激光电弧复合焊接技术.docx

激 光 电 弧 复 合 焊 接 技 术La ser2Arc Hybrid Wel ding Technology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 1 mm ,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 。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A laser2arc hybrid welding tech2ABSTRACTnolo gy is int ro duced. It s p rinciple ,equip ment ,advantagesand applicatio n p ro spect are described.Key words : La ser2arc hybrid wel dingAppl icat ion prospectEquipment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。原理由于激光的能量密度很高 ( 可高达 107 W/ cm2 ) , 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 20 mm 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 . 10 mm) ,熔池的搭桥能力 ( Gap Bridging Abili2 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 CO2 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321图 1激光电弧复合焊接原理示意图Fig. 1Principle of laser2arc hybrid welding 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 。采用激光电弧复合热源焊接技术后 ,焊接速度有 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2002 年第 11 期科技成果学术论文( HA Z) 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 a 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Fig. 2Hardness t raverse at a right2angle to t he co mbined laser beam图 4采用不同工艺焊接的铝镁合金接头Fig. 4A1Mg3 joint s by using different welding p rocesses2 . 2激光与等离子弧焊接( La ser2PAW)激光与等离子弧焊接的复合可通 过 两 种 渠 道 实 现 ,见图 5 。2激光电弧复合焊接设备2 . 1激光与钨极氩弧焊( La ser2TIG)N d : YA G , CO2 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 IL T 公司开发的 L aser2T I G 复 合焊头 。图 5激光 - 等离子复合焊头Fig. 5L aser2plasma hybrid welding to rch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 : ( 1) 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图 3激光 - 钨极氩弧复合焊头Fig. 3L aser2T I G welding to rch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 N d : YA G L aser ,L aser2T I G (直 流 正 接 ) , T I G ( 交 流 ) 焊 接 2 mm 厚 铝 镁 合 金 (AlMg3 ) 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 。航空制造技术科技成果学术论文冷却速率 ,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( La ser2GMA)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 。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 。参考文献1 Pekkari B. 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