（机械制造及其自动化专业论文）高强度钢激光电弧复合焊接研究.pdf

摘要 激光电弧复合焊接是一项新兴的焊接技术，在国外已经发展得相当成熟，而我国 在基础研究方面都还存在着许多不足，本文正是在这种背景下，对激光电弧复合焊接 进行基础研究。 本文采用c q 激光与旁轴m i g 电弧进行复合，以7 咖厚的高强钢为焊接研究对象， 通过扫描电子显微镜、透射电子显微镜、x 射线衍射器等设备对焊接接头的微观组织和 机械性能进行了系统的研究。研究结果表明：焊缝在结晶过程中发生马氏体相变，其 微观组织为马氏体与大量的残余奥氏体：熟影响区微观组织为马氏体与残余奥氏体， 晶粒明显长大；硬化区有碳化物析出，微观组织为马氏体与少量奥氏体。激光功率的 提高使焊缝和热影响区的微观组织晶粒变大，硬度增高；焊接速度的提高使焊缝和热 影响区的微观组织晶粒细化，硬度提高：焊接电流和对接间隙的改变对焊缝和热影响 区的微观组织影响不大。激光电弧复合焊接能够实现良好的桥联性：焊接接头的抗拉 强度高于母材；焊缝硬度低于激光焊接，并且均匀性良好。 关键词：激光电弧复合焊接高强钢微观组织拉伸强度 a b s t r a c t l a s e r - a r ch y b r i dw e l d i n gi san e w d e v e l o p i n gw e l d i n gt e c h n o l o g y , w h i c hh a sb e e nw e l l d e v e l o p e da b r o a d , h o w e v e ri ti ss t i l lu n d e rt h es t a g eo ff u n d a m e n t a lr e s e a r c hi no u rc o u n t r y i nt h i sp a p e r , t h ea i mo f t h ep a p e ri st os t u d yl a s e r - a r ch y b r i do f h i g h s t r e n g t hs t e e l s 。 i nt h i sp a p e r , ac 0 2l a s e re o m b i n a t e d 、】v i t l lm i g w a su s e dt ow e l dh i 曲一s t r e n g hs t e e l s ， t h em i c r o s t r u c t u r ea n dm e c h a n i c a lc h a r a c t e r sw e r es t u d i e ds y s t e m a t i c a l l yb ys e m ，t e ma n d x r de t c t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t si n d i c a t et h a tm a r t e n s i t i cp h a s et r a n s f o r m a t i o nl a k e sp l a c e i nt h ew e l db e a dd u r i n gc r y s t a l l i z a t i o n ；i t sm i c r o s t r u c t u r ec o n s i s to fm a r t e n s i t i ca n dl o t so f r e t a i n e da n s t e n i t e ；h e a ta f f e c t e dz o n e sm i c r o s t r u c t u r ea r em a r t e n s i t i ca n dr e t a i n e d a u s t e n i t e ，i t sc r y s t a lg r a i ng r o wl a r g e ro b v i o u s l y ；h a r d i n gz o n ep r e c i p i t a t ec a r b i d e ，i t s m i c r o s t r u c t u r ea r em a r t e n s i t i ca n daf e wr e t a i n e da n s t e n i t e ；h i g h e rl a s e rp o w e rm a k e st h e w e l db e a da n dh e a ta f f e c t e dz o n e sc r y s t a lg r a i nr e f i n e ，t h ec o n t e n to fm a r t e n s i t i ci n c r e a s e ， t h eh a r d n e s sb e c o m e sh i g h e r ；h i g h e rt h es p e e do fw e l d i n gm a k e st h ew e l db e a da n dh e a t a f f e c t e dz o n e sc r y s t a lg r a i nr e f i n e ，t h ec o n t e n to fm a r t e n s i t i ci n c r e a s e ，t h em o d i f i c a t i o no f w e l d i n gc u r r e n ta n dg a ph a v el i r l ei n f l u e n c et ot h em i c r o s t r u c t u r eo f t h ew e l db e a da n d h e a t a f f e c t e dz o n e l a s e r h y b r i di sa b l et oi m p l e m e n tn i c e rb r i d g i n g ；t h et e n s i l es t r e n g t ho ft h e w e l d i n gj o i n ti sh i g h e rt h a nt h ep a r e n tm e t a l ；t h eh a r d n e s so fw e l db e a di sl o w e rt h a nl a s e r , a n dh a sa g o o du n i f o r m k e yw o r d s ：l a s e r - a r ch y b r i dw e l d i n gh i g h s t r e n g t hs t e e l s m i c r o s t r u c t u r e t e n s i l e - s t r e n g t h i i 长春理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文，高强度钢激光电弧复合焊接研 究是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已 经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作 品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名：虱鎏! ! 年羔月翔 长春理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕士、博士学位论文版 权使用规定”，同意长春理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的 复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权长春理工大学可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等 复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名：! 虱整堡年三月二扪 指导新签名：翻嘻年兰月塑 第一章绪论 1 1 前言 激光焊接是上世纪中后期发展起来的一种焊接新技术，它是以高能量密度的激光 作为热源，对金属进行熔化而形成焊接。与传统的焊接方法相比，激光焊因其熔深大、 速度快、焊后变形相对较小以及适合难焊金属的焊接面广泛应用于许多工业领域。但 是，激光焊设备占地面积大、购置费用昂贵、设备维修费用高等缺陷限制了激光焊接 在更多的工业领域中的应用。 2 0 世纪7 0 年代末英国学者s t e e n 等率先利用t i g 和c 吼激光实现了激光电弧复合 焊。近年来，随着电弧焊设备和激光器性能的提高，激光电弧复合焊技术发展更加多 样化，己成为激光焊技术的一大发展方向，这主要在于激光与电弧作用于同一熔池时， 可兼各热源之长而补各自不足，具有1 + 1 大于2 或更多的所谓“协同效应”。与激光焊 相比，可增大间隙装配裕度和热效率，扩大了激光焊的应用范围：与电弧焊相比，可 提高电弧的稳定性和功率密度，从而进一步提高焊缝熔深及焊接速度，改善焊缝质量。 因此，欧美、同本以及中国j 下积极开展激光电弧复合焊在汽车、船舶、航空、管道等 制造领域的应用研究m 。 1 2 激光焊接技术 1 2 1 激光焊接原理 激光的产生是利用原子受激辐射的原理，是工作物质受激发而产生的波长均一、 方向一致以及强度很高的光束，称为激光。激光有四大特性：高亮度、高方向性、高 单色性和高相干性。这些奇异特性使激光在材料加工领域得到了广泛的应用。 激光焊接的原理是利用激光器产生的高强度的激光束，使其聚能到l o 唧c m 2 以上 的能量密度，当其作用于焊接件焊缝时，焊件吸收光能而转变为热能，使其金属熔化 后冷却结晶形成接头”。 在激光焊接过程中，当激光束触及金属材料时，其热量通过热传导传输到工件表面 及表面以下更深处。在激光热源的作用下，材料熔化、蒸发，并穿透工件的厚度方向形 成狭长空洞，随着激光焊接的进行，小孔沿两工件问的接缝移动，进而形成焊缝。激光焊 接的显著特征是大熔深、窄焊道、小热影响区以及高功率密度。 激光焊接主要有热传导焊与深熔焊两种。热传导焊时，激光辐射能量作用于材料 表面，辐射能在表面转化为热能，通过热传导向材料内部扩散，使之熔化，在两材料 连接处形成熔池。在激光束向前运动后，熔池中的熔融金属凝固，形成连接两块材料 的焊缝。热传导焊采用的激光功率密度为l o 。1 0 唧c m 2 。 深熔焊时，激光功率密度达到1 0 6 1 0 7 w c m 2 ，功率输入远大于热传导、对流及辐 射散热的速率，材料表面发生汽化而形成小孔。激光通过孔中直射到孔底，光束带着 大量的光能不断进入小孔，小孔外材料在连续流动。小孔随着光束向前移动，熔融的 金属填充小孔移开后所留下的空腔，并随之冷凝形成焊缝，完成焊接过程。整个过程 发生极快，其焊接速度可达到每分钟数米。深熔焊焊缝的深宽比最高可达到1 2 ：1 ”1 。 激光焊接实质上是激光与非透明物质相互作用的过程这个过程极其复杂，微观 上是一个量子过程，宏观上则表现为反射、吸收、加热、熔化、气化等现象。 1 光的反射及吸收 当光束照在清洁的不透明的金属表面时，一般都存在着强 烈的反射。会属所含的自由电子密度越大( 即电导率越大) ，反射本领越强。当能量为 e o 激光照射到材料表面时，部分能量被反射，用b 来表示：部分能量被吸收，用e 来 表示；对金属来说，则有”1 e 【i = e r + e a i ：墨+ 互 e oe o 。= p r + p 式中纬一一反射率 ( 1 1 ) ( 1 2 ) ( 1 3 ) p 。一一吸收率。 当激光垂直入射时，金属表面反射率 p r ：# 婴竺 ( 1 4 ) 2 蔷葛可 1 一) 式中n 一一折射率： k 一一金属表面的吸收系数。 2 材料的加热一旦激光光子入射到金属晶体，光子即与电子发生非弹性碰撞， 光子将其能量传递给电子，使电子由原来的低能级跃迁到高能级。与此同时，会属内 部的电子间也在不断地互相碰撞。每个电子两次碰撞f b j 的平均时间为1 0 “1 s 的数量级， 因此，吸收了光子而处于高能级的电子将在与其它电子的碰撞以及与品格的互相作用 中进行能量的传递，光子的能量最终转化为晶格的热振动能，引起材料温度升高，改 变材料表面及内部温度。 3 材料的熔化及气化激光焊接时，材料到达熔点所需时间为微秒级：脉冲激 光焊时，当材料表面吸收的功率密度为l o c m 2 时，达到沸点的典型时间为几毫秒； 当功率密度大于l o 唧c m 2 时，被焊材料会产生急剧的蒸发。在连续激光深熔焊时，j 下 是由于蒸发的存在，蒸汽压力和蒸汽反作用力等能克服熔化会属表面张力以及液体金 属静压力而形成小孔，小孔类似于黑体，它有助于对光束能量的吸收，显示出“壁聚 焦效应”，由于激光束聚焦后不是平行光束，与孔壁间形成一定的入射角，激光束照到 孔壁上后，经多次反射而达到孔底，最终被完全吸收。 4 激光作用终止，熔化金属凝固焊接过程中，工件和光束作相对运动，由于 剧烈蒸发产生的强驱动力使小孔前沿形成的熔化金属沿某一角度得到加速，在小孔的 近表面形成一个较大的旋涡，此后小孔后方液体金属由于传热的作用，温度迅速降低， 液体金属很快凝固成焊缝。 1 2 2 激光器 目i ；i ，适用于激光焊接的激光器，主要有高功率c 吼激光器和掺钕钇铝石榴石( y a g ) 激光器两种。其性能对比见表卜1 。 表1 - 1c 如激光器与y a g 激光器性能对比 1 2 3 激光焊接的优点及不足 激光焊接具有如下优点： ( 1 ) 激光束聚集的功率密度很高，可保证高质量高精度的焊接结果，可达到较高 的焊缝深宽比，可完成一些复杂结构的焊接。 ( 2 ) 加工速度快，热影响区很小，焊接的热变形及残余应力很小，可进行精确的 焊接。 ( 3 ) 激光加工属于非接触加工，没有明显的机械力，没有工具耗损。 ( 4 ) 可在空气中进行焊接，无需真空也不产生x 射线，常需在保护气氛下进行焊 接，以防有害气体侵蚀焊接熔池。 ( 5 ) 不用焊条或填充材料便可得到成分与母体材料相同的焊缝。 ( 6 ) 激光没有惯性，在高速加工过程中可急停和迅速启动。 ( 7 ) 激光焊接技术适用于钛合金、铝合金和镍基高温合命、各种钢材以及工程塑 料，对于异种材料之间的焊接，如奥氏体不锈钢与铜或与易切钢、铸造高温合会与形 变高温合会等，也都能得到高强度的接头。 ( 8 ) 光束传输方便，具有较大的灵活性，易与机器人、数控技术相结合，实现自 动化加工，可在高速下焊接复杂形状的工件，获得非常精确的焊缝。 激光焊接虽然有上述诸多优点，但是在实际应用中人们也发现了激光焊接的许多 不足之处争： ( 1 ) 等离子屏蔽问题。在激光焊接中母材受热熔化、汽化形成深熔小孔时，孔中 充满会属蒸汽，金属气体与激光作用形成等离子云。等离子云吸收和反射激光很强， 降低会属材料对激光的吸收率，使激光的能量利用率降低。此外等离子云强烈时还可 能对激光产生负透镜效应，严重影响激光束的聚焦效果。 ( 2 ) 桥接性差，焊缝装夹精度要求高。激光光斑直径很小，热作用区小，桥接能 力很差，对焊缝接头对准的平整度和精度要求很高。采用激光焊接时焊缝的缝隙宽度 不能大于0 2 栅，否则激光透过缝隙太多，能量损失很大。同时接头两侧平整度太差时 会发生焊接错位，将严重影响焊接质量。这一方面对激光接头的准备提出了很高的要 求，另一方面要求装夹精确，对装央的技术要求高，这都增加了工艺要求和焊接成本。 在工业适用化上的技术难度较大。 ( 3 ) 焊缝的硬度高，焊接热裂纹倾向大。激光焊接时功率密度很大，热作用区域 很小，而热输入量小，所以焊接区域会产生很高的峰值温度和温度梯度，焊缝熔化金 属快速凝固收缩，这会带来两方面的影响：一是焊缝的硬度很高，有时可能大大高于 母材，这在诸如船舶等特殊工业中的应用有所限制：二是对于某些金属零件特别是经 过深加工后存在高机械应力的金属焊接后工件热裂纹倾向大一，。 ( 4 ) 凹陷及气孔问题。激光焊接过程一般不采用添加填充材料，由于母材端面存 在间隙、深熔小孔内金属受热汽化，焊接后焊缝处有时会存在凹陷。采用激光填丝的 工艺虽然能够减小激光焊接时焊缝凹陷和降低焊接时所要求的装配精度，但是金属丝 会对激光能量有较大的吸收，消耗激光作用于焊件表面的能量。所以目前的激光焊接 一般很少采用填丝工艺，只是在某些特殊情况下，如增加异种金属焊件的结合能力或 降低焊缝对准的要求增加激光焊接的桥接能力，应用激光填丝焊接工艺。同时一般都 会考虑对焊丝在送入焊接熔池前先预热的方式，以降低其对激光能量的损耗。 激光焊接速度高本来是激光焊接的一个重要优势，但是在对如镀锌钢板、镀锡钢 板和不锈钢等的焊接时，焊速高时焊接所形成的金属蒸汽来不及从焊缝里跑出，残留 在快速熔化凝固后的焊缝里，形成气孔。 ( 5 ) 对高反射金属如铝、铜等的焊接十分困难。铝铜及其合会对激光的反射非常 高，起始的反射率高达9 0 以上，激光能量大部分被反射，难以形成深熔焊的小孔。 ( 6 ) 采用激光焊接一个很致命的缺点是焊接设备成本很高，同时激光器的能量利 用率低，以激光器为例总效率小于2 0 。而且大功率激光器运行时对昂贵的h e 气消 耗巨大，生产成本也增加很大。但是激光焊接的熔深并非与激光功率成正比的增长， 以低碳钢焊接为例，焊接熔深大概与功率的o 6 次方成正比。在2 0 k w 的激光功率下， 熔深最大为1 5 2 0 咖，功率达到9 0 k w 时最大熔深也只有4 5 唧。其主要原因是：1 ) 熔 深再增大时焊口侧壁的熔化金属会跨接起来，阻碍激光通过；2 ) 高功率激光焊接时将 4 产生大量的等离子体，而去除等离子体也越来越困难，对激光的屏蔽也越来越严重：3 ) 激光器的输出镜由于温度的升高而产生应变，聚光性能也会越来越差，尤其在长时间 使用时影响更是巨大。 1 3 激光电弧复合焊接技术 为解决激光焊接所遇到的困难，英国焊接专家w s t e e n 于上世纪7 0 年代未尝试利 用小功率激光束与t i g 电弧复合起来进行焊接，得到了很好的效果，引起了焊接界的 极大关注。随着复合焊研究的进展，参与复合焊的激光束类型和电弧类型也有所变化。 参与复合的激光包括y a g 激光、c 0 。激光，电弧包括t i g 电弧、m i g m a g 电弧以及等离 子弧，各种复合形式所得焊接结果也不尽相同。目前研究最多的是激光与姒g 电弧复 合焊接“”3 。 电弧焊是一种经济便宜的焊接热源，从电极性质上可分为非熔化极的钨极氩弧焊 ( t i g 焊) 、熔化极惰性气体保护焊( m i g 焊) 和熔化极活性气体保护焊( m a g 焊) 。相 对于激光焊接来说，电弧焊的优点在于： ( 1 ) 电弧焊接经济便宜，焊接能量利用率高，可达输入功率的6 0 以上； ( 2 ) 电弧焊的热作用区大，桥接性能好，对焊接工件的问隙和平整度要求不严格， 间隙和错位可达工件厚度的1 0 ： ( 3 ) 电弧焊接热输入量大，焊接速度慢，焊接后的焊缝区域硬度不高，与母材相 差甚少： ( 4 ) 与激光的性质不同，电弧焊不存在反射和散射的问题，可以焊接铝、铜等高 反射材料： ( 5 ) 通过填丝或熔化极材料的填入和开坡口，可以焊接超厚的工件。 而电弧焊接的缺点在于： ( 1 ) 焊接速度慢，根据厚度不同常用的焊接速度在3 0 0 m m i n 以下，工作效率 低，且当焊接速度太快时电弧将非常不稳定，电弧会产生出现跳动； ( 2 ) 焊接熔深浅，深宽比小，这主要是因为电弧焊接能量不集中，功率密度通常 只有1 0 2 1 0 1 w c m 2 ，不能形成深熔焊； ( 3 ) 焊接热输入量大，再加上低的焊接速度，焊接后焊件的变形量大，焊缝组织 的热应力大n “。 激光一电弧复合焊是将物理性质和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，从而形成了一种全新高效的热源。 表i - 2 激光电弧复合焊接优点 l a s e r h y b r i d 与电弧焊相比优点l a s e r h y b r i d 与激光焊媚比优点 焊接速度更高 熔深更大 热输入低 抗拉强度高 焊缝窄 焊接过程更稳定 焊缝桥联性更好 熔深更大 成本更低 更好柔性或者适应性 如表卜2 所示，激光电弧复合焊采用激光束和电弧共同工作，焊接速度高，焊接 过程稳定，热效率高以及允许更大的焊接装配削隙。激光电弧复合焊的熔池比电弧焊 的要小，热输入低，热影响区小，工件变形小，大大减少了焊后纠币焊接变形的工作。 激光电弧复合焊接，会产生两个独立的熔池，而后面的电弧输入的热量同时起到了焊 后回火处理的作用( 尤其是在焊接钢时) 。 此外，复合焊可以加入填充金属对焊缝进行冶会控制，这改善了焊缝金属的微观 组织性能，降低了裂纹出现的敏感性，从而提高了焊接质量。复合焊与激光焊相比， 可以大大的降低能量制各成本，而焊接效果却更好。 根据选择电弧电极的性质，激光电弧复合焊可分为l a s e r - - t i g 复合焊，l a s e r m i g m a g 复合焊。根据激光的性质有可分为y a g 激光与电弧复合，c o ：激光与电弧复 合等。典型的激光与电弧复合焊接的作用示意图如图1 1 ，将电弧作用于激光旁侧， 位于激光焊接方向的前面，电弧与激光同时作用于焊件，并对焊件有预热作用的方式 进行辅助焊接。 图1 1 激光电弧复合焊接原理示意 1 3 1 激光电弧复合焊接的机理 国内外对激光与电弧复合焊接都做了许多实践性的研究，德国的i s f 技术研究所 和美国的l i a 激光研究所在激光与电弧复合焊接方面的研究最为活跃，发表了许多复 6 合焊研究的论文“+ 叫。一些专家学者也曾尝试建立激光电弧焊接的模型以总结激光电弧 复合焊接的规律，但是激光与电弧的相互作用机理极为复杂，难以建立一个很好的模 型来分析复合焊接过程，并找到统一的理论来描述焊接过程中激光与电弧相互影响。 但从国内外对激光电弧复合焊研究中可以总结出激光与电弧相互作用的一些机理特性 i 【7 船】 o ( 1 ) 电弧能够提高材料对激光能量的吸收能力 材料对激光的吸收率与材料的温度有极大的关系，温度越高对激光的吸收率越高， 激光的能量利用率越高。通常的激光电弧复合都将电弧置于激光之前，对焊接金属起 到预热或者表面熔化的作用，提高了材料表面的温度，进而提高了对激光的吸收能力， 降低了对激光的反射作用。尤其是对a l 和c u 等对激光反射系数很高的材料，采用 复合焊接使电弧的热量将材料表面微熔成液态，大大降低了a l 、c u 等高反射材料对 激光的反射，使焊接能够顺利进行。i b a r a k i 大学的s h i d a 1 等人采用l o k w 的c 0 2 激光器与t i g 和m i g 电弧复合对a l 进行焊接，发现引入了电弧以后焊接能量利用 率大大提高且电弧使a l 的反射率大大降低，焊接熔深比单一激光焊提高了1 5 - - 2 0 ，同时焊缝表面具有如同氩弧焊一样平滑的表面。 ( 2 ) 电弧增加了激光焊接的桥接性能 。 通常的激光焊接如果焊缝间隙大于0 i m m 将会使激光漏过太多而导致焊接无法 进行。而由于电弧的加入，增大了焊接作用区域的面积，同时采用t i g 填丝或者 m i g m a g 熔化极电弧焊可以增加焊接熔池罩的金属，大大降低了从焊接间隙漏过的激 光，使焊接桥接性能增强。桥接能力的加强是激光电弧复合焊接非常重要的一个优势， 它可以大大降低焊接对焊口的精度要求，减少了捍口加工准备的工艺，提高了生产效 率并降低了生产成本。同时使激光焊接能够运用在一些焊接间隙较大的特殊场合。例 如在石油管道的焊接中，传统方法大都采用电弧焊接。石油管道的厚度大约为l o 1 5 m m 厚，间隙约i m m ，实际焊接时一般要进行六道的电弧焊接，而且焊接速度过慢。若采 用激光焊，搭桥能力太差，必需采用较大光斑直径，能量损失率太高，难以进行实际 应用。英国剑桥大学合t w i 公司的p l m o o r e 等人采用y a g 激光器和m a g 焊机集 成进行复合焊接，利用光纤传导y a g 激光以适应任意形状的焊接。通过调节焊接有关 工艺参数，得到了需要的d - - f e 组织的焊缝，同时一次性焊透管道，同时焊接速度 也大大提高。 ( 3 ) 激光能稳定电弧同时激光与电弧复合能够提高焊接速度 电弧在高速焊接时是非常不稳定的，主要是因为电极与焊件之阳j 等离子体浓度不 够不能维持电弧稳定燃烧。激光介入后将大大提高焊件表面的等离子体浓度，对电弧 起到稳弧作用。s t e e n 实验测定了激光介入电弧对电弧稳定性的影响，发现电弧加上 激光后电弧电流迅速提高而电压迅速降低，不稳的电弧加上激光后电流和电压都趋于 稳定。 激光与电弧复合后，由于激光增加了电弧的稳定性，电弧提高了材料对激光的吸 收能力，焊接总能量输入的提高和激光与电弧的相互影响与作用，与相同功率的单一 激光焊接相比，能够获得到更高的焊接速度和焊接质量。s t e e n 采用焦距为7 5 哪的 z n s e 透镜透射聚焦2 k wc o ：激光器与2 5 0 a 的钨极氩弧焊t i g 焊机进行了复合焊接实 验，实验发现2 k w 激光与t i g 焊系统在同侧的复合焊接薄板时可比单独激光焊接速 度提高近5 倍。 ( 4 ) 电弧能够起到稀释激光焊接等离子体的作用 激光焊接有很高的功率密度，在焊件中产生小孔效应，小孑l 中的金属蒸汽电离形 成大量的光致等离子体，当等离子体浓度太大时对激光产生强烈的屏蔽作用。激光所 产生的等离子体是一种高密度高温度小区域的等离子体，而电弧是一种低密度低温度 的较大区域的等离子体。电弧的加入将对激光所产生的等离子体形成一个通道，稀释 焊接区域等离子体，降低等离子体对激光的屏蔽作用。天津大学的赵家瑞等人将8 0 0 w 的激光与3 0 a 的电弧复合，利用s t a r k 效应测定了脉冲激光加上t i g 焊电孤的电子 密度，并与激光焊等离子体电子密度进行了比较，发现加上小电流的电弧后激光所产 生的等离子体电子密度由i 5 x1 0 c m ：降低到1 5 1 0 ”c 群，强烈地稀释了激光焊接时 的等离子体密度m ，。 ( s ) 激光能够引导和收缩电弧 单一的电弧焊电弧孤柱面积很大，能量非常分散，所以功率密度很低，通常只有 1 0 2 i 0 1 w c m 2 ，不能获得大的熔深。在复合焊条件下，激光焊接在局部区域产生热点形 成的大量的等离子体，它能够引导电弧的弧柱，使电弧收缩指向激光作用区域，使电 弧的能量更加集中。 ： ( 6 ) 激光电弧复合焊对焊接熔深的增加 电弧作用于焊件增加了焊接的能量输入，激光在电弧所形成的熔池内作用于焊件 所得到的熔深将是在电弧熔深的基础上增加，所以复合焊能够得到更大的焊接熔深。 同时采用t i g 填丝或m i g 焊时，对焊口预开坡口，使电弧熔化并填充焊接坡口，将 焊缝上半部焊接起来，而利用激光深熔焊将焊件下部焊接起来，焊接熔深将是两项之 和。采用高功率的激光器不但价格十分昂贵而且生产成本也很高，而采用激光复合焊 方式则能大大降低对激光功率的要求，而达到焊接所需要的熔深。r 本东芝公司用6 k w 的c o ：激光与7 5 k w 的m i g 电弧复合，在7 0 0 m m m i n 的焊接速度下焊透了1 6 m m 厚 的不锈钢板”“。 ( 7 ) 复合焊对焊缝硬度的降低 电弧能量的加入，增加了焊接时热量的输入，并减小了焊接后的冷却速度，可以 降低焊缝的硬度，解决单一激光焊焊缝硬度太高的缺点。同本的t o m m ij o k i n e n ”采 用3 k wy a g 激光器和m a g 的复合焊接系统对i 型接头的6 咖厚a 3 6 结构钢进行的 焊接研究表明：复合焊接在与激光焊接相同的焊接速度下( 0 7 m m s ) ，焊缝硬度由4 0 0 h v 降低到了2 6 2 h v ，焊缝质量良好，完全符合实际应用的标准要求。同时由熔化电极所 添加的合金成分亦可进一步降低焊缝的硬度，n i 的作用尤为突出。 ( 8 ) 电弧对激光的屏蔽 电弧也是一种等离子体，电弧较大时会对激光产生屏蔽作用，激光和电弧的复合 参数选择不恰当时，电弧对激光的吸收和屏蔽尤为严重。电弧对激光的吸收与激光的 波长有关，波长越短吸收越小，反之则越大。t a g 激光与电弧复合时所受的影响较小， 大部分能够透过电弧，c g 激光被电弧的吸收就比较强烈。 1 3 2 激光与电弧的复合形式 激光电弧复合焊的复合形式众多，但根据激光电弧在焊接时的空间位置不同可以 将复合形式分为两大类即旁轴与同轴，前者又可分为两种情况：一种是激光与电弧的间 距较大，二者所形成的熔池并不相交：另一种为激光与电弧的间距较小，二者所形成的 熔池相互作用。图1 2 是激光与t i g 同轴与旁轴的复合形式。 a ) 激光与t i g 的旁轴复合b ) 双光束与t i g 的同轴复合 c ) 激光与空心钨极t i g 的同轴复合 图1 2 激光与t i g 的同轴和旁轴复合形式 ( i ) 激光t i g 复合焊接 激光与t i g 电弧进行复合是最早的一种复合焊形式，n d ：y a g 、c q 激光与t i g 电弧 复合焊主要用于薄板金属的焊接。激光与t i g 旁轴焊接时，激光在前可以除去母材金 属表面的氧化物及杂质使得钨极所受污染大大减少，延长了钨极寿命。采用直流正接 ( d c e n ) 与交流t i g 焊接相比，能量输入、能量密度都有增加，明显地提高焊接速度， 改善了单一t i g 焊接时焊接速度低、效率低的缺点。尤其是低电流、高焊速和长电弧 时，激光一t i g 复合热源的焊接速度可以达到激光焊接的两倍，咬边也减小。此后在九 十年代又出现了激光与t i g 同轴焊接，这种焊接方法无方向性，焊接过程比较稳定， 焊接速度也大大增加。并且在焊接过程中，复合焊接时的小孔直径是单一y a g 焊接时 的1 5 倍，非常有利于气体的溢出，可以减少焊缝中的气孔。 ( 2 ) 激光一m i g m a g 复合焊接 这种复合焊接技术利用了填丝的优点，增加了适应性。m i g 眦g 电弧的方向性要比 t i g 弧方向性强，所以电弧与激光位置之间的关系尤为重要。与激光一t i g 相比，其焊 9 接板厚更大、焊接适应性更高。弧焊工艺的加入有助于提高1 8 j 隙搭桥能力，降低了单 一激光焊接时坡口制备的精度要求；复合焊接中电弧的能量输入可以方便地控制冷却 状态；熔敷金属的加入可以改善单一激光焊时的焊缝微观组织，提高了焊缝的综合力 学性能：激光前置时可以使起弧容易，并且在合适的规范下可以改变熔滴过渡方式， 使得焊接过程更加稳定，大量减少了单一m i g m a g 焊时的飞溅量，同时也减少了焊后 处理的工作量。 激光一m i g m a g 复合由于存在送丝，所以大多数是采用旁轴复合，但是同轴复合也 可以实现。t i s h i d e 在研究中发现，当电弧与激光位置完全重合时，激光能量主要用于 熔化焊丝而不是形成锁孔，很明显，改变激光与电弧相对位置可增大熔深。 ( 3 ) 激光等离子弧复合焊接 英国c o v e n t r y 大学于1 9 9 2 年首先开始等离子弧与激光复合焊接技术的研究”。 激光与等离子弧复合焊接有很多的优点。刚性好、温度高、方向性强、电弧引燃性好。 因而，此种复合焊接方法在薄板对接、镀锌板搭接、铝合金焊接及切割、表面合金化 等方面的应用都有研究。激光等离子复合焊接可以旁轴，也可以同轴。在旁轴焊接时， 由于等离子弧焊枪的特殊结构，导致它与激光复合时的调节余地减小，不过大量试验 结果表明此种复合也具有很明显的优势，增大了熔深、焊接速度、消除了单一等离子 弧焊接时易于出现的咬边现象。 目前，巴顿焊接研究所研制了一种新型激光等离子复合焊枪，他们巧妙地将激光 聚焦光加入等离子弧焊枪的环形钨极中，使激光束与等离子弧共同作用在一个较小的 区域内，此时电弧具有两个作用：1 ) 通过额外的能量输入提高激光焊接的能力，从而提 高了整个焊接过程的效率：2 ) 这种激光束与等离子弧的共心分布可以获得确定的热分 布模式，这种热分布降低了冷却速度，减小了对硬度的敏感性，改善了残余应力状态。 ( 4 ) 激光双电弧复合焊接 德国亚琛大学焊接研究所( i s f ) 的研究人员将复合焊的理念加以拓展，开发出了一 种激光与双m i g 电弧的复合焊设备，称为h y d r a ( h y b r i dw e l d i n gw i t hd o u b l er a p i da r c ) 焊接。这种焊接方法将激光与两个m i g 电弧同时复合在一起，每个焊炬都可相对另一 焊炬和激光束位置任意调整，两个焊炬采用独立的电源和送丝机构，如图l ，3 所示。 幽1 3h y d r a 复合焊设备头 0 在激光作用下，双电弧吸引在一起，二个热源同时作用在同一熔池中试验结果表 明，与激光和单一m i g 电弧复合焊相比，焊速增大了3 3 ，同时单位长度能量输入减 小了2 5 ，白j 隙裕度可达2 m m ，这都远远超过了激光与单一电弧复合焊。并且这种焊 接设备无焊接方向的限制，空间可调度较大，可以更好地实现自动化焊接。 1 3 3 复合焊的工艺特点 ( 1 ) 焊接熔深的增大 大量的试验结果表明，在同样焊接规范下，复合焊可以明显增大各单一热源所得 熔深。在一定的焊接规范参数下，激光与电弧发生协调作用，此时复合焊的熔深甚至 要大于各单一热源焊所得熔深之和。 ( 2 ) 对接间隙的增大 激光焊接时，由于激光束直径比较小，对接头的装配间隙要求比较高。在激光平 板对接焊中，阊隙裕度应小于0 1 m m 。两在复合焊中，由于电弧的加入提供了附加能 量并且焊丝的熔化提供了填充金属，这使得焊接区域增大，因此复合焊所允许的间隙 裕度也有比较大的增加。此外，复合焊也可以进行错位量达其板厚( o 5 3 m m ) 8 0 9 6 的平板焊接。 t ( 3 ) 焊接速度的增大 在非熔化极复合焊中，前置的电弧提供了额外的能量输入，可以在短时白j 内迅速 将母材料熔化，增大了激光的吸收率，从而增大了焊接速度。比如，在c o ：激光和m a g 复合焊时，对于同样的熔深，复合焊速度与单一激光焊相比，增加了大约5 0 。此外， 速度的增大也使其线能量减小，焊后变形也随之减小，因而减少了焊后纠j 下变形的工 作量，使加工成本降低，生产效率提高。 1 3 4 影响复合焊的主要工艺因素 ( 1 ) 激光功率与焊接电流的影响 激光前置，焊接速度为0 9 m m i n 时，y a g 激光焊和复合焊的熔深均随激光功率 提高而增大，但m a g 电弧焊接电流低于1 5 0 a 时，复合焊熔深增大趋势与激光焊相似， 焊接电流高于1 5 0 a 时，复合焊熔深随激光功率变化的幅度不如焊接电流低的，2 0 0 a 的电弧与功率2 k w 的激光复合时，焊缝熔深与激光焊相当，此时激光与电弧复合己不 具备复合焊的协同效应，而电流1 5 7 a 的电弧与功率i 6 k w 的激光复合，焊缝熔深是 激光焊的l 倍，是m a g 焊熔深的3 倍，具有显著的复合焊协同效应。 与焊缝熔深的变化相对应，m a g 电弧焊接电流低于1 5 0 a ，激光功率越大，复合焊 电流越大，而复合电弧电压降低：电弧焊接电流高于1 5 0 a ，激光功率增大，复合焊 的电流反而减小，电弧电压则升高，s t e e n 和g o r n y i 等对碳钢c 0 2 - - t i g 激光电弧复合 焊研究时也有类似的现象。这是由于一定条件下复合焊时，光致等离子体可为电弧提 供足够的带电粒子，使阳极斑点漂移范围局限在激光热作用点，但电弧焊接电流较大 时，电弧自身稳定性好，与激光复合后反而因光致等离子体的存在导致弧柱带电粒子 过多，增大了电弧电阻，使得焊接电流减小，电弧电压升高。 ( 2 ) 激光焦点位置的影响 激光焦点位置变化对电弧的稳定性、复合焊焊缝的熔宽影响不大，但同激光焊一 样存在一个获得最大熔深的最佳位置。通常以激光焦点位置位于试件表面为零焦量， 之上为f 离焦量，之下为负离焦量。n a g a t a 等对c 0 ：激光与m i g 电弧复合焊的研究则 表明复合焊时负离焦量更大。n a g a t a 的研究中m i g 电弧焊的熔滴呈射流过渡，复合焊 的熔池下凹量增大，则最佳负离焦量增大。 ( 3 ) 焊接速度的影响 焊接速度为1 2 m m i n 时，电流1 5 0 a 的m a g 电弧产生断弧。与功率1 5 k w 的y a g 激光复合焊，焊接速度达3 0 m m i n 时复合焊仍可获得连续焊缝。 与激光焊相比，低速焊的复合焊熔深没有明显增大，这是由于低焊接速度的电弧 自身稳定性好，不需激光稳弧作用，也就形成不了协同效应，焊接速度大于o 9 m m i n ， 复合焊焊缝熔深较大，有显著的协同效应，而焊接速度较低的复合焊熔深与激光焊的 接近，一则由于低焊接速度的电弧自身稳定性好，不需激光稳弧作用，二则低焊速时 电弧等离子体膨胀增大了对激光的散射作用，因此低速复合焊不能起到增大熔深的作 用。焊缝截面分析知焊接速度为2 4 m m i n ，激光焊呈现热传导焊效果，而复合焊仍然 可形成钉头形的熔深，具有深熔焊的特征。 ( 4 ) 热源削距与焊接方向的影响 旁轴复合焊时，热源白j 距和焊接方向对激光电弧复合焊的焊缝成形有较大的影响。 其它焊接工艺参数相同，激光前置比激光后置形成的焊缝熔深和熔宽大，余高小，热 源间距0 5 m m 时，激光前置和激光后置的复合焊焊缝熔深均最大。激光前置电弧力作 用在熔池前端，激光后置则指向熔池尾部，通常熔池尾部液面较高，因此激光后置时 复合焊的熔深总是低于激光前置的。 热源间距为o 时，相对于焊接方向，激光后置的激光作用点位于弧根前方，作用 在弧枉或液桥上，而激光前置的激光作用点位于弧根后方，随着热源的移动，反而使 电弧产生滞后，扩大了阳极斑点的飘移范围，电弧电阻增大，因此热源阃距为o 不利 于增大熔深。当热源间距在0 5 m m 附近，无论激光前霄还是激光后置，激光作用在电 弧弧根，激光稳弧作用最强，且激光作用点位于电弧形成熔池的最低处，因此导致最 大熔深的形成。当热源问距大于0 5 m m 时，激光作用在熔池液面较高处，且远离弧根， 对电弧的稳定作用减弱，则获得的熔深较小。热源间距大于3 m m ，激光前置时激光基本 作用在电弧形成熔池的边缘，复合焊过程实际上形成两个分离的熔池。总之，复合焊 时热源1 日j 距的选择应保证激光与电弧之间能产生有效的相互作用“。 1 3 5 复合焊工艺研究现状及在工业中的应用 同本四国工业技术研究所在对激光m i g 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。近年来， 哈尔滨工业大学对激光复合m i g 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y a g 激光与脉冲m i g 复合实验发现，焊缝熔深与激光焊相比增加4 倍，与脉冲m i g 焊接相比增加l 倍，焊 速显著提高。 德国jw e n d e l f o r f 等人对激光t i g 弧迸行了研究，激光束采用0 1 i k w 的低功 率激光电源，激光集中于工件表面的电弧根部，实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c 0 2 激光 功率为0 8 k w ，t i g 电弧的电流为9 0 a ，焊接速度2 m m i n 时，可相当5 k w 的c 晚激光焊 机的焊接能力：当5 k w 的c o , 激光束与3 0 0 a 的t i g 电弧复合，焊接速度0 5 - - 5 m m i n 时，获得的熔深是单独使用5 k w 激光束焊接时的1 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，与激光单弧复合焊相比，焊接速度可增加约 i 3 ，线能量减小2 5 。 美国海军某部门针对厚钢板的复合热源焊接进行了系统的研究，在船扳的加强筋 焊接过程中对激光一m i g 复合焊接与m i g 焊、激光填丝焊进行了比较研究，研究内容 包括焊接效率、材料特性、焊逢变形等多方面性能，以期将来这一技术应用于美国海 军典型船结构材料的焊接中。结果发现在该结构的焊接总长度中5 0 应用复合热源焊 接，其变形量仅为填丝焊的1 1 0 ，单道焊熔深可达r 1 5 m m ，双道焊熔深可达0 0 唧，焊 接6 m m 的t 型接头时，焊接速度可答3 m m i n 。 我国天津大学焊接工作者们研究认为：1 ) 电孤具有强化激光的作用：电弧与激光 束共同作用在母材金属上，可以稀释激光束在焊接区产生的高温高密度的激光等离子 体，从而降低等离子体对激光能量的吸收、反射、散射等作用。同时，电弧对母材具 有预热作用，预热后的母材可以增强对激光的吸收率。这就可以使有更多能量的激光 到达母材，从而增大熔深。2 ) 激光对电弧的控制作用：在激光作用下，激光聚焦点处 产生金属蒸汽，为电弧形成阴极斑点提供了条件。因此电弧被激光吸引，在高速焊接 条件下可以得到稳定的电弧。 我国啥尔滨工业大学的陈彦宾等人多年来致力于激光与t i g 复合焊接的机理研 究。他们于1 9 9 7 年在建立了同轴激光电弧复合热源的基础上，利用单波长激光双镜干 涉测量系统对不同电流的t i g 电弧等离子体与不同功率激光束匹配条件下复合温度场 进行了测量。发现在同轴复合焊时，小电流与激光束相互作用下，电弧弧柱被压缩， 弧柱湿度显著提高而当电流超过i o o a 时，电弧被加热膨胀。随后他们又采用激光烧蚀 有机玻璃的方法定量测量c o 。激光穿过电弧时，电弧对激光的吸收与散焦特性，通过有 机玻璃的烧蚀深度和烧蚀宽度反映激光能量的损耗。结果表明，随焊接电流的增大， 电弧对激光能量的吸收逐渐增大，当电流增大到一定程度时，电弧对激光的吸收基本 保持稳定。激光功率较高时，在电弧不同区域，对激光能量的吸收基本相同，而激光 功率较低时，在电弧近阴极区对激光吸收较弱，电弧近阳极区对激光的吸收较强。并 且随着焊接电流的增大，电弧对激光的散焦作用增大，光束发散，当激光从电弧中心 区穿过时，电弧对激光的散焦最大。激光功率越大，电弧的散焦作用也越强。 近几年来同本、美国、德国等几个发达国家都致力于将