（材料加工工程专业论文）铝锂合金激光电弧复合及双光点激光焊接技术研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 铝锂合金是近代铝合金的一个重大发现，用铝锂合金取代常规的铝合金可 使构件质量减轻1 0 1 5 ，刚度提高1 5 2 0 ，因此它是一种理想的航空航天 结构材料。激光焊接具有能量密度高、热输入量小，焊接变形小等优势，被认为 是有前景的铝合金焊接方法。然而，铝合金激光焊接仍存在许多问题，在焊接过 程中容易出现焊缝成型差、咬边、焊缝表面粗糙以及气孔等缺陷。针对铝合金激 光焊接时存在的这些问题，本文系统地开展了5 a 9 0 铝锂合金双光点激光焊接以 及激光电弧复合焊接技术研究，丰富了我国激光复合焊接技术以及双光点激光 焊接技术的研究内容，为实际应用提供了理论依据。 在双光点激光焊接过程中，通过合理的选择激光功率、光点间距及能量比 可以提高焊接过程的稳定性，有效改善焊缝的成形质量，改变光点的排列角度 可以适当增大焊缝的熔宽。在激光电弧复合焊接过程中焊缝的熔深主要取决于 激光功率，电弧主要对焊缝的正面宽度起作用。焊接速度越快，电弧对焊缝熔 深的作用越小，当速度超过3 m m i n 时电弧对焊缝熔深基本无影响。光丝间距为 1 0 r a m 时激光与电弧之间无法产生“协同作用 。激光电弧复合焊接可以有效的 改善焊接过程中的间隙适应性，其最大间隙可以达到l m m 以上，是单激光焊接 的6 倍。 铝锂合金的主要焊接缺陷为成形缺陷与气孔。研究表明采用激光电弧复合 焊以及双光点激光焊接都可以有效的改善焊缝的成形质量，其中激光电弧复合 焊接的焊缝成形要优于双光点激光焊接与单激光焊接。焊缝中的气孔主要包括 冶金性气孔与工艺性气孔两类。研究表明，双光点激光焊接可以有效防止工艺 性大气孔，激光电弧复合焊接焊缝中气孔主要为冶金性气孔。采用合理的焊前 表面处理以及保持熔透的稳定性是得到高质量无气孔焊缝的关键。 在母材半熔化区与焊缝柱状晶之间存在一条铝锂合金特有的等轴细晶带， 该细晶带的形成与熔池中z r 舢3 与m 1 3 等弥散质点有关。铝锂合金焊接接头存 在比较严重的软化现象，出现软化的原因是熔池中金属在结晶过程中强化相偏 析于枝晶间，使得固溶体中强化相含量减少导致时效不足。 关键词：铝锂合金激光焊接双光点激光焊接激光电弧复合焊接气孔 武汉理工大学硕士学位论文 a bs t r a c t a l u m i n u m l i t h i u ma l l o yi sa ni m p o r t a n t d i s c o v e r yo fa l u m i n u ma l l o y , p r e f e r i n ga l - l ia l l o yt on o r m a la l u m i n u ma l l o yc a nd e c r e a s e10 - - 15 s t r u c t u r e s w e i g h t a n di n c r e a s e10 - 一2 0 s t i f f n e s s ，s oi ti sai d e a lm a t e r i a lf o ra e r o s p a c e l a s e r b e a mw e l d i n gi sc o n s i d e r e da st h em o s ts u i t a b l ew e l d i n gm e t h o df o ra l u m i n u ma l l o y b e c a u s eo fi t sh i g he n e r g yd e n s i t y , l o wh e a ti n p u ta n dl i t t l ed e f o r m a t i o na n ds oo i l h o w e v e r , t h e r ea r ea l s os o m ed i s a d v a n t a g e so fl a s e rb e a mw e l d i n gd u r i n gw e l d i n g a l u m i n u ma l l o y s ，s u c ha st h ew o r s ew e l ds h a p e d ，u n d e m ta n dp o r o c i t y a c c o r d i n gt o t h e s ep r o b l e m s ，t h i sp a p e rc a r r i e do nt h el a s e r - a r ch y b r i dw e l d i n ga n dd u a l s p o tl a s e r b e a mw e l d i n go n5 a 9 0a l u m i n u m l i t h i u ma l l o y a n dt h e s er e s e a r c h e sw i l le n r i c h t h er e s e a r c hc o n t e n t so fl a s e r - a r ch y b r i dw e l d i n ga n dd u a l s p o tl a s e rb e a mw e l d i n g ， a n dp r o v i d ee v i d e n c ef o ra p p l i c a t i o n r e a s o n a b l ea d j u s t i n gt h el a s e rp o w e r , s p o td i s t e n c ea n dp o w e rr a t i oc o u l d e n h a n c et h es t a b i l i t ya n di m p r o v et h ew e l ds h a p ed u r i n gd u a l s p o tl a s e rb e a m w e l d i n g t h ew e l dw i d t hi n c r e a s e db ya l t e r i n gt h ea r r a n g e m e n to ft h es p o t s t h ew e l d p e n e 仃m i o nd e p e m e d o nl a s e rp o w e ra n dt h ew e l dw i d t hw a sd e t e r m i n e db ya r c m o r e f a s t e rt h ew e l d i n gs p e e dw a s ，m o r el e s sc o n t r i b u t i o nt ot h ew e l dp e n e t r a t i o nb ya r o w h e n 币v e l d i n gs p e e di n c r e a s e dt oa b o v e3 m m i n ，t h ea r ch a dn oe f f e c t i o nt ot h e w e l d i n gp e n e t r a t i o n t h e “s y n e r g i s t i ce f f e c t b e t w e e nt h e l a s e ra n da r cw o u l d d i s a p p e a rw h e nt h ed i s t e n c eb e t w e e nl a s e ra n df i l l e rw i r ei n c r e a s et o10 m m t h eg a p a d a p t a b i l i t yw a se x t r e m l yi m p r o v e dd u r i n gl a s e r - a r ch y b r i dw e l d i n g ，a n d t h em a x i m a l g a p c o u l dr e a c ht olm m t h i sw a s6t i m e sw i d e rt h a ns i n g l el a s e rb e a mw e l d i n g t h ew e l d s h a p e d e f e c ta n d p o r o c i t y w a st h em a i nw e l dd e f e c t so f a l u m i n u m l i t h i u ma l l o y t h er e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h ew e l ds h a p eq u a l i t yw a s i m p r o v e ds i g n i f i a n t l yu s i n gl a s e r - a r ch y b r i dw e l d i n ga n dd u a l - s p o tl a s e rb e a m w e l d i n g t h e i ra r et w ot y p e sp o r o c i t y i nt h ew e l d ：m e t a l l u r g i c a lp o r o c i t ya n d p r o c e s s i n gp o r o c i t y t h er e s e a r c hs h o w e dt h a tu s i n gd u a l - s p o tl a s e rb e a mw e l d i n g c o u l dr e c r e a t et h el a r g ep r o c e s s i n gp o r o c i t i e s ，a n dt h em e t a l l u r g i c a lp o r o c i t yw a st h e 武汉理工大学硕士学位论文 m a i nt y p e si nt h ew e l dw e l d e db yl a s e r - a r ch y b r i dw e l d i n g u s i n gt h es u i t a b l es u r f a c e c l e a r i n gp r o c e s sa n dk e e p i n gt h es t a b i l i t yo ff u l lp e n e t r a t i o ni st h ee f f e c t i v ew a y t o a b t a i nh i 曲q u a l i t yw e l d af r e ee q u i a x e dg r a i nz o n e ( f e q z ) w a sf o u n da tt h eb o u n d a r yo ft h ef u s i o nz o n e t h ef e q zg r a i n sa r ek n o w nt of o r mt h r o u g hah e t e r o g e n e o u sn u c l e a t i o nm e c h a n i s m m d e db y 舢3 z rp h a s e s t h ei n t e n e r a t i o no ft h ew e l dw a sas e r i o l 】sp r o b l e mo ft h e a l u m i n u m - l i t h i u ma l l o y t h er e a s o no ft h eh a r d n e s sd e c l i n i n gw a st h a tt h es o l u t e e l e m e n te n r i c h i n go nt h eg r a i nb o u n d r yw h i c hl e a d e dt o t h ea g i n gi n s u 伍c i e n t k e y w o r d s ：a l u m i n u m - l i t h i u ma l l o y ；l a s e rb e a mw e l d i n g ；d u a l s p o tl a s e rb e a m w e l d i n g ；l a s e r - a r ch y b 矾w e l d i n g ；p r o r o c i t y i i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究性工作及 取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武 汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所作的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表 示了谢意。 研究生签名：溯 关 于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 铝锂合金的发展及应用 铝锂合金是近代铝合金的一个重大发现，其主要特点有： ( 1 ) 密度小，比 强度和比刚度高。铝的密度为2 7 9 e m 3 ，锂的密度为0 5 3 咖m 3 ，仅为铝的五分之 一，在铝合金中加入锂，将使铝合金的密度降低同时铝锂合金在淬火和时效时 析出大量的6 。相( 础3 l i ) ，使合金的强度提高，比强度高于传统的铝合金；( 2 ) 弹性模量高，为7 8 8 2 g p a ，在铝中每添加质量分数为1 的锂就能降低合金密 度3 ，同时提高弹性模量6 ；( 3 ) 具有优越的抗疲劳裂纹扩展性能( 高周疲 劳寿命) ： ( 4 ) 具有良好的耐腐蚀性能。( 5 ) 具有优良的低温性能。用铝锂合 金取代常规的铝合金可使构件质量减轻1 0 1 5 ，刚度提高1 5 - 2 0 ，因此它 是一种理想的航空航天结构材料【l j 。 铝锂合金的研制至今已经7 0 多年的历史，按时间顺序和性能特点可将其划 分为三代。第一代铝锂合金以1 9 5 7 年美国a l c o a 公司研究成功的2 0 2 0 合金和苏 联开发的b a i l 2 3 为代表，但其塑韧性水平低，缺口敏感性高，于1 9 6 9 年停止 生产，铝锂合金的研究也进入一个相对停滞的时期。2 0 世纪7 0 年代的石油危机， 迫使航空航天部门设法降低航空航天器的结构重量，提高其强韧性，铝锂合金 的研究再次得到了西方世界的重视，并于8 0 年代达到高潮。从1 9 8 0 年到1 9 9 0 年8 月，共举办了6 届国际铝锂合金专题会议，铝锂合金的研究也因此得到了 空前的发展。这个时期具有代表性的合金有：苏联的1 4 2 0 ，非焊接结构用的中 强度的1 4 3 0 、1 4 4 0 和高强度的1 4 5 0 ，美国的高强度、可焊的2 0 9 0 ，英国的8 0 9 0 和8 0 9 1 ，法国的2 0 9 1 等第二代铝锂合金，这些合金具有密度低、弹性模量高等 特点，在航空航天领域得到了一定规模的应用。进入2 0 世纪9 0 年代以后，人 们针对第二代铝锂合金本身存在的各向异性、不可焊、塑韧性及强度水平较低 等问题，开发出了一些具有特殊优势的第三代新型铝锂合金。如高强可焊的1 4 6 0 和w e l d a l i t e 系列合金，低各向异性的a f c 4 8 9 和a f c 4 5 8 台金，高韧的2 0 9 7 和2 1 9 7 合金，高抗疲劳裂纹的c 1 5 5 合金，及经特殊真空的x t 系列合金，超 武汉理工大学硕士学位论文 轻的8 0 2 4 a 1 l iz r 合金( 1 9 9 9 年注册) 等。第三代铝锂合金的研究主要向对高 强可焊合金和低各向异性合金等方向发展。 前苏联是最早进行铝锂合金研究、生产和应用的国家之一。在6 0 年代研制的 中强、可焊的1 4 2 0 合金是目前为止研究、使用最成熟的一种铝锂合金，该合金 7 0 年代用于铆接的直升飞机和军舰上，8 0 年代以焊接代替铆接结构用于米格- 2 9 超音速战斗机机身、油箱、座舱，共减轻重量2 4 。高强度1 4 5 0 合金板材，其a b 达5 8 0 m p a ，6 0 2 达4 9 0 m p a ，延伸率达到9 该合金作为非焊接结构用于现代运输 机挤压结构件的机身翼外板、肋、门和骨架等部位，与被取代的1 9 7 3 合金相比， 减重1 2 1 5 。8 0 年代用1 4 6 0 合金取代1 2 0 1 合金( 相当于2 2 1 9 ) 用于制造俄国 大型运载火箭“能源号 低温贮箱，并且该合金制作的液氧贮箱于1 9 9 6 年用于美 国d c x a 运载器，减重2 0 。迄今为止，在俄国，铝锂合金己经应用于火箭、航 天飞机、军用飞机米格2 7 ，3 3 2 9 ，苏2 7 、安7 0 t 和民用飞机上。 美国在世界上开创了应用铝锂合金的先例，早在上世纪5 0 年代就将2 0 2 0 合 金用在海军r a - 5 c 预警飞机主翼上、下表面和垂直尾翼上，使飞机重量减轻6 。 美国在经过8 0 年代的铝锂合金研究的高潮后，对铝锂合金的应用也进入实际阶 段。通用动力公司用2 0 9 0 一t 3 合金制成的3 0 根翼梁、3 块搭接蒙皮和三个中间框 架作宇宙神有效载荷舱的零件和装配件，和原来所用的2 0 2 4 - t 3 合金相比，减重 8 。麦道公司用2 0 9 0 t 8 1 代替2 0 1 4 t 6 合金制造了d e l t a 运载火箭低温贮箱试验 件，焊后结构重量减轻5 - - , 1 5 。c 1 7 军用运输飞机上使用了重2 8 4 6 k g 的 2 0 9 0 t 8 3 薄板、t 8 6 挤压件，用在飞机的隔框、地板、襟翼蒙皮、垂直尾翼上。 洛克西德。马丁公司利用8 0 9 0 合金铆接制造了a r i a s 有效载荷舱，使结构减重 1 8 2 k g 。引人注目的是超高强的2 1 9 5 合金从定型生产到将9 0 吨重的该合金用于航 天飞机的液氢、液氧贮箱仅4 年时间，而且美国还决定单级入轨重复使用的跨世 纪运载火箭x - 3 3 的液氧箱也使用此合金。1 9 9 7 年1 2 月美国“奋进号 航天飞机 外贮箱用2 1 9 5 合金取代2 2 1 9 合金，使航天飞机的运载能力提高了3 4 t 。2 1 9 7 合金比当前战斗机用的2 1 2 4 铝合金的疲劳强度高、密度小，已用于f 1 6 战斗机 的后隔框和大梁。 欧洲各国的铝锂合金研究及应用主要以与其他国家合作的方式进行，未形成 自己独特的体系。其中，比较成功的应用是，英国和意大利采用8 0 9 0 板材、模锻 件和a i 9 0 5 x l 模锻件制造了e h l 0 1 对潜直升飞机，使飞机减重2 0 0 k g 。 a 3 3 0 a 3 4 0 民用飞机上使用了5 0 0 k g 的2 0 9 0 t 8 4 合金。 2 武汉理工大学硕士学位论文 日本也开展了一些铝锂合金生产和应用的研究工作，建成4 t 级的舢“合金 真空熔铸机组。日本在2 0 0 0 年用h 队火箭发射的宇宙往返试验机h o p e - x 的机 体也采用了舢l i 合金。此外，西方国家在1 9 9 8 2 0 0 2 年建设的国际空间站的日本 研究舱( 厄m ) 也采用大量的合金。 我国的铝锂合金的研究起步于上世纪6 0 年代初，但是由于经费投入有限，技 术力量薄弱，基础条件差，研究虽然取得了一定的成绩，但水平相对较低。一直 到“八五”以后，由于国家投资强度加大，研究工作掀起了高潮，国内有多所高 校和研究院所开展了对铝锂合金的研究，并成功开发试制了1 4 2 0 和2 0 9 0 铝锂合 金，为我国铝锂合金的基础研究工作大大前进了一步。“九五”期间，国家进一步 加大投资力度，从俄罗斯引进6 t 级铝锂合金工业熔炉生产线，并针对 w e l d a l i t e t m 0 4 9 系列中的2 1 9 5 合金，成功试制出了2 1 9 5 合金的扁锭，并且初步 解决了2 1 9 5 合金在工业化生产条件下的一系列其他关键工艺技术，包括均匀化退 火工艺、热轧和冷轧及中间退火工艺、大规格薄壁管材挤压工艺以及半成品热处 理强化工艺。这表明我国已经具备了2 1 9 5 铝锂合金的大规模研制与开发能力，对 满足我国航空航天工业对先进结构材料的需求有着重大意义。经过三个五年计划 的发展，我国铝锂合金研究开发基地已基本建立，其规模和水平已经达到了美、 俄等国8 0 年代末的水平。进入“十五 之后，我国对铝锂合金的研究开始与实际 应用相结合，国产铝锂合金已经在航空航天工业中试用，其中1 4 2 0 合金深冲模锻 件已用于我国的运载火箭，在我国的新型火箭和飞机上也开始扩大铝锂合金的应 用比例【2 】【4 】。 目前国外已有2 0 多种铝锂合金的生产达到了工业化水平：美、欧等国已能生 产6 - 1 0 t 重的铸锭，而俄罗斯已具备生产2 5 t 重铸锭的能力。美、俄、欧等国铝锂 合金轧制、挤压、锻造的生产技术已达到常规铝合金的水平。而我国铝锂合金的 发展与美、俄的差距有2 0 多年，铝锂合金的应用研究才刚刚起步，随着铝锂合金 性能的不断提升以及应用领域的不断扩大，铝锂合金的开发及应用研究迫在眉睫。 1 2 铝合金激光焊接的优点及存在的问题 激光焊接是7 0 年代发展起来的焊接新技术，它以高能量密度的激光作为热 源，对金属进行熔化形成焊接接头。与其他传统焊接工艺相比，激光焊接具有 以下的优剧5 h 6 l ： 3 武汉理工大学硕士学位论文 1 ) 激光束聚焦后可达很高的功率密度，焊缝的深宽比大，焊接过程中输入 的线能量小，热影响区小，变形小。 2 ) 大功率激光焊可达到很高的焊接速度，尤其是薄板激光焊接。如英国焊 接研究采用1 8 k w 的c 0 2 激光器焊接不锈钢薄板的焊接速度达到了1 5 m r a i n 。 3 ) 激光束柔性好，通过镜片或光纤传输，能量可以精确控制，易于实现自 动化控制，适用于复杂结构件的焊接，为结构设计提供了全新的思想。 4 ) 同电子束焊接相比，激光焊接可以在大气中进行，不需要真空环境，对于 大型结构件的焊接，免去了真空室体积的限制。 因此，激光焊接技术一直是人们研究的重点，特别是9 0 年代以来，随着大 功率、高性能激光焊机的不断出现，激光焊接技术也得到了很大的发展，成为 最有前景的焊接方法。然而由于铝合金对激光的高反射率以及自身的高热导性， 激光焊接铝合金一直是存在很多的问题 7 1 - 【8 】： ( 1 ) 铝合金对激光能的吸收很低，铝合金对激光束具有极高的表面初始反 射率( x tc 0 2 激光超过9 0 ，对y a g 激光接近8 0 ) ，这也是激光焊接铝合金难的主 要原因。 ( 2 ) - 激光焊接焊缝冷却快，熔池存在时间很短，深宽比大，气体不易上浮 析出，易产生气孔； ( 3 ) 铝元素的电离能低，焊接过程中光致等离子体易于过热和扩展，焊接稳 定性差； ( 4 ) 铝合金属于典型的共晶合金，在激光焊接快速凝固条件下更容易产生热 裂纹； ( 5 ) 激光焊接可以烧损铝合金中的m g 、z n 等低熔点合金元素，破坏合金 强化作用，严重降低焊缝强度； ( 6 ) 液态铝合金流动性良好，表面张力低，焊接过程的不稳定造成焊接溶池 剧烈震荡，容易出现咬边、焊缝成形不连续，严重时造成小孔突然闭合而在焊缝 中产生直径较大的工艺孔洞( p r o c e s sh o l e s ) 、或小孔在闭合前由向外喷发的等离 子体将液态金属吹出溶池而形成所谓的b l o w h o l e s ，等等。 ( 7 ) 激光焊接间隙适应性小，对焊件的装配精度要求很高。 铝锂合金属于沉淀强化铝合金，其焊接时的主要问题与常规铝合金焊接时的 问题类似，主要包括气孔、热裂纹和接头软化等【l j 。 4 武汉理工大学硕士学位论文 ( 1 ) 焊缝气孔 铝锂合金焊缝中的气孔要比常规的铝合金更为严重。这主要是由于锂的活性 以及合金表面在高温加工时形成的表面层。表面层中的l i 2 0 、l i o h 、l i 2 c 0 3 和 l i 3 n 等化合物是造成气孔增加的原因。这些化合物在合金表面极易吸附周围环境 中的水分，焊接时导致氢进入熔池。气孔问题在激光焊接铝锂合金时显得尤为突 出，是激光焊接铝锂合金最重要的一个问题。为了减少和去除焊缝中的气孔，焊 前的表面处理极为重要。 ( 2 ) 焊接热裂纹 铝锂合金焊接时的热裂纹主要为凝固裂纹，因此与金属的凝固温度区间大小 以及该区间内的延性有关。合金的成分是影响其热裂纹的主要因素，不同成分铝 锂合金的热裂纹敏感性有很大差别。从一些主要合金元素与铝形成的二元合金时 的热裂倾向看，铜的影响要比镁大得多。因此，中等强度的舢l i m g 合金的热裂 敏感性并不大，而一些高强度的越l i c u 和灿l i c u m g 合金的热裂敏感性很大， 是焊接热裂纹成为焊接这些高强铝锂合金的主要问题。解决热裂纹的主要办法是 通过填充材料改变焊缝的合金成分，细化晶粒，控制低熔点共晶体的量及其分布 形态，以及从焊接工艺出发控制焊接时的热出入等。激光焊接由于其自身热输入 小的特点，焊接铝锂合金热别是一些中强铝锂合金时很少出现热裂纹。 ( 3 ) 接头软化 这是焊接沉淀强化铝合金时普遍存在的问题，强度越高，接头软化问题越突 出。铝锂合金焊接接头软化的主要原因是由于焊缝时效不足和热影响区中的过时 效。焊缝时效不足是因为焊接快冷时，焊缝凝固后大量的溶质元素偏析在枝晶间 而导致固溶体中的过饱和度不足，因此焊后的时效过程中只可能有少量的析出硬 化。在这种情况下，只有通过焊后的固溶处理使枝晶偏析的溶质元素溶入固溶体， 快速冷却形成过饱和固溶体，再经过时效处理才能使强度恢复。采用热输入小的 焊接方法，如激光焊接，可以明显减少接头的软化，同时还可以选择合适的填充 焊丝或者焊后的固溶、时效处理解决焊接接头的软化。 针对激光焊接铝合金的种种问题，国内外的相关焊接工作者做了大量的研究， 探索出了一些新的激光焊接方法，其中最具有代表性的有激光电弧复合焊接、双 光束激光焊接以及激光填丝焊接等，这些方法的出现扩大了激光在焊接领域的应 用范围，极大地推动了激光焊接技术的发展。 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 激光电弧复合焊接的研究现状 1 3 1 激光电弧复合焊接的发展历程 激光复合焊接技术从发明到现在大体上可以分成三个阶段：激光复合焊接技 术起源于上个世纪七十年代，发明人s t e e n 第一次将将激光和t i g 种热源进行复 合，并将其用于焊接和切割，发现用激光- t i g 焊接可以大大的提高薄板的焊接速 度。他的想法很快受到了k _ d v t s u n 等人的注意，并对激光电弧复合焊接、切割以 及表面处理作了一些的研究。到8 0 年代初，出现了多种形式的激光复合方法。然 而由于在那个时候激光加工技术本身还不成熟，还没有被大规模的工业应用，激 光复合焊接也没有能够在工程上得到应用。在这个阶段的研究内容也局限于激光 电弧复合焊接一些表面的基本特性研究，没有取得大的研究成果。 到8 0 年代中期，出现了一种叫做激光辅助电弧的焊接技术。它的主要特点是 它只需要很低的激光功率密度，采用激光的功率远远小于电弧的功率。因此它是 一种以电弧为主，激光为辅的焊接方法。c u i 和d e c k e r 等人在实验中证实在电弧 中附加1 0 0 w 的低功率c 0 2 激光可以有效地增加电弧的稳定性，改善焊接质量以 及提高焊接速度。尽管如此，这种激光辅助电弧的焊接技术并没有被进一步的研 究也没有在工业上得到应用。 一直到上世纪9 0 年代初，随着大功率激光设备的出现，激光焊接技术开始广 泛应用到实际生产中，然而由于激光焊接时接头的软化，激光焊接冷却速度快容 易出现气孔和热裂纹以及对装配间隙和对位精度要求高等缺点，激光电弧复合焊 接技术的研究才受到了人们的普遍重视。在这个阶段，激光电弧复合焊接技术得 到了很大的发展，成为这一时期发展最快的焊接方法之一。在这个时期的激光电 弧复合焊以激光作为主要热源，电弧作为附加热源，与之前的激光辅助电弧的复 合方式相比发生了质的变化。它既保留了激光焊接的优点，同时通过引入电弧改 善接头的力学性能，消除气孔和裂纹等焊接缺陷以及降低激光焊接最装配间隙和 对位精度的要求，很好的实现了两种热源的优势互补。目前，激光电弧复合焊接 技术已经开始在汽车，铁路，航空航天以及造船等行业得到了一定程度的应用咿j 。 1 3 2 激光电弧复合焊接原理及复合方式 激光电弧复合焊接是将物理性质、能量传输机制截然不同的两种热源复合 6 武汉理工大学硕士学位论文 在起，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教热源的焊接方法。其原理如图 11 所示。 图1 1 激光电弧复合焊接原理图 f i g u r e1 1s c h e m a t i co f t h el a s e r - a r ch y b r i dw e l d i n g 根据热源的不同激光复合焊接可以有很多种复合形式，其具体情况如图1 2 所示。到目前为止，电弧仍是用的最多的一种附加热源，激光电弧复合焊也是 目前研究最多，相对较为成熟并己实现实际应用的一种复合焊接技术。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( 见 图1 3 ) 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，这种情况下电弧主要起预热或再加热的作用，其目的是改善焊 缝的成形以及接头的组织性能等：另一种为激光与电弧的间距较小，二者作用 于同一熔池，这种情况下激光和电弧之间产生“协同效应”，即我们通常所说的 激光电弧复合焊接。同轴复合可以消除热源的不对称，焊接无方向性，但是其 焊设计较复杂；旁轴复合虽然会导致热源的不对称，但是焊炬设计较简单，安 装方式更加灵活，调节范围大，因此目前的复台方式大多以旁轴复合为主。下 面介绍三种常用的激光电弧复合形式1 1 0 - 1 3 ： ( 1 ) 激光一t i g 复合焊接 激光与t i g 电弧进行复合是最早的种复合焊形式，n d ：y a g ，c 0 2 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 武汉理工大学硕士学位论文 增加，明显的提高焊接速度，改善了单- - 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t i g 复合热源的焊接速度可以达到激 厂 ； 己 半l 誉掣l 峥焊接热源雌熟赫。i 筐蓠蓠 丝笪虻i i 1 l 夕i 夕 二= 三：= 缸笪= 圈叩 吧量 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。 武汉理工大学硕士学位论文 ( 2 ) 激光一等离子弧复合焊接 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【1 4 1 。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。 ( 3 ) 激光一m i g m a g 复合焊接 研究结果表明，这种复合焊接技术利用了填丝的优点，与激光一t i g 相比， 其焊接板厚更大、焊接适应性更高：弧焊工艺的加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和装夹精度要求；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接时的焊缝微 观组织，提高了焊缝的综合力学性能【1 5 。聊。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 焊接时的飞溅量，同时也减少了焊后处理的工作量 2 0 l 。激光 一m i 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【2 1 1 ，只是其复合焊枪的设计会复杂得多，同时当焊丝与激光同轴时会 导致激光能量过多的消耗在焊丝上从而使熔深下降。 1 3 3 激光电弧复合焊接机理分析 激光与电弧之间的相互作用是一个十分复杂的过程，它包括激光与材料的 相互作用，电弧与材料的相互作用，激光对电弧的影响，电弧与光致等离子体 之间的相互作用，电弧对激光的影响等一系列因素，这些因素并不是独立的， 而是互相影响，相互联系的。因此，目前还没有能够充分解释激光电弧复合焊 接过程机理的理论，不过通过国内外广大学者的大量研究，已经掌握了一些机 理特性： ( 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 9 武汉理工大学硕士学位论文 了对激光的吸收能力，降低了对激光的反射作用。尤其是对舢和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 1 、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 等人【2 2 - 2 3 采用1 0 k w 的c 0 2 激光器与t i g 和m i g 电弧复合对 a 1 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的反 射率大大降低，焊接熔深比单一激光焊提高了15 2 0 ，同时焊缝表面成形比 单激光焊接时要好。 ( 2 ) 电弧增加了激光焊接的搭桥能力 通常的激光焊接如果焊缝间隙大于0 1 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里的金属，大大降低了从焊 接间隙漏过的激光，使焊接桥接性能增强。搭桥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，减少了焊口 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1 0 一, 1 5 m m 厚，间隙约l 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。若采用的激光焊，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 2 4 】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a 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间等离子体 浓度不够不能维持电弧稳定燃烧。单一的电弧焊电弧弧柱面积很大，能量非常 分散，所以功率密度很低，通常只有1 0 2 1 0 4 w c m 2 ，不能获得深的熔深。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，同时它 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。 s t e e n 2 5 】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。 v v a v l o v t 2 6 】首先采用了阳极间隙法对激光- t i g 旁轴复合热源电流密度进行了 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 测试，已证实在激光增强效应下，电弧电流密度会大大增加。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 总能量的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。 ( 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，在焊件中小孔效应，小孔中的金属蒸气电离形 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 津大学的路登平 2 7 1 等人用s t a r k 扩展线宽法测定了单独电弧、单独激光和激光电 弧复合三种情况的电子密度。证实激光电弧复合后电子密度下降，即激光等离 子被稀释，但稀释作用仅限于小电流电弧。 ( 5 ) 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。y 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 0 2 激光被电弧的吸收就比较强烈， 所以大电流复合时选择y a g 激光与电弧复合效果较好【2 8 】。哈工大陈彦宾等人 【2 9 】用激光烧蚀有机玻璃的方法测量c 0 2 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来反映激光能量的损耗，获得不 同焊接电流与电弧位置对激光能量的影响。 1 3 4 激光电弧复合焊接的应用 近几年来各个国家的研究人员相继对复合焊特点及现象进行了广泛的研 究，日本、美国、德国等几个发达国家致力于将复合焊应用于不同材料的焊接 中，比如低碳钢、高碳钢、不锈钢、铝及铝合金、以及n i 基合金【3 6 j 。但是其 在上业上的推广速度仍较缓慢，主要是因为整套设备成本的大投入和工艺的复 杂性，复合焊工艺参数的设定需要高度的技巧和精度，再加上该项技术尚缺系 统性研究，于是成了上业应用快速推广的限制性因素。激光电弧复合焊适用的 行业范围包括如下一些： 武汉理工大学硕士学位论文 ( 1 ) 汽车行业 在汽车业领域，大众汽车公司( v o l k s w a g e n ) 是激光电弧复合焊接技术所带来 效益的最大受益者【3 7 。3 8 】。一般，不同的车种由于采用不同的结构材料和接头装 配，采用的焊接方法也就不同。大多数情况下，m i g 焊、激光焊和激光电弧复合 焊混合使用，这个取决于焊缝的装配条件和要求。m i g 焊常用于大间隙桥接和简 单的坡口准备条件下：激光焊要求高速、深熔、小变形以及精确的装配条件下： 复合焊用在高速焊接焊前装配要求较低的焊缝。在汽车的应用当中，激光的功 率一般采用的是2 - 4 如，焊接速度都在4 m m i r t 左右。 ( 2 ) 造船行业 造船业是复合焊接技术应用最为广泛的行业【3 9 4 0 】。该项技术在欧洲和亚洲 造船厂普及较快，而在美国相对较慢。船体结构板料一般较厚，利用复合与常 规的电弧及埋弧多道焊相比节约了大量时间，在造船的复合焊中，采用的是大 功率的激光器，y a g 激光高达6 k w ，缩短了生产周期。c 0 2 激光则高达3 0 k w 。德 国的m e y e r 、芬兰的舢鼬屺r 以及意大利的f i n c a n t i e r 是应用复合焊接技 术的几家典型船舶制造之一。 ( 3 ) 管道及海上作业 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 反复的起弧收弧阶段易产生缺陷。激光电弧复合焊则充分利用电弧焊的搭桥能 力和激光焊的深熔性，能一次焊接成型，减少焊接缺陷，提高焊接效率。 2 0 0 0 年，美国的e w i 签订了名为“y a g 管道”的运输管道连接项目，其目的 在于减少焊接管道成本和提高焊接管道的上作效率。同年，德国的夫琅和费研 究所研制了一套激光- m i g 电弧复合热源焊接储油罐的焊接系统，采用1 5 m r a i n 的焊接速度，焊接壁厚5 8 m m ，管径1 6 m 的小油箱，用时不到三分半，油箱焊接 所采用激光功率为5 7 k w ，焊接电压2 9 v ，电流2 4 0 a 。焊缝焊后通过x 射线摄影 检测，焊缝无气孔，无裂纹，焊缝质量通过德国t u v 鉴定。目前，美国宾夕法 尼亚州应用研究实验室( a r e ) 和钢铁造船公n ( n a s s c o ) 也正在联合设计组建类 似的管道复合焊系统，该项目将历时两年，至u 2 0 0 6 年底正式交付于上业应用1 4 。 ( 4 ) 航空航天行业 空中客车之所以能在航空制造业中占有领头地位是因为它突出的创新能 力。该公司在飞机生产制造过程中，不断地致力于创新、适用性以及经济性三 者平衡点之间寻求新技术，如空中客车的机身多年使用的是激光焊接，而最近 武汉理工大学硕士学位论文 准备开始采用激光电弧复合焊接技术。这也充分证明高质量的激光电弧复合焊 接技术同样有很好的经济适用性。 激光电弧复合热源充分发挥了激光和电弧的优势，有效地提高了焊接效率； 达到相同焊接要求，激光所需功率大大降低，减少了设备投入和焊接成本消耗； 特别是在焊接铝合金等难焊金属时，大大降低了激光的功率阈值，减少或消除 焊接缺陷