2 ・专 题 综 述 ・ 焊 接技 术 第 39卷 第 5期 2010年 5月 文章 编 号 :1002—025X(2010)05—0002—06
激 光 一 电 弧 复 合 焊 接 技 术 的 研 究 与 应 用
袁 小川 ,赵 虎 ,王 平 平
( 1 . 山东 中德设 备 有 限公 司 ,山 东 济 南 2 501 01;2 . 山东 省 冶 金 地 质 水 文勘 察 公 司 , 山东 济南 2 501 01)
摘 要 : 阐述 了激 光一电弧 复 合 焊 接 的基 本 原理 和 复合 形 式 , 归纳 了几 种 激 光一电弧 复 合 焊 接技 术 的特 点 、应 用 范 围 和 国 内 外 的研 究进 展 , 介 绍 了 目前 国 内外 激 光一电弧 复 合 焊接 技 术在 汽 车 、造 船 、 石 油 化 工 等 制 造 业 中的 应 用 ,最 后 指 出激 光 一电弧 复 合 焊接 技 术 有 着 非 常 广 泛 的应 用前 景 ,是今 后 激 光 焊接 技 术 的发 展 趋 势 ,激 光一电弧 复 合 焊 接 机理 还 有 待 于进 一 步 研 究 。
关键 词 : 激光 一电 弧 复合 焊 接 ;复 合 形 式 ;研 究进 展 ; 工业 应 用 中 国分 类 号 :TG444.73 文 献 标 志 码 :B
0 前 言
20世 纪 7O年 代末 ,英 国学 者 W M Steen等率 先 利用 TIG 和 CO:激 光 实现 了激光 一电弧 复 合焊 。近年 来 ,随 着 电弧焊 设 备 和激光 器 性 能 的提 高 .激光 一电 弧复合 焊 技术 的发展 日益加 速 。激 光 一电弧 复 合焊 已 成 为激 光焊 接研究 的热 点方 向 ,德 国 、美 国 、 日本 和 瑞 典等 国家都 在该 领域 做 了大量 的研究 实践 工作 。激 光一电弧复合 焊 的应 用研 究 主要 是 针对 高速 薄板焊 接 、 中厚钢 板焊接 和铜 铝合 金等 高反射 材料 的焊 接等 ,涉 及 的行业包 括汽 车 、造 船 、航 空和石 油管道 等 。
1 激 光 一电弧 复 合 焊 接 的提 出 背景 、基 本 原 理 和 复 合 形 式
聚焦 激光 束 由于具有 高 的热源 密度 ,使其 应用 于 焊 接领域 具有 速度 高 、热输人小 、变形小 、热影响 区 窄 以及接 头综 合性 能好等 一 系列优 点 。但 是 ,与其 他 焊接 热源一 样 ,激光 焊也 有其缺 点 :设备 投 资大 ;能 量利 用率 低 ;焊前 的准备 工作要 求 高 ;高 反射 金属 焊 接 困难 .接 头 中容 易产 生 气孔 、裂纹 、 咬边 等缺 陷 。 为避 免单独 激光 焊接所 存 在 的问题 ,研究 者便 提 出了 激光 与 电弧 的复 合 ,其 出发 点是 利用 电弧 焊接 的低成 本 、适 用 范 围宽 等 特 点 。随后 的 研究 成 果 表 明 ,激 光一电弧 复 合 热 源 既 综 合 了上 述 2种 焊 接 热 源 的优 点 ,又相 互弥 补 了各 自的不 足 ,还产生 了额 外 的能量
收 稿 日期 :2009—12—09
协 同效应 。
激 光一电 弧复合 焊 接 的原 理 如 图 1所示 ,激光 与 电弧 同时作 用 于金属 表面 同一位 置 。焊缝 上方 因激光 作 用 而产生 光致 等离 子体 云 ,等 离子 云对入 射激 光 的 吸收 和散射 会 降低 激 光能量 利用 率 ,外加 电弧后 。低 温 低 密度 的电弧 等离 子 体使 激 光 致等 离 子体 被 稀释 。 激 光 能量 传 输效 率 提高 ;同时 电弧对 母 材进 行 加热 . 使 母材 温度 升高 ,母材 对激 光 的吸收 率提高 ,焊接 熔 深 增加 。另外 ,激光 熔 化金 属 为 电弧 提供 自由电子 , 降 低 了 电弧通 道 的 电阻 ,电弧 的 能量 利用 率 也 提高 , 从 而使 总的 能量利 用率 提高 ,熔深 进一 步增加 。激 光 束 对 电弧还有 聚焦 、引导作 用 ,使 焊接 过程 中 的电弧 更 加稳定 。
图 1 激 光一电 弧 复 台焊 接原 理 图 流
在 复 合 焊 中 。参 与 复 合 的 激 光 包 括 Nd:YAG
(钕 :钇 铝 石 榴 石 )激 光 、CO 激 光 ; 电弧 包 括 TIG 电弧 、MIG/MAG 电弧 以及 等 离 子弧 ,利 用各 种 复合
Weldin ̄Technologic Vo1.39 No.5 Mav 2010 ・专 题 综 述 ・ 3
形 式 焊 接所 得 结 果 也 不 尽 相 同 。 同时 根 据 激 光 、电 弧 在 焊 接 时 的 空 间位 置 不 同 ,可 将 其 分 为 旁 轴 和 同 轴两 大类 ,如 图 2所示 。与 目前 常用 的旁 轴激 光 一电 弧 复合 焊相 比 ,激 光一电弧 同轴 复 合可 以在 工件 表 面 提供 对 称 热 源 ,焊 接 质 量 不 受 焊 接 方 向 影 响 而 适 于 三维焊 接
激 光 束 激 光 束
(a)激 光 一电 弧 旁 轴 复 合 (b) 激光 一nG I司轴 复 合 (c)激 光 一电 孤 同轴 复 合 图 2 激 光一电 弧 的 复 合 方 法
具 体 的复合形 式 简述 如下 :
(1)激光 一TIG复 合 焊 接 它是 早 期 的 一 种 复 合 焊形 式 ,主要 用 于薄板 金属 的焊 接 ,尤其 适合 于焊 接 高 热导率 的金 属 。可 以明显 提高 焊接 速度 ,改 善单 一 TIG焊接 时 效率 低 的状 况 。此 后 ,20世 纪 90年代 又 出现 了 激 光 与 TIG 同轴 焊 接 .这 种 焊 接 方 法 无 方 向 性 ,焊 接过 程 比较 稳 定 ,焊 接 速 度 也 大 大 提 高 。而 且 。焊 接过 程 中匙 孔 直径 可 以达 到单 一 YAG焊 接 时 的 1.5倍 ,这 非 常有 利 于气体 的逸 出 ,可 以减少 焊 缝 中的气 孔 。
(2)激光 一MIG/MAG复合 焊接 这 种 复合 焊接 技 术灵 活性 较强 ,适 合于 中厚板 以及铝合 金 等难 焊金 属 的焊接 。熔 敷 金 属 的加入 可 以改善 焊 缝 的微 观 组 织 , 提 高接头 的综合 力学 性 能 。电弧 的引入 有助 于提 高 间 隙搭 桥能力 ,降低 了单一 激光 焊接 时坡 口制 备 的精度 要 求 。激光 前置 时可 以使 引弧 容易 ,并 且在 合适 的参 数 下 可 以改 变 熔 滴 过 渡 方 式 ,使 得 焊 接 过程 更 加 稳 定 ,减少 了单 一 MIG/MAG焊 时 的飞 溅量 和 焊后 处 理 的工作量 。激 光一MIG/MAG旁 轴复 合易 于实 现 ,而 同 轴 复合则 难 以实现 。
(3)激 光一双 电弧复 合 焊 接 由德 国亚 琛 大 学焊 接 研 究所 (ISF)的研 究 人 员 开 发 激 光 一双 MIG 复合 焊 (Hybrid Welding With Double Arc简 称 HYDRA),
适 合 于 中厚板 以及 铝 合 金 、 镁 合 金 、双 相 钢 等难 焊
金属 的焊 接 。试 验结 果 表 明 ,在 无 间隙 接 头焊 接 时 , 激光 一双 电弧复 合热 源 的焊接 速 度 比一般 的激 光一MIG 电弧 复 合 热 源 提 高 33% ,单 位 长度 的 能量 输 人 减 少 25% ,间 隙 裕 度 可 达 2 mm,且 焊 接 过 程 非 常 稳 定 , 远 远 超过 激 光一MIG 电弧复 合 热源 的焊 接能 力 ,而 且 可 以更 好地 实现 自动 化焊 接 。
(4)激 光 一等 离 子 弧 复 合 焊 接 它 具 有 刚 性 好 、 温 度 高 、方 向性 强 、 电弧 引 燃 性 好 、加 热 区 窄 等 优 点 .适 用 于 薄 板 对 接 、镀 锌 板 搭 接 、钛 合 金 、・铝 合 金 等 高反 射 率 和 高 热 导率 材 料 的焊 接及 切 割 、 表 面 合金 化 等 。
2 激 光一电弧 复合焊 接技 术 的研 究进展 2.1 激 光一TIG 电弧 复合 焊接 技术
德 国 J Wendelftorf等 人 对 激 光 一TIG 电 弧 进 行 了 研 究 ,激光 束 采 用 0.1~1 kW 的低 功 率 激 光 电源 ,激 光 集 中于工 件表 面 的电弧 根部 ,试验 证 明能 够明显 提 高 低 电流和 弧长较 长 时 间的 电弧稳定 性 ,可 以最大 限 度 地增 加焊 接 速度 与焊 接熔 透 …。例 如 ,当 CO:激 光 功 率 为 0.8 kW,TIG 电 弧 的 电流 为 90 A,焊 接 速 度 为 2 m/min时 ,可 相 当 5 kW 的 CO 激 光 焊 机 的 焊接 能力 ;当 5 kW 的 CO:激 光 束 与 300 A 的 TIG电 弧复 合 ,焊 接速 度 为 0.5~5 m/min时 ,获 得 的熔 深 是单 独 使 用 5 kW 激光 束 焊 接 时 的 0.3~2.0倍 。 阿亨 大 学 弗 朗和 费激 光 技术 学 院研 制 了一 种 激 光 双弧 复 合 焊接 , 与 激 光 单 电弧 复 合 焊 相 比 .焊 接 速 度 可 提 高 约 1/3,
热输 入 减sJ ̄25%。G den Ouden[2 3等 人 利 用 500 W 的 小 功 率 Nd:YAG激 光 与 TIG 电弧 进行 复合 .研 究 了 激光 一电弧之 间的相 互 作 用 ,发 现激 光 可使 电弧 的 引 燃 电 压 降低 到 原来 的 1/20.这 是 由于 激 光 产 生 的等 离子 体包 括金 属原 子 、电子 以及 正离 子 .当施 加 电压 时 ,电子 向 阳极 运 动 ,正 离子 向阴极 运 动 。激 发 了阴 极 的热 发 射 。为 了系 统 地 研 究 C0:激 光 与 TIG电 弧 复 合 热 源 焊 接技 术 . 日本 学 者 Naito Yasuaki在 2006 年 先 后 发 表 了4篇 相 关 论 文 ]。对 含 微 量 S元 素 的 304不 锈钢 板进 行 了焊 接 。首先 研 究 了复 合 焊接 中熔 透 特征 以及 电弧与 等离 子 云 的行 为 .发 现激 光在 TIG 电弧产生 熔池 后照 射熔 池 区域 时焊缝 熔深 增大 :当电 弧 电流为 200A 时 。复 合焊 接方 法所 得焊 缝 的气 孔 比
4 ・专 题 综 述 ・ 焊 接技 术 第 39卷 第 5期 2010年 5月
单一 激 光 焊 时 的少 :利 用 CCD照 相机 和高 速 摄像 机 观察 了 电弧 等离 子体 和激光 诱 导等离 子 云的行 为 。其 次研 究 了环 境气 体对 熔透几 何 尺寸 的影 响 ,发 现随着 环境 气体 氧含量 的增 多 ,复合 焊接方 法所 得焊缝 “钉 头 ”部分 消失 。此外 ,还对 复合 焊接 中 的电弧进 行测 量 .结果发 现 ,电弧 等离 子体被 压缩 在匙 孔人 口处 而 没有 进入匙 孑L内部 ,这对解 释 复合焊 接 时的焊接 现象 以及 产生熔 深更 大 的焊 缝奠定 了基础 。最后 阐明 了熔 透特 性 、气 孔 的抑 制 机理 和 熔 池 的 流动 行 为 :在 Ar 保 护气 环 境 中 ,表 面 张 力诱 导 对 流产 生 焊 缝 的 “钉 头 ”.从 而使 焊 缝呈 酒杯 状 ;电流 极 大 地影 响 了熔 体 流动 和匙孔 行为 ,当电流 为 100A 时 ,匙 孔顶 部 向后 方接 近孑L底 处有 强烈 的熔体 流动 ,这就 增加 了焊 缝熔 深 ;当 电流 为 200A时 ,气 孑L减 少 。
天 津 大 学 对 激 光 一TIG 的作 用 机 理 进 行 了研 究 , 认 为 在高 速焊 接 条件 下 , 激 光一TIG焊 可 以得 到稳 定 电弧 、增 加 熔 透 、改 善 焊缝 成 形 、获 得 优 质 焊 接 接 头 北 京 航 空 航 天 大 学 以铝 合 金 为 主 要 研 究 对 象 , 研 究 激 光 与 复 合 热 源 焊接 铝 合 金 的工 艺 特 点 ,设 计 制 造 了双 焦点 激 光一电弧 复合 焊接 接 头 ,讨论 了影 响 复 合 焊接 的各 工艺参 数 _7_。结 果表 明 :影 响复 合焊 接 过 程 的主 要 工艺 参 数 有 激 光 功 率 、焊 接 速 度 、焊 接 电流 、激 光 焦 点 位 置 以及 两 热 源 之 间的 距 离 等 ,并 且 在 比较 宽 的参 数 范 围 内 CO 激 光 与 TIG 电 弧 复 合 焊 接 铝 合 金 焊缝 成形 美 观 、元 气 孔 等 缺 陷 ,焊 速 显 著 提 高 。华 中科技 大 学 为 了研究 CO:激 光一TIG 电弧 复 合 焊接 工 艺 ,采 用 Rofin Sinar 5 kW 快 轴 流 CO2激 光 器 和 Miller钨 极 惰 性 气 体 (TIG)焊 机 ,对 3 mm 厚 316L不 锈 钢研 究 了激 光 功率 、焊接 电流 、热 源 间 距 等 工 艺 参数 对 焊缝 成 形 的影 响 规 律 。在 激 光 功 率 >2.5 kW 时 ,会 产 生小 孔效 应 ,其对 复合 焊 缝熔 深 影 响 显 著 :而 当焊 接 电流 <150 A 时 ,焊 缝 熔 宽 与 两 热 源 的热 输 入 关 系 密切 ,当 电流>150 A时 ,仅 焊 接 电流 是 焊缝 熔 宽 的决 定 性 因素 ;热 源 间距 存 在 一 个 最 佳 值 2~3 mm,此 时 ,焊 缝 熔 深 可 提 高 1.46—2.5 倍 。 高 明等 人 认 为 保 护 气 体 组 成 及其 保 护 方 式 是 决 定 CO 激 光 一钨 极 氩 弧 焊 (TIG) 电弧 复合 焊 接工 艺 稳定 性 和激光 、电弧 2种热 源能否 有效耦 合并 取得增 强 的焊缝熔 深 的关 键原 因。为此 ,采 用不 同 的气 体保
护方 式 在 316L不 锈 钢 板 上 进 行 了一 系列 CO 激 光一 TIG电弧复合 焊接 试验 _9]。结 果 表 明 ,只 有在 合 理 的 气 体保 护方 式下 才能取 得增 强 的焊接结 果 ,其 中气 体 保 护方 式对 激光 等离子 体 和 电弧 等离 子体相 互作用 程 度 的影 响是 决定 能否有 效耦 合 的关 键 因素 。高 明等 人 还为 了提 高 激光 一电弧复 合焊 接 的可 靠性 ,对 复合 焊 接 咬边 缺 陷 成形 机 理 及 抑 制 方 法 进 行 了研究 】引。 结 果 表 明 ,激 光 能 够 提 高 复 合 焊 接 的 临 界 咬边 速 度 , 最 高 可 达 电 弧 焊 接 的 5倍 。 在 激 光 一电弧 相 互 作 用 下 ,复 合 焊 接 存 在 2种 抑制 咬边 的机 理 ,一 种是 改 变 焊趾 处 固 、 液 、 气 三相 的 表 面张力 状 况 ,形 成 指 向熔 池 外 部 的合 力 ;另 一种 是 通 过 提 高 熔池 内温 度 梯 度 和 热 输 入 来 增 加熔 池 内 由 内 向外 的流 动 速度 和 时 间 ,使 熔 化 金 属 能够 流 向并 填 充 焊 趾 ,这 种 抑 制 机 理 作 用 更 为 显著 。试 验 确 定 了复 合 焊 接 临界 咬边 速 度 的经验 公式 和 电弧 电压 的合 理调 节范 围 。
2.2 激光一MIG/MAG 电弧复 合焊接 技术
日本 四 国工 业 技术 研 究所 在 对 激光 一MIG焊 接进 行 研究 时 ,发 现激 光 束 焦 点 置 于熔 池 最 深处 , 电弧 力将 熔化 金属 排开 ,形成 表 面下 陷低坑 ,以获 得最 大 熔 深 。 日本 东 芝 公 司 用 6 kW 的 CO2激 光 与 7.5 kW 的 MIG电 弧复 合 ,在选 择 合 适 的焊 接 电流 、保护 气 体 等 参 数 时 , 以 700 mm/min的 速 度 , 可 以 焊 透 16 mm 厚 的不锈 钢 板 ,焊 缝 的放射 线 检查 结 果可 达 RT1 级 _l1]。文 献 [12]中报 道 了在 比较 宽 的参 数 范 围 内 , 用 YAG激光 脉 冲 MIG复合 焊接 铝合 金 ,焊 缝成 形美 观 。无气 孔等 缺 陷 ,熔深 比激 光焊 增加 4倍 ,比脉 冲 MIG焊 接 增加 1倍 以上 ,焊 速 显 著 提 高 。 日本 三 菱 重工 有 限公 司研 制 出 了 YAG激 光 与 电弧 同轴 复合 焊 接 系 统 。 德 国 的 ISF焊 接 研 究 所 成 功 研 制 激 光一双 MIG复 合焊 。 在 零 间隙 时 ,HYDRA的焊 接 速度 与激 光一单 电弧 复合相 比 , 能 够提 高 33%。
与 目前 常 用 的 旁 轴 激 光 一电 弧 复 合 焊 相 比 ,激 光一电弧 同轴 复合 可 以在工 件 表面 提供 对 称热 源 ,焊 接质 量不受 焊接 方 向影 响 而适 于三维 焊接 。清华 大学 研 制 了 CO:激 光 与 脉 冲 MIG 同轴 复合 焊 系 统 ,并 用 该 系统 进行 了铝 合金 复合 焊接试 验 [”]。对 焊接过程 中 的基本 物理 现象 进行 了观察 和分 析 ,测定 了焊缝 的熔 深 、熔 宽 和焊缝 断面 。结果 显示 ,同轴复合 焊可 以提
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高 电弧 稳 定 性 、提 高熔 化效 率 和 改 善 焊 缝 成 形 。为 了 研 究 焊接 工 艺 参 数 对 焊 缝 成 形 的影 响 ,他 们 还 基 于 正交试 验 方法 采 用 CO 激 光一MIG 旁轴 复合 焊焊 接 2.5 mm 厚 的 6005A铝 合 金 板 _14]。结 果 表 明 .对 复 合 焊 焊缝 熔 透 状 态 影 响 显 著 性 从 大 到 小 的工 艺参 数 依 次 为 :焊 接 速 度 、MIG焊 接 电流 、MIG 电弧 电压 和 激 光 功 率 ,其 中前 两 者影 响 最 为 突 出 。在 熔 透 状 态 不 发 生 显 著 变 化 时 ,对 复合 焊 焊 缝 表 面 成 形 影 响显 著 性 从 大 到 小 的工 艺 参 数 依 次 为 :MIG 电 弧 电压 、 焊 接 速度 、激 光 功率 和 MIG焊 接 电流 。根 据正 交 试 验 结 果 优 化 了激 光一电弧 复 合 焊 接 6005A 的工 艺 参 数 ,建 立 了工 艺 参 数 选 择 原 则 ,根 据 此 原 则 选 择 了 合适 的工 艺 参数 并获 得 了最 佳 的 焊缝 成形 。
哈尔 滨焊 接研 究 所 的秦 国梁等 _1 ]研 究 了 Nd:YAG 激 光 +脉 冲 MAG 电弧 复 合 热 源 焊 接 过程 中 焊接 参 数 对 焊缝熔 深 的影 响 。结果 表 明 ,复合 热源焊 缝熔 深 随 电弧功率 和激 光功 率 的增 大 而增大 。随焊接 速度 的增 大 而减小 ,并且 在 相 同参 数下 ,复 合热 源焊 缝熔 深稍 大 于激 光 焊 缝 熔 深 而 显 著 大 于 脉 冲 MAG焊 缝 熔 深 。 对 于不 同焊接 电流 ,光丝 间距 在 0—3 mm 内复 合热 源 焊缝取 得最 大熔 深 ,且 取得 最大 熔深 的光 丝 间距与 焊 接 电 流 大小 有关 :复 合 热 源 焊 缝 熔 深 在 离 焦 量 为 2 mm 时取 得最 大值 。试 验 结果 分 析 表 明 .在激 光 +电 弧 复合 热源焊 接过 程 中激光 功率不 仅决 定复 合热 源焊 缝 熔深 ,而且 可 以极 大地 提 高 焊 接 速度 :MAG 电弧 也 可提 高 Nd:YAG激光 焊 的热 效率 。他 们 还 对激 光 一 MIG 电弧 复 合 热 源 焊 接 特 性 进 行 了 分析 [1引.认 为 在 MIG平 均 电 流 <200 A 的小 功 率 脉 冲 MIG 电 弧 区 域 内 ,等热 输入 且 等 焊接 速度 条 件下 ,激 光一MIG复 合 热 源 焊 接 技 术 与 MIG相 比可 以提 高 焊缝 深 宽 比 1~2 倍 ,增 加 焊 缝熔 深 0.43—2.5倍 :等 热 输 入 且 等 平 均 焊接 电流 条件 下 ,与 MIG相 比 ,激 光一MIG复 合热 源 焊接 技 术可 以提 高 焊接 速 度 0.6~1.5倍 ,增 加焊 缝 熔 深 0.5—5.9倍 ;激 光 一MIG 复合 热 源 焊接 技 术 可 以 用 高于 MIG焊 0.6—6.5倍 的焊 接 速度 和更 小 的焊 接热 输 入获 得 与 MIG 同样 的焊缝 熔 深 :与 MIG焊相 比 .激 光 MIG复 合 热 源 焊缝 的铺 展 性更 好 ,更 适 合 于 高 速 焊 接 ;MIG复 合 2 kW 的激 光 能量 后会 增 加平 均 电 弧 电压 、 减小 平 均 电流 。他 们 还 研 究 了铝 合 金 激 光 一
MIG 电弧 复 合 焊 时 焊 接 参 数 的变 化 对 焊 缝 熔 深 的 影 响规 律 ,并将 焊 接 参数 的变化 对 激 光一MIG 电弧 复合 焊 、MIG 电弧 焊 、激 光 焊 的焊 缝熔 深 的 影 响 进行 了 综合 比较分 析 _17]。结果 表 明 ,若 以等效 于激光 焊熔深 的 MIG 电弧功 率 为分 界 线 ,可 以把 MIG电 弧 的功率 分成 高 、低 能量 2个 区 。当激光 与低 能量 电弧 区的 电 弧 复合 时 ,激 光对 焊缝 的熔 深起 主导 作用 ,复合 焊 的 熔深 大 于 该 区的 MIG 电弧 焊 ;当激 光 与 高 能量 电弧 区 的电弧 复合 时 ,电弧对 焊缝 的熔 深起 主导 作用 ,复 合 焊 缝 主 要 体 现 为 MIG 焊缝 的特 点 ,加 入激 光 的优 势 主要 体现 在增 加焊 接速 度方 面 ,即高速 焊 时也可 获 得 良好 的焊 缝成 形 。
华 中科技 大 学 的高明 等人 [】。 认 为 ,保 护气体 是决 定 CO 激光 一MAG电弧 复合焊 接工 艺稳 定性 、焊 缝熔 深 和 接 头 质 量 的 关 键 因 素 ,对 此 ,采 用 He—Ar和 CO 一Ar混 合 气 体 在 Q235钢 板 上 进 行 了 co:激 光 MAG电 弧复 合 焊 接工 艺 研 究 。结 果 表 明 ,保 护 气 体 种类 与配 比对 工 艺 和焊缝 特 征有 明显 的影 响 。He—Ar 焊 缝 能 够 得 到 更 大 的焊 缝 熔 深 和 焊 缝 硬 度 。CO:一Ar 中 的 CO:在 高 温 下 分 解 形 成 氧 气 进 入熔 池 后 改 变 了 表 面张 力系数 ,进 而 改 变 了熔 池 流 动 方 向 ,导 致 在 w(CO:)≥30%后 形成 平整 的焊 缝余 高 ,焊缝 电弧 区和 激光 区的过渡 更加 平滑 。
大 连 理 工 大 学 的 康 乐 等 人 [19 研 究 了 低 功 率 脉 冲YAG激 光 一脉 冲 MAG 电弧复 合 热源 和单 脉 冲 MAG 焊 接 不 锈 钢 。结 果 表 明 。低 功 率 脉 冲 YAG激 光 一脉 冲 MAG 电弧 复合 热 源 同样 具 有 大 功 率 激 光 一电弧 复 合 焊接 才具 有 的增 加熔 深 、提 高焊接 速度 、稳定 焊接 过 程 等优 点 ;低 功 率 脉 冲 YAG激 光 的加入 改 变 了电 弧形 态 ,电弧根部 被 吸引和 压缩 现象显 著 ,提高 了能 量 利用 率 ;与 单 脉 冲 MAG 堆焊 相 比 .在相 同焊接 速 度 下 复合 焊 最大 能增 加熔 深 1.3倍 ,在 相 同熔 深下 复 合 焊 的焊 接 速 度 可 以提 高 50% ;复合 焊 焊 缝 的 晶粒 较 单 MAG焊 缝 中的 晶粒 细小 ,其 焊 缝抗 拉强 度 比单 MAG焊缝 的好 ,断裂属 于延 性 断裂 。
北京 航 空制造 工程 研究 所 的陈俐 等人 _加]利用 YAG 激 光焊 头 和 MAG焊 枪旁 轴 复合 进行 了 1Crl8Ni9Ti不 锈 钢 的激 光一电弧 复合 焊 工艺 研究 。研究 表 明 :影 响 复 合焊 过程 的主 要工 艺参 数 有激 光 功 率 、焊 接 速度 、
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焊 接 电流 、电弧 电压 、激 光焦 点位 置 、两热 源 的间距 和相 对于 焊接方 向的排列 方式 等 ;在 一定 的焊 接工艺 条件 下所研 究 的 YAG/MAG复合 焊 具有 协 同效应 。电 弧参 数测试 也表 明 ,当激 光与 电弧 复合 的协 同效 应存 在 时 ,复合 焊 电流高 于 电弧焊 ,而 电弧 电压 降低 ;若 电弧 采用 过大 的焊接 电流 与激光 复合 ,尤其 是在 较低 的焊 接速 度时 ,复合 焊过 程体现 不 出协 同效 应 。复合 焊熔 深反 而低 于激光 焊熔 深 。复合焊 激光焦 点位 置变 化对 电弧稳 定性 和熔 宽影 响小 ,但获 得最 大熔深 的焦 点位 置不 同于激 光焊 。激 光前置 焊 比激光后 置焊 获得 的熔 深 大 .2种 条件 下 均 在 两 热 源 间距 为 0.5 mm 时 熔深最 大 。
哈尔 滨工 业大 学 进行 了 C0 激 光一MIG 电弧射 滴 过渡 的旁轴 复合 焊接试 验 r ,结果 表 明 :在 激光锁 孔 效应 下 ,CO 激 光 一MIG复 合 焊接 铝 合 金 不仅 具 有 在 较宽 的参 数 范 围 内焊缝 成形 美 观 ,熔 深 、熔 宽 增加 , 无 气 孔 等 优点 ;而 且 还发 现 ,与 单 MIG焊接 的熔 滴 过渡特 性相 比.复合焊 接过 程 中一 方 面 由于 激光 能量 和激光 锁孔效 应产 生 的大量 金属等 离 子体对 熔滴 的热 辐射作用 .促 进 了熔滴过 渡 ;另一 方 面 由于 激光 等离 子 体对熔 滴 的吸 引力和金 属蒸 气对 熔滴 的反 冲力又 阻 碍 了熔 滴过渡 ,两 者综合 作用 改变 了熔 滴过 渡方式 和 过 渡 频率 。 哈尔 滨 工业 大 学 还 对 激光 复 合 MIG 同轴 热 源进 行 了研 究 ,结果表 明 :与旁 轴热 源相 比,该 热 源 更大 程度地 降低 了激光 的被 削弱 程度 ;还 克服 了旁 轴 热源 加热作 用非 对称性 、作 用点 分离 以及设 备体 积 过 大 、要 求高 等 缺 点 。兰 州理 工 大学 通 过 YAG激 光 与脉 冲 MIG复合 试 验 发 现 ,焊缝 熔 深 与 激光 焊 相 比 增 加 4倍 ,与 脉 冲 MIG焊 接相 比增 加 1倍 以上 ,并 且 焊接 速度显 著提 高 。
3 激 光 一电 弧 复 合 焊 接 技 术 的 应 用 3.1 在船舶 制造 中的应 用
激 光一电弧复 合 焊在 船舶 制 造 的许 多 方 面显 示 出 其 独特 的优势 .尤其 是它 的搭 桥能力 相对 激光 焊而 言 得 到 显 著 加 强 。最 大 的 焊 件 间 隙 可 以 放 宽 至 1 mm,
大 大 减 小 了船 舶 建 造 中焊 前 装 配 的 工作 量 和加 工 成 本 ,可 以提 高 工效 、缩 短 作业 时 间并 降 低 成本 支 出 。 此外 ,对欧 洲造 船 业 的主要 船 舶产 品 来说 ,激光 一电
弧复 合焊 的另一 个 主要优 点就 在于其 焊接 变形量 非常 小 ,焊后 的修 整 工作 量 大 为减 少 。 目前 ,激 光一电弧 复合 焊技术 越来越 受 到各 国造船 厂 的重 视 .欧洲 的造 船 厂 已 经 将 激 光 一电 弧 复 合 焊 工 艺 应 用 于 实 际生 产 中 。 如 德 国 的 MEYER—WERFT 船 厂 、 芬 兰 的 KVAERNER船 厂 、意大 利 的 FINCANTIERI船 厂都有 激 光 复合 焊 的生产 线 。美 国海 军在 造船 用 的厚 钢板连 接 上应 用 了激光 一MIG 电弧 复合 焊 ,单道 焊熔 深达 15 mm,双道 焊熔深 达 30 mm
3.2 在汽 车制造 中的应用
汽 车 行业 中 ,随着 车辆 运输 设备 朝 着 轻 量化 发 展 。车身 框架 结构 中也更 多地 引入 了铝 、铝镁 等轻质 合 金 ,其 主要 目的是 为 了节约 能源 ,减少 污染 ,改善 车 辆 机动 性 能 以及 车身 材 料 的再 生 性 。 典 型 的铝合 金 车 型 有 德 国 大 众 的 Audi A2,A8及 日本 本 田 的 NXS.大众 的新 款 Audi A8更 是 采用 了全 铝合 金 框架 结 构 。
在 铝 合 金 车 身 焊接 中 。以前 主要 是 采 用 激 光 焊 和 熔化 极气 体 保 护焊 ,随着 激光 一电弧 复合 焊 工 艺 的 成 熟 ,车 身 焊 缝 复 合 焊 所 占 的 比 例 也 逐 步 上 升 。 Audi A8车身 焊 缝 中有 4.5 mm 长 激 光 一电弧 复合 焊 , 主 要 分 布在 车架 的横 向顶 框 上 各 种规 格 和形 式 的接 头 。 辉腾 (Phaeton) 系列 车 身 中 ,所 有 的 车 门也 都 采 用 了复 合 焊 接 ,车 门 的焊 缝 总 长 4 980 mm,工 艺 是 7条 MIG 焊 缝 (总 长 380 mm),11条 激 光 焊 缝
(总长 1 030 mm),48条 激 光 一MIG复 合 焊 缝 (总 长 3 570 mm)。德 国大 众 汽 车工 程 公 司 的 T GRAF等 人 自主开 发 了用 于汽 车 车身 制造 的激光 一MIG复 合焊 接 机 头 。该 机头 安 装 在 弧 焊 机 器 人 手 臂 上 ,几 何 尺 寸 小 ,适合 任 何 空 间位 置 焊 接 ,在各 方 向上 的调 节 精 度达 到 0.1 mm。
3-3 在 石油管 道 中的应 用
石 油 化 工 的 油 罐 、 管 道 连 接 也 是 激 光一电弧 复 合 焊 一 个 重 要 的 应 用 方 面 。 通 常 的 石 油 管 道 壁 厚 较 大 ,常 规 电 弧 焊 接 需 要 设 计 特 殊 的坡 口 , 进 行 多 道 焊 。 在 反 复 的 引 弧 熄 弧 阶段 易 产 生 缺 陷 。 激 光 一电弧 复 合 焊则 充 分 利 用 电 弧 焊 的 桥 接 能 力 和 激 光 焊 的 深 熔 性 , 能 一 次 单 道 焊 接 成 形 , 减 少 焊 接 缺 陷 , 提 高焊 接 效 率 。
Weldinz Technolo ̄v Vo1.39 No.5 May 2010 ・专 题 综 述 ・ 7
2000年 .德 国 Fruanhofer研 究 所 研 制 了一 套 激 光 一MIG电弧 复 合热 源 焊接 储 油罐 的焊 接 系统 ,采用 15 m/min的焊接 速度 ,焊接 壁厚 5~8 mm,管径 1.6 m 的小油箱 (用 时不 到 3.5 min), 油 箱 焊接所 用 的激光 功 率 为 5.7 kW 、电 弧 电压 29 kV、焊 接 电 流 240 A。
焊 后 通 过 X 射 线 摄 影 检 测 ,焊 缝 无 气 孑L、无 裂 纹 。 近 年来 ,美 国宾 夕 法尼 亚 州 应用 研 究 实 验 室 (ARL)
和 钢铁 造船 公 司 (NASSCO)也 联 合设 计 组 建 类似 的 管道 复合 焊系统 。
4 结 论 和 展 望
国 内外 许 多大 学 和科 研 机构 都 对 激光 一电弧 复 合 焊接技术 进行 了大 量 的研 究 和改 进 。复合 焊作 为一 种 新 型 的焊 接方 法 。可 以改变 功率 密度 在时 间和 空 间上 的分布 ,改善母 材 热作用 和 影响 区域 的温度 分 布 ,从 而 改善 了焊缝及 热 影响 区 的冷 却条 件 、组织 转 变和应 力状 态具 有较 高的 焊接速 度 ,减小 了工 件 的变形 ;降 低 了焊前零 件装 配 间隙 的要求 ,使 得该 项技 术 的实用 性 大大 提 高 。 目前 复合 焊 系统 正 向集 成化 、轻 型 化 、 智能 化发展 ,相 信不 久 的将来 ,复 合焊会 有 更广 泛 的 工业应 用 。
目前 .激 光 焊 接 工 艺 较 为 成 熟 ,而 对 于 激 光 一 电 弧复 合 热 源 焊 接 这 一 新 型 焊 接 技 术 ,其 研 究 工 作 还 主要 集 中在 这 种 焊 接 方 法 的 工 艺 特 点 上 ,对 于 激 光 一电弧 复 合 热 源 焊 接 时 激 光 与 电 弧 的 相 互 作 用 机 理 、焊 接 热 源 的 特性 等课 题有 待 于从 理论 上 进 一 步 研 究 。
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作 者 简 介 :袁 小 川 (1979一 ),男 ,焊 接 工 程 师 , 主要 从 事 压 力 容 器 、 管 道 、钢结 构 等方 面 的焊 接 工 艺 技 术 工 作 .