佳,熔滴過渡、電信號(hào)穩(wěn)定。2、在激光-電弧復(fù)合焊接中,DlA宜選在2-4mm之間,旨在使激光從電弧的邊緣穿過,減小電弧對(duì)激光屏蔽作用。3、激光-電弧復(fù)合焊接的熔深達(dá)到4.02mm（主要參數(shù)P=1.6kW,I=160A,v=0.8m/min）,焊接變形小,同時(shí)焊縫中的電弧區(qū)明顯增深,與激光區(qū)圓滑過渡,并且焊縫下部的激光區(qū)寬度較單獨(dú)激光焊接要寬.是兩種熱源相互作用增強(qiáng)的體現(xiàn)。4、激光-電弧復(fù)合焊接通過拉伸實(shí)驗(yàn),焊縫強(qiáng)度低于母材抗拉強(qiáng)度；焊縫硬度有所降低。2.4 低功率激光-電弧復(fù)合焊

18、激光+電弧復(fù)合熱源焊接技術(shù)既充分發(fā)揮了單一激光焊接及單一電弧焊接的優(yōu)勢(shì),同時(shí)又彌補(bǔ)了單一熱源焊接的不足,是一種新型、高效的焊接加工技術(shù)。目前,激光+電弧復(fù)合焊接研究主要采用幾千瓦甚至幾十千瓦的大功率激光進(jìn)行復(fù)合,以大功率激光為主,電弧為輔。而由于目前的激光器電-光轉(zhuǎn)換效率普遍較低,同時(shí)致密光致等離子體對(duì)激光的屏蔽作用隨著激光功率的增大而增強(qiáng),因此,大功率激光的應(yīng)用必然導(dǎo)致能源的大量消耗及浪費(fèi)。因此,采用低功率激光(小于500W)與電弧進(jìn)行復(fù)合,開展以提高焊接效率、節(jié)約能源為目的的電弧為主、激光為輔的低功率激光+電弧復(fù)合熱源焊接技術(shù)研究具有重要的理論及現(xiàn)實(shí)意義。并且，還研究了外加電場(chǎng)對(duì)低功率激光

19、-電弧復(fù)合焊接的影響。例如，低功率YAG激光+TIG復(fù)合熱源焊接技術(shù)成功實(shí)現(xiàn)了鎂合金薄板、大尺寸板材、T型結(jié)構(gòu)及鈦合金薄板、T型結(jié)構(gòu)的焊接,焊縫成形良好,熔透均勻,焊接接頭具有良好的拉伸性能和塑性變形能力。3 復(fù)合焊接的應(yīng)用復(fù)合焊的適用性較強(qiáng),可以進(jìn)行平板對(duì)接焊、角接焊、環(huán)形焊縫的焊接。近幾年來(lái),復(fù)合焊被應(yīng)用于不同材料的焊接中,日本、美國(guó)、德國(guó)等幾個(gè)發(fā)達(dá)國(guó)家用復(fù)合焊接對(duì)低碳鋼、高碳鋼、不銹鋼、鋁及其合金、鎂及其合金等進(jìn)行焊接,并應(yīng)用在了汽車、造船、石油等生產(chǎn)制造中。1.在汽車制造工業(yè)中的應(yīng)用 近年來(lái),在汽車制造業(yè)中,更傾向于朝著輕量化發(fā)展,為了節(jié)約能源、減少污染及合理利用材料等,在車身框架結(jié)構(gòu)

20、中大量使用了鋁、鋁鎂等輕質(zhì)合金結(jié)構(gòu)。因此為激光-電弧復(fù)合焊接技術(shù)的應(yīng)用提供了條件,德國(guó)大眾汽車公司率先將其用于在奧迪A8轎車車體框架、輝騰轎車車門的焊接中。2.在造船工業(yè)中的應(yīng)用 從造船年產(chǎn)量上看,我國(guó)是世界上僅次于韓國(guó)、日本的造船大國(guó),但我國(guó)的造船總體水平與世界先進(jìn)造船水平相差15-20年,落后于韓國(guó)和日本兩三個(gè)臺(tái)階。焊接技術(shù)是船舶工程的關(guān)鍵技術(shù)之一,船舶焊接技術(shù)水平和生產(chǎn)效率直接影響船舶建造周期、生產(chǎn)成本及產(chǎn)品質(zhì)量。世界各造船國(guó)家為搶占船舶市場(chǎng)制高點(diǎn),都十分重視船舶焊接技術(shù)的研發(fā)、推廣和應(yīng)用。3.在其它領(lǐng)域中的應(yīng)用激光-電弧復(fù)合焊接技術(shù)在石油化工的大型管道、油罐連接中也有著重要的應(yīng)用。由于一般石油管道壁厚較大,普通焊接方法很難一次性焊透,必須要開破口,進(jìn)行多道焊接,多道焊接時(shí)