激光-电弧复合焊接始于20世纪70年代末,由英国伦敦帝国大学学者W.M.Steen<1> 首先提出,但直到最近几年,由于工业生产的需要,才逐步成为国际焊接界的关注焦点,并得到了 广泛重视。目前,作为一种新兴焊接技术,在德国、日本等发达国家已先后进入了工业化应用阶段 。1基本原理及提出背景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、线 能量小、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,和其他焊接热源一样,激 光也有其缺点: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 -电弧复合热源既综合了上述两种焊接热源的优点,又相互弥补了各自的不足,还产生了额外的能 量协同效应<2>。激光-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<3>。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<1,3>。单独激光热源的作用区域小,复合焊中电弧的参与,扩大了热 作用范围,熔化金属增多,桥接能力增强,降低了对焊件接口的装配要求。同时电弧大的热作用范 围、热影响区扩大,温度梯度减小,冷却速度降低,熔池凝固过程变得缓慢,焊接铝合金等金属时 可减少或消除气孔和裂纹的生成。电弧焊接容易使用焊丝填充焊缝,采用激光-电弧复合焊接的方 法进一步扩大拼缝间隙的宽容度、减少或消除焊接后接口部位的凹陷,改善焊缝形貌;此外,通过 选择不同的焊丝,还可调整焊缝的化学成分,改善力学性能。2设备研究概况多年的复合热源焊接 基础研究,证明了激光-电弧复合焊接热源的优势和工业应用的可行性,国内外多家研究机构和企 业同时开展了专用设备的研制。哈工大的陈彦斌研制了一种利用空心钨极尖端产生电弧,激光从空 心钨极中间穿过环状电弧到达工件表面的CO2激光-TIG同轴复合焊炬<4>;兰州理工大学的樊丁与日本大阪大学的中田一博等人联合设计YAG激光-脉冲MIG电弧复合焊炬<5>;清华大学的张旭东、陈武柱申请了激光-电弧同轴复合焊炬的专利<6> 。但国内还没有出现商业化的激光-电弧复合焊接设备。国外从事这方面的研究机构较多,如德国的Fruanhofer激光技术研究院(ILT)、英国的TWI、乌克兰的Paton、日本的三菱重工等。在日本及欧美一些发达国家,由于工业上的需求,各式的实用复合焊炬已应运而生,比较著名的激光-电弧复合焊专用设备的生产厂家有H IGH Y AG和Fronius。其典型复合焊炬产品如图2所示。该类复合焊炬主要特点是将激光输出与电 弧调节部分整合成了一体,结构相对灵活小巧,便于调节。此外,焊炬还能方便地与机器人手臂连接,调节激光聚焦位置、热源偏移距离等参数,控制焊接方位,实现焊接过程的自动化。激光-MIG复合焊过程中易产生飞溅,这对激光输出镜片会有很大的损伤,使得镜片寿命大大减短,所以焊炬的激光输出镜片下方都会专门设计横向气帘,用来吹除向上飞溅的颗粒,保护镜片,H IG H Y A G焊炬的激光输出口末端甚至专门设计了烟尘抽气装置,使得镜片保护效果更加明显。有些焊炬还添加了其他功能,图2所示的H IG H Y A G这款焊炬,激光输出可由单光束调节成双光束,从而还可用于双光束激光复合焊。3在造船业中的应用一般船体结构中,钢结构占主体,传统的焊接方法为手工电弧焊和M IG/M AG焊(见表1),但效率较低。激光-电弧复合焊接是一种实效的连接方法,它在美国海军连接中心(NJC)和爱迪生焊接研究所(EW I)的“船体结构复合热源焊接”合作项目中得到证实<7>。N JC/EW I针对船体结构件的复合热源焊接技术进行了系统的研究,在船体的结构件焊接过程中对激光-M IG复合热源焊接与常规焊、激光焊进行比较研究,研究内容包括了焊接效率、材料特性、接头形式 、焊缝变形等多方面。焊缝接头通过弯曲、拉伸、却贝等试验,证明激光电弧复合焊技术完全满足美图1激光-电弧复合焊接原理图图2工业用复合焊炬产品国家焊接方法焊条电弧焊MIG/M A G药芯保护焊埋弧焊总质量m/t西欧等18%68%8%6%381000美国22%52%20 %6%295000日本16%53%25%6%310000表11975～1996年船体材料焊接情况(ESAB1999)国海军典型船结构材料焊接结构的要求。图3为常规焊、激光焊接和复合热源焊接的试验结果对比。在焊接结果中可明显看出激光-M IG复合热源焊接的优势。图3不同焊接热源之间的试验结果对比激光-电弧复合焊应用于造船业的第一条生产线于2002年在德国M eyer-W erft造船厂实现<8>,该生产线采用CO2激光-G M AW复合热源,主要用于船体平板和加强筋焊接,如图4所示。工艺过程实现自动化,如平板对接焊 流程:计算机控制板料进给速度和边缘定位;板料夹紧;焊缝焊前研磨机预处理;板料进给拼缝; 复合焊接;夹具松开,板料移走。平板对焊焊炬一次可行走范围为20m×20m,焊缝间隙熔宽达1mm,与常规电弧焊接相比,复合焊热输入减少10%,5mm厚板的对接焊,速度提高3倍以上。目前,一些大中型造船厂的中厚板焊接都积极采用了该项技术。图4M eyer-W erft造船厂船板复合焊接及焊缝还有一些造船厂出于经济上的考虑,直接将现有焊接生产线上的普通焊接机头改装为复合焊炬,德国的Kvaerner W arnow W erft造船厂就是一起成功的实例<8>,改装后的复合焊炬继续使用原有焊接平台(见图5), 焊接船板焊缝,焊缝性能满足要求,生产效率大大提高。近年来,一些船体中开始引进铝合金结构 ,特别是快艇、渡轮、巡逻船、豪华游船等。传统的焊接方法可焊铝合金种类有限,容易产生缺陷 ,使铝合金不能充分发挥其优点,限制了它们在造船业中的进一步应用。激光-电弧复合焊则可克 服上述缺点,是一种有效的解决方法。除了工艺适用的广泛性外,高的生产效率在造船这种长周期 的制造工业中更为重要。4在汽车工业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,其旨主要为了节约能源,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N X S,大众的新款A udi A8更是采用了全铝合金框架结构。在铝合金车身焊接中,以前主要采用激光焊和熔化极气体保护焊,随着激光-电弧复合焊工艺的成熟,车身焊缝复合焊所占比例也逐步上升。Audi A8车身焊缝中有4.5m长激光-电弧复合焊,主要分布在车架的横向顶框上,如图6所示。其激光输出功率为3.8kW,焊接速度3.6m/m in,送丝速率4.5m/m in。辉腾(phaeton)系列车身中,所有的车门都采用了复合焊接<9>,图7为其前车门结构示意图,这些车门焊缝总长4980m m,7处为熔化极气体保护焊,焊缝长380m m;11处为激光焊,焊缝长1030m m;48处为复合焊,焊缝长3570m m。图6A udi车身横向顶框激光-电弧复合焊缝激光-电弧复合焊接在汽车制造业中是一种全新的连接技术 ,两者能量的协同优化作用,使得应用愈来愈广,特别是在代替原来激光焊接焊前装配要求很严格 或是焊接性能不可能达到要求的部位。通过选择不同的工艺参数,获得需要的焊缝形貌及其结构图 5改装后的复合焊炬和焊接构架组成,电弧部分通过填充焊丝增加焊缝桥接能力,降低焊前装配要 求,而激光增加熔深,两者的复合,工艺更加稳定。宽广的应用和工艺的低适应性,使得复合焊在 汽车制造中减少设备成本投入,缩短生产周期,降低生产成本,对提高生产力起到了显著的效果。 5在其他行业中的应用石油化工的油罐、管道连接也是激光-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,在反复的起弧收弧阶段 易产生缺陷。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。2000年,美国的EWI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工作效率。同年,德国Fruanhofer研究所研制了一套激光-M IG电弧复合热源焊接储油罐的焊接系统(见图8),采用1.5m/m in的焊接速度,焊接壁厚5～8m m,管径1.6m的小油箱(用时不到三分半),油箱焊接所采用激光功率为5.7kW、焊接电压 29V、电流240A。焊缝横截面如图9所示,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TUV鉴定<10>。目前,美国宾夕法尼亚州应用研究实验室(A RL)和钢铁造船公司(N A SSCO)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,到2006年底正式交 付于工业应用。6结论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;在铝合金等难焊金 属中,减少或消除焊接缺陷。近几年来,已愈来愈受工程界的亲睐,其经济图7辉腾车型前车门及搭接复合焊缝性和
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