激光电弧复合焊接技术讲解

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 ment

A 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 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。

图 1激光电弧复合焊接原理示意图

Fi g . 1

Princi 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

2

3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 beam

2激光电弧复合焊接设备

2. 1激光与钨极氩弧焊 (Laser-TIG

Nd :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 g

3

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 different

weIdin g p rocesses

2. 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