激光电弧复合焊接-翻译

激光- 电弧复合焊接的发展

盛明小野*，由纪夫新保**，昭英吉武***和正德大村****

激光- 电弧复合焊接结合了激光和电弧焊接工艺的优点，以提供在存在较大差距而且没有什么优点的激光焊接塔接钢板。当塔接焊时，性能的差距是蒸发的锌在钢板内形成气孔。

激光- 电弧复合焊接工艺能很好的解决这个问题而且在搭接焊钢板内消除气孔。激光—电弧复合焊的焊接速度几乎等同于激光焊接的速度，激光—电弧复合焊生产高品质的搭接处，是理想的汽车零部件组装焊接工艺。

介绍

今年来激光焊接也开始用于组装焊接汽车车身及零部件，虽然它未被广泛使用。在激光搭接焊中，搭接的搭接表必须要有严格的控制，如果这两者间隙过宽，则会发生烧穿，并且两焊材不能够被焊接在一起，处于这个原因，在激光焊接中两焊材通常被限制在0.1mm一下为适宜。

但是镀锌板的激光搭接焊却带来别的问题，在镀锌板激光搭接焊中没有任何间隙，所以锌会被蒸发掉，在这个过程中往往会吹掉焊缝金属或者，锌蒸气容易残留在焊缝金属中，并形成气孔。

激光—电弧复合焊的开发就是为了解决这个问题，这种方法结合了YAG激光焊接和YAG电弧焊，并且允许在激光焊接中两片材之间存在间隙，焊接中产生较少的气孔，甚至在镀锌板的搭接焊中。因此，在搭接焊缝中严格控制间此外，

激光速度可以等同于焊接速度，所以，激光焊接的高效率完全可以被利用。

1.激光电弧焊的配置

YAG laser beam：YAG 激光束Welding direction：焊接方向

Steel sheet：钢板板材arc:电弧Melted metal：熔融态金属

Keyhole：孔洞Fig.1 Configuration of laser beam and arc-welding

electrode in laser-arc h ybrid welding：图一表示激光和电弧在激光电弧复合焊接中的装配图

如上图一显示了激光电弧复合焊接的配置系统，YAG激光器被用于激光焊接，并且一种弧焊电极定位在YAG激光器后部的辐射点，弧的目标位置是在激光照射点后面大约1到3毫米。YAG激光的使用，是因为这种激等离子体不会吸收太多的激光能量。而大部分的能量被焊材吸收。正相反，二氧化碳激光的能量大部分被等离子体吸收，所以必须有足够的距离隔离电弧和辐射点位置。

因此，激光和电弧的组合是不可能去使用二氧化碳激光。

实验

1.1实验方法

制造Luminics用的YAG激光电弧复合焊中，实验使用了4.5千瓦的额定输出和合并。（熔化极活性气体保护焊（MAG焊），一个直径是0.8mm的固体，焊丝的材质是软钢线，作为实验样本的冷轧钢板和热浸镀锌（GA）钢板，厚度为0.8〜1.6 mm。所有焊接接头均搭接焊缝。焊接条件列于表1中。

Table 1 Welding conditions of laser-arc hybrid welding：表一为激光电弧复合焊接的条件

Laser resonator 激光输出功率Max. output 4.5kW ：最大输出功率5kW Laser output 激光输出功率Welding speed 焊接速度

1.0 to 5.0m/min 1~5米每分钟Arc current 电弧电流

Shielding gas 保护气体Consumable 可消耗品

3.2 焊接现象分析

在激光电弧复合焊接的现象中，电弧电压随时间的变化被准确记录。

3.3焊接接头的性能评价

焊接接头的外观是通过目测检查，并且评价是否在焊接中存在缺陷，

如傻眼和麻点。此外，在macrosections的制备中，检查焊缝是否形成气孔

和麻珠。焊接接头的强度是由拉伸剪切试验来确定。

2.实验结果

2.1实验现象

图二展示的是在复合焊接中焊丝和焊材之间电弧电压随时间的变化。

该焊接的条件是：激光（工作点）输出3千瓦、电弧电流100A、焊接速度2米/分钟。

电弧焊接时，电弧电压随时间的变化在该图之间进行比较混合动力焊接时，在电压为0到20的范围内，在高频率上震荡。液滴浸转让，金属丝发生在10毫秒的振荡。恰恰相反，电弧焊接电压振荡发生在一个更广泛的范围内，并且倾角的传输周期时间显著是50-100毫秒以上。

Fig.2 Time variation of arc voltage with and without laser radiation：图二示在没有激光焊接的情况下，电流和电压的变化

Arc welding 电弧焊接Hybrid welding激光焊接

Arc voltage 电弧焊接

通常在电弧焊接时，随着焊接速度的增加，焊道形状变得更不均匀而激光电弧复合焊可以提供均匀的焊道，即使焊接速度非常高。因为熔滴线性过渡发生在一个时间很短的周期。

图三显示了使用动力混合和电弧焊接时，焊接速度极限显示出的焊道均匀程度。弧焊焊接速度的限制起码是激光电弧复合焊的七倍以上。

Fig.3 Welding speed limit for arc welding and hybrid welding that does not cause humping：图三示在焊接速度的限制下，激光焊接和电弧焊接不会有弧形特征

Continuous bead 持续边界Humping bead 弧线焊道

Bead on plate welding 板焊焊珠

如下面解释，即便是在很高的焊接速度下，电弧也能保持很高的稳定性。而在电弧焊接时，电弧是通过焊材发射的热电子维持，当焊接速度变得很高时，焊材加热不充分，电弧变得很不稳定。

相反，在混合焊接时，通过激光照射所形成的锁孔电子密度达到了1017到1020/cm3. 此外，周边区域为熔融状态，从而使热电子的发射变得非常容易。当在本区域是保持电弧和复合焊接时，仍能保持电弧焊接速度高速运行。

下面可以说明，复合焊接的过渡周期短于混合焊接。在电弧焊时，电弧可以被稳定，而热电子发射点（阳极点和阴极点）发生移动，所以电弧的能量发生分散。激光电弧复合焊恰与此相反，激光照射出一个直径在一毫米的电弧，电弧的挤压点进入到一个非常狭窄的范围内，能量得以集中。因此，金属丝是非常容易融化，电弧长度很短（电位梯度很大），因此液滴变得很小，并且处在一个高频率的传输状态。复合焊接和电弧焊接的电弧的放电机制在图四中得以表示。

Arc discharge 电弧放电Laser assisted arc discharge 在激光的辅助下电弧放电情况Laser Beam 激光束

Fig.4 Mechanisms of arc discharge with and without laser beam

radiation 图四示在是否有激光的辅助下电弧的放电情况

Hot spot 热点

照片一比较了电弧和复合焊接的宏观焊缝，渗透复合焊缝就是一个激光电弧熔滴，焊缝附近的表面上是热熔融状态的母材基体金属，并在焊道上形成一个隆起，混合焊接和复合焊接的渗透熔深大致相等。这就表明，在判定焊接穿透深度方面，当热输入的增加，电弧的热量仅仅是融化表面的基本金属而不深化渗透。但是事实却是，在激光焊接中混