激光电弧复合焊接技术Laser-Arc H y brid Weldin g Technolo gy北京航空制造工程研究所朱轶峰董春林[摘要]介绍了一种激光电弧复合焊接技术, 阐述了此技术的原理、设备、优势及其应用前景。
关键词:激光电弧复合焊接设备应用前景 [ABSTRACT ]A Iaser-arc 1y brid weIdin g tec1-noIo gy is introduced. Its p rinci p Ie , e g ui p ment , advanta g es and a pp Iication p ros p ect are described.Ke y words :Laser-arc h y brid weldin g E g ui p mentA pp lication p ros p ect激光作为高能束流热源吸引了越来越多工程技术人员的注意, 从去年的第七届阿亨国际焊接会议上可以看出, 激光焊接已经成为国际焊接界的关注热点。
而激光电弧复合焊接作为其中的新兴技术引起了工程界、企业界的广泛重视, 在欧美和日本先后有多家汽车制造厂和造船厂斥资投入这方面的研究, 并有厂家率先进入了工程化应用阶段[1]。
1原理由于激光的能量密度很高 (可高达 107W /cm 2 ,因此激光焊接的速度快, 焊接深度深, 热影响区小, 可以进行精密焊接。
利用聚焦良好的激光束可进行金属、塑料以及陶瓷的焊接, 并已用于印刷、精密机械等行业。
采用深熔焊接技术 (即穿孔焊接 , 大功率的激光束流一次焊接金属材料厚度可达 20mm 以上, 同时具有比较高的焊接速度, 热影响区比较小。
由于激光束流比较细小, 因此焊接时对拼接接头的间隙要求比较高 (<0. 10mm , 熔池的搭桥能力 (Ga p Brid g in g AbiIi-t y比较差, 同时由于工件表面的强烈反射影响了束流能量向工件的传递, 高能激光束导致熔池金属的蒸发、汽化、电离, 形成光致等离子体, 严重影响了焊接过程的稳定性, 因此焊接过程中激光的实际能量利用率极低。
以 CO 2激光器为例, 其量子效率为 38%, 电光效率为 15%~20%, 实际激光器运行的总效率 <20%[2], 一般认为为激光器输出功率的 3%~30%, 故能源浪费严重。
而弧焊作为一种成熟的金属连接技术已经在工业界得到广泛的应用, 但由于束流能量密度的限制, 相对于高能束流焊接而言, 弧焊的焊接厚度与焊接速度均比较小, 且焊缝的热影响区比较大, 焊缝具有较小的深宽比。
因电弧的搭桥能力比较强, 故对焊接工件的间隙要求不严格, 可以达到工件厚度的 10%, 电弧能量的利用率达到输出功率的 60%以上。
激光电弧复合热源焊接技术是一种新兴的特种制造技术。
它是将物理性质、能量传输机制截然不同的两种热源复合在一起, 同时作用于同一加工位置, 既充分发挥了两种热源各自的优势, 又相互弥补了各自的不足, 从而形成一种全新高效的热源。
其原理示意图见图 1[3]。
采用复合热源焊接与单热源焊接相比, 同样工艺参数焊接速度可提高 1倍; 与单独采用激光束进行焊接相比较, 接头熔深增大 20%,而且对激光束品质、对接焊缝间隙及焊缝跟踪精度的要求大大放宽了。
与填充焊丝激光焊接相比, 即使焊缝对接根部间隙达到 1mm , 采用激光电弧复合热源焊接也可以得到良好的成形接头, 而且可以做到相得益彰、取长补短, 即:利用电弧先期软化工件表面, 形成利于吸收激光能量的浅层熔池, 降低金属表面的反射率, 再用高能量的激光束击穿工件形成小孔, 进行高速穿孔焊接。
图 1激光电弧复合焊接原理示意图Fi g . 1Princi p Ie of Iaser-arc 1y brid weIdin g p rocess电弧的介入, 不仅可以降低金属表面对激光束的反射率, 而且电弧等离子体将吸收光致等离子体, 从而有效地提高了激光束的能量传输效率, 因此激光电弧复合热源将是铝合金的理想焊接热源。
焊接速度有23科技成果・学术论文2002年第 11期了成倍的提高, 焊接变形明显减小, 焊接能力与激光焊持平, 搭桥过渡能力强于激光焊。
同时, 采用激光电弧复合焊接工艺后, 测量基体金属 (BM 、热影响区 (HAZ 及融合线 (FL 内的焊缝区 (WM 的硬度有明显的下降, 见图2(图中 ! 为两个热源间的距离。
图 2沿复合焊接焊缝横截面硬度的变化 Fi g . 2Hardness traverse at a ri g ht-an g Ie to the combined Iaser beam2激光电弧复合焊接设备2. 1激光与钨极氩弧焊 (Laser-TIGNd :YAG , CO 2激光器与钨极氩弧焊进行复合主要用于薄板的焊接。
激光束通过光致等离子体或匙孔起到稳定阳极斑点的作用。
图 3显示了一个由 ILT 公司开发的 Laser-TIG 复合焊头。
图 3激光 -钨极氩弧复合焊头Fi g . 3Laser-TIG weIdin g torch采用激光钨极氩弧焊复合工艺可以提高焊接速度。
图 4展示了分别采用Nd :YAG Laser , Laser-TIG (直流正接 , TIG (交流焊接 2mm 厚铝镁合金 (AIM g3板材对接接头的截面。
可以看出, 复合焊接工艺既具有激光焊接的高速度, 又具有氩弧焊一样平滑的焊缝。
图 4采用不同工艺焊接的铝镁合金接头Fi g . 4AIM g 3oints b y usin g differentweIdin g p rocesses2. 2激光与等离子弧焊接 (Laser-PAW激光与等离子弧焊接的复合可通过两种渠道实现, 见图 5。
图 5激光 -等离子复合焊头Fi g . 5Laser-p Iasma h y brid weIdin g torch图 5(a 为旁侧复合, 易于实现, 但由于其等离子弧焊枪的特殊结构, 导致它与激光束流复合的调节余地减小。
即使这样, 试验结果也已看出这种复合的优势。
图5(b 为由乌克兰巴顿焊接研究所研制的一种新型激光等离子弧复合焊炬原理示意图, 已经申报美国专利。
该技术巧妙地将激光聚焦光加入等离子弧焊枪的环形钨极中, 使激光束流与等离子弧共同作用在一个较小的区域, 此时电弧实际上起到两个作用:(I 通过额外的能量输入提高激光焊接的能力, 从而提高整个工艺的效率;(2 这种激光束流与等离子弧的共心分布可以获得确定的热分布模式。
这种热分布降低了 33科技成果・学术论文航空制造技术冷却速率, 减少了对硬度的敏感性, 改善了残余应力状态。
2. 3激光与熔化极惰性气体保护焊(Laser-GMA 最近的研究表明, 这种复合技术具有较强的活力。
弧焊工艺的加入有助于提高间隙搭桥能力, 降低原来采用纯激光焊接时坡口制备的精度要求; 复合焊接工艺中电弧的能量输入可以方便地控制冷却状态; 通过匙孔效应激光束流使得起弧容易, 弧焊工艺更稳定, 有助于能量向深层传递。
图 6为一个激光气体熔化极弧焊的复合焊头。
图 6CO 2iaser-GMA 复合焊头Fi g . 6H y brid CO 2iaser-GMA weidin g head图示的焊头原型是由 ILT 公司研制的。
这种焊头使气流直接射到工件表面, 防止保护气体受到溅射物的污染, 但美中不足的是, 激光束流的轴线与电极轴线的夹角可调节余量太小。
3应用前景激光电弧复合热源焊接技术的探索性研究始于80年代初[4~6]。
进入 90年代以来, 随着激光焊接在工业自动化生产中的应用日益广泛, 激光焊接工艺的局限性也日益突出, 如焊接热有效利用率低, 对焊缝间隙及焊缝跟踪精度的要求较高, 至此, 激光电弧复合热源的研究才呈现出高潮。
国外的研究机构相继开发出多种复合热源焊接新技术。
多家直接面向航空航天及国防部门服务的研究机构, 近年来大力开展复合热源焊接的应用基础研究工作, 从对外公布的研究内容来看, 工作重点主要集中在专用设备研制、焊接工艺研究和接头性能测试与质量评估上[7~10]。
从激光电弧复合焊接技术在造船与汽车制造领域的应用可以看出, 该项技术广泛适用于从薄板小变形到厚板的高速度焊接, 在造船、石油化工、电力、冶金、汽车等方面都有广泛的应用前景。
激光电弧复合焊接技术, 无论是在经济性还是实用性方面具有突出的优势:不需要真空系统, 可以进行大型中厚度零件的大气条件下的焊接; 具有较高的焊接速度, 降低了零件的应力变形; 焊前零件装配间隙的要求降低, 使该项技术的实用性大大提高。
激光电弧复合焊接技术可广泛用于飞机、火箭等各种合金壳体及管道的焊接。
4结论(1 在激光电弧复合焊接工艺中, 弧焊的加入提高了熔池间隙过渡的能力;(2 在激光电弧复合焊接工艺中, 电弧的输入能量决定了焊缝的宽度; 激光的输入能量决定了焊缝的深度;(3激光焊接容易产生的光致等离子体降低了引弧电阻, 提高了电弧稳定性;(4两种工艺的复合可以大大提高单热源的工艺效率在相同工艺参数条件下, 复合热源焊接速度可达到单热源的 2倍以上。
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