激光-電弧復(fù)合焊接技術(shù)及其應(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) XXX生：學(xué) XXXXXX號：班 XXXXXX級：2013年 月 日摘要： 結(jié)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。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、熔深大和易實現(xiàn) 自動化等優(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，

2、 激光 -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，由英國倫敦帝國大學(xué)學(xué) 者W.M.Stee n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、日本等發(fā)達(dá)國家已先后進(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

3、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，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(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2。H1GHYAGh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)勢和工業(yè)應(yīng)用的可行性，國內(nèi)外多家研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)同時開展

4、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穿過環(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 請了激光 -電弧同軸復(fù)合焊炬的專利。但國內(nèi)還沒有出現(xiàn)商業(yè)化的激光-電弧復(fù)合焊接設(shè)備。國外從事這方面的研究機(jī)構(gòu)較多，如德國的Fruanhofer激光技術(shù)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(dá) 國家，由于工業(yè)上的需求，各式的實用復(fù)合焊炬已應(yīng)運(yùn)而

5、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，從而實現(xiàn)對工件進(jìn)行加熱完 成焊接的過程。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，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

6、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，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(zhì)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(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形成匙孔，它 對電弧有吸引作用，從

7、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(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本。激光與電弧的相互作用會提高焊接 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

8、位置不同會對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 等4對激光 -MIG 復(fù)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(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，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

9、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。胡連海等 6 的研究表明，激光與電弧間距對 激光復(fù)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(fù)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(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(jù)電弧的不同，目前激光 -電弧復(fù)合焊

10、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 0.55 m/min 時，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“陽極間隙法 ”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)，

11、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(dú)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。

12、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1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長激光-電

13、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 4980mm,7處為熔化極氣 體保護(hù)焊，焊縫長 380mm； 11處為激光焊，焊縫長 1030；48 處為復(fù)合 焊，焊縫長 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

14、縫形貌及其結(jié)構(gòu)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(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 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)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 ”合作項目中得到證實。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

15、， 在船體的結(jié)構(gòu)件焊接過程中對激光 -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 縫變形等多方面。焊縫接頭通過彎曲、拉伸等試驗，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5為常規(guī)焊、激光焊接和復(fù)合熱源焊接的試驗結(jié)果對比。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。圖3.不同焊接熱源之間的試驗結(jié)果對比圖5.對比不同焊接熱源之間的試驗結(jié)果表11975-19%年船體材料焊接情況（ESAU 1咖）國家焊接方法焊條電弧焊wgnag藥芯保護(hù)焊埋弧焊雖質(zhì)蓄皿t西歐等18%6S%6%381 000英國22%52%

16、20%6%295 000日本16%53%25%6%引 0000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。工藝過程實現(xiàn)自動化，如平 板對接焊流程：計算機(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 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技

17、 術(shù)。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-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。圖6.德國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

18、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(yùn)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(fù)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(zhì)量通過德國TUV 鑒定。目前，美國賓夕法尼亞州應(yīng)用研究實驗室（ARL）和鋼鐵造船公司（NASSCO）也正在 聯(lián)合設(shè)計組建類似的管道復(fù)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(yīng)用。圖8.油罐壁復(fù)合焊縫形貌參考文獻(xiàn)1樊丁，董皕詰，余淑榮,張詩正.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.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，黃堅，李亞玲等.