激光-电弧复合焊接技术及其应用

1、激光-电弧复合焊接技术及其应用 HIT-1029101 激光焊接以其能量密度高、焊速快、变形小、熔深大和易实现自动化等优点而被广泛应用于各种结构件的焊接。但是，与其他焊接热源一样，激光焊也有其缺点:设备投资大，能量利用率低，焊前的准备工作要求高，接头中易产生气孔、裂纹、咬边等缺陷。为避免单独激光焊所存在的问题，激光一电弧复合焊是最好的选择。激光-电弧复合焊将激光焊和电弧焊两种工艺相结合，取长补短发挥各自优势，不仅能获得好的焊接质量和生产效益，而且还能降低成本，实现高效、优质的焊接1。近年来，随着电弧焊设备和激光器性能的提高，激光-电弧复合焊技术的发展日新月异，已成为激光焊接研究的热点2。本文结

2、合国内外激光-电弧复合焊的研究现状，概括了激光-电弧复合焊的特点、激光电弧复合方式、激光与电弧的相互作用以及激光-电弧复合焊成型的的影响因素等几个方面的问题。1基本原理及提出背景激光一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而同一位置，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

3、能量利用率提高，熔深进一步增加。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3。图1.激光-电弧符合焊接的原理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兹填充焊缝，采用激光一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，通过选择不同的焊兹，还可调整焊缝的化学成分，改善力学性能。 2 激光-电弧复合热源

4、焊接的特点 激光-电弧复合热源焊接是将电弧与较小功率的激光配合一起从而获得大熔深的焊接方法。它是将两种物理性质、能量传输机制截然不同的热源复合在一起，共同作用于工件表面，从而实现对工件进行加热完成焊接的过程。采用激光+电弧的复合方式可以充分地发挥两种热源的优势，弥补双方的不足，是一种新型、优质、高效、节能的焊接方法。在同等条件下，激光一电弧复合焊比单一的激光焊或电弧焊具有更强的适应性，焊缝的成型性更好。其优点如下4。(l) 提高了焊接接头的适应性。由于电弧的作用降低了激光对接头间隙的装配精度的要求，因此可以在较大的接头间隙下实现焊接。(2)增加了焊缝的熔深。在激光的作用下电弧可以到达焊缝的深处

5、，使得熔深增加。其次由于电弧的作用会增大金属对激光的吸收率也是熔深增大的原因。(3) 改善焊缝质量，减少焊接缺陷。激光的作用使得焊缝的加热时间变短，不易产生晶粒过大而且使热影响区减小，改善焊缝组织性能。由于在电弧的作用下复合热源能够减缓熔池的凝固时间，使得熔池的相变充分的进行，而且有利于气体的溢出，能够有效地减少气孔、裂纹、咬边等焊接缺陷。(4) 增加焊接过程的稳定性。由于激光的作用在熔池中会形成匙孔，它对电弧有吸引作用，从而增加了焊接的稳定性。而且匙孔会使电弧的根部压缩，从而增大电弧能量的利用率。 (5) 提高生产效率，降低生产成本。激光与电弧的相互作用会提高焊接速度，由于电弧的作用使得用较

6、小功率的激光器就能达到很好的焊接效果，与激光焊相比可以降低设备成本。 3激光与电弧的复合方式激光-电弧复合热源使用的激光器一般有CO2和Nd:YAG激光器。根据激光与电弧的相对位置不同可分为:同轴复合，即激光与电弧处于同轴共同作用于工件的同一位置；旁轴复合，即激光束与电弧以一定的角度共同作用于工件的同一位置。激光与电弧的旁轴复合根据不同情况又可分为激光在电弧前和激光在电弧后两种。激光与电弧的相对位置不同会对焊缝的表面成形和内部的性能产生重大的影响。激光束在电弧前，焊缝的上表面成形均匀且饱满美观，特别是在焊接速度较大的情况下效果更明显；而电弧在激光束前，焊缝的上表面会出现沟槽。通过对焊缝的成分及

7、性能进行分析，得知两种情况下Mg元素含量都是从焊缝上部到下部递增，而激光在电弧前焊缝上部的硬度小于下部，激光在电弧后焊缝上部的硬度大于下部的硬度。出现这种情况的原因是电弧在后时，热源作用面积大，热源移走后焊缝冷却慢而有利于熔池中的气体溢出，因此成型好;而且电弧热源作用于激光后相当于对焊缝进行一次回火而其热量不能传输到焊缝较深处，故而下部未回火，因此焊缝上部的硬度小于下部。不仅激光与电弧的前后不同对焊接过程有影响，激光与电弧的间距不同对焊接过程也有影响。激光与电弧间距对激光复合焊熔滴过度有影响，在高速MIG焊接时熔滴过度很不稳定，而激光-MIG复合焊接时，由于激光等离子体对熔滴的热辐射作用和对电

8、弧的吸收作用改变了电弧的形态及相应的熔滴的受力状态，使得熔滴的过渡过程发生了变化，对于不同的焊接电流，存在不同的最仕激光与电弧间距。在最佳间距下，熔滴过度形式为单一的稳定射流过度，电流电压恒定，焊缝成形良好。 根据电弧的不同，激光一电弧复合焊方法主要有:(1)激光-TIG复合焊。它的焊接速是激光焊的几倍以上，多数用于薄板高速焊，也可用于不等厚材料对接焊缝的焊接。这种复合方法是激光复合焊中最早进行研究的。Matsuda等研究表明，当焊速为0.5-5 m/min时，用SkW的激光配合300 A的TIG电弧其熔深是单独Skw激光焊接熔深的1.32.0倍，而且焊缝不出现咬边和气孔的缺陷。“阳极间隙法”

9、测量电流密度，结果表明，在电弧复合激光作用之后，其电流密度得到明显的提高。(2)激光-MIG复合焊。利用填焊丝的优势可以改善焊缝的冶金性能和微观组织结构，常用于焊接中厚板。因此这种方法主要用于造船业，管道运输业和重型汽车制造业。在德国已将这种复合技术研制到了实用阶段，Fraunhofer研究所已研制出一套激光一MIG复合热源焊接储油罐的焊接系统，它能有效地焊5-8 mm厚的油罐。 (3)激光-离子复合焊。激光与等离子复合一般采用同轴复合方式。等离子弧具有刚性好、温度高、方向性好、电弧易引燃等优点，非常有利于进行复合热源焊接。激光一等离子复合焊高速焊接0.16 mm厚的镀锌板时发现，焊接时电弧非

10、常稳定，即使是在90 m/min时电弧也很稳定而且不会出现单纯激光焊接时的缺陷，而单独激光焊接时在48 m/min时就会出现电弧不稳现象而且还会出现焊接缺陷。 4激光与电弧的相互作用 在普通的电弧焊过程中，随着焊速的不断增加，电弧将出现不稳定的情况。而在加入激光束后，焊接过程明显变得稳定，这是因为由于激光对电弧的吸引和压缩作用，使弧柱的电阻减小，场强降低，增加了电弧的稳定性。 YAG与电弧复合焊接时，激光与电弧相互作用后，电弧电压趋向稳定，同时激光对电弧具有明显的吸引和压缩作用。而随着电弧电流的增加，电弧的温度不断升高，体积不断膨胀，等离子体对激光的阻碍作用随之增加，激光的能量大部分用于加热电

11、弧，导致电弧的体积进一步膨胀，在这种情况下的焊缝熔宽较大，熔深较小。而电弧本身可以起到强化激光，稀释等离子体、预热工件的作用，在电流较小时，等离子体的密度被稀释，减弱其对激光的屏蔽作用，从而增大激光到达工件表面的能量.可以进一步的提高金属对激光的吸收率。张寰臻等5对直流TIG电弧对高功率CO2光光束的特性进行了研究，研究表明TIG电弧会将激光的部分能量吸收掉，吸收率随着TIG电弧的电流及激光的功率增加而不断增加，而且激光的位置越靠近阳极吸收率越高;电弧等离子体对激光有折射效应会使激光束散焦、变形并向阴极方向偏转，入射的激光功率越高、电弧的电流越大、激光的位置越靠近阳极，光束散焦越明显。电弧对激

12、光的吸收和散焦的共同作用，使得电弧激光功率密度显著降低。当激光功率达到1500 W时，中心功率密度的降低接近90%，但电弧对YAG激光束的影响较小。500 W的Nd:YAG激光穿过直流100 A的TIG电弧后的能量，结果显现激光功率密度的损耗非常的小，几乎可忽略不计，而且电弧对激光的散射作用也不明显。不仅激光与电弧间存在相互作用，电弧气氛对激光与电弧也有影响，而且不同的气氛其影响还不一样。对比研究氢气和氦气下对CO2光与直流TIG电弧垂直相互作用时的光束特性和电弧特性。结果表明，氢气气氛时激光功率显著减小，同时激光束散焦，激光束的功率密度分布严重劣化;TIG电弧的电压降低，电弧的体积膨胀甚至产

13、生燃烧波;氦气气氛时激光电弧相互作用时光束特性及电弧特性变化不大。CO2激光与氢弧相互作用时，激光功率衰减可达65%以上，而CO2激光与氦弧相互作用时，在激光功率为3500 W时，电弧对激光的吸收率仅为3.5%，而且光束特性和电弧特性没有明显的变化。5激光-电弧复合焊接成形的影响因素 影响激光-电弧复合焊成形的因素很多，主要有:电弧电流，激光功率，离焦量，激光与电弧的相对位置，焊接速度。它们严重地影响焊缝成型和焊接质量。（1）电弧电流。在激光功率一定，电流较小时随着电流的增大熔深增加，但当电流较大时随着电流的增大熔深变化不大有时甚至减小。对双焦点激光一IG电弧复合焊接工艺的研究发现，在同一激光

14、功率下，熔深随着电弧电流的增加而增大，当电流大到某一值时熔深达到最大值，随后当继续增大电流熔深反而减小。（2）激光功率。激光功率是影响复合热源熔一钎焊的主要焊接参数。激光功率对焊缝成型影响很大，特别是对熔深的影响最大。随着功率的增加熔深变大。雷振等6对铝钢的激光复合焊的研究表明，熔深随着激光功率的增加而增大。 激光功率对熔宽也有影响，但不是很明显。从对双焦点激光一rI'IG电弧复合焊接工艺研究表明，在较小的电弧电流下熔宽随功率的增大而变宽，但是在大电流下这种变化不明显。 (3)离焦量。离焦量对电弧的稳定性及熔宽影响不大，但对熔深有较大影响。通常定义激光束的焦点在工件表面为零离焦量，在工

15、件之上为正离焦量，在3工件之下为负离焦量。一般存在一个适当的离焦量使得熔深最大。在电弧与YAG复合焊时，得出最佳的离焦量是-1mm。研究不锈钢YAG-MAG激光复合焊时发现，在相同的离焦量下复合焊时的熔深是激光焊时的两倍。 (4)激光与电弧的相对位置。激光与电弧的相对位置对复合焊焊缝的成型及焊缝质量有影响。研究表明，激光束在前而电弧在后时焊缝上表面成型均匀饱满，而电弧在前激光束在后焊缝表面会出现倾斜沟槽，而且前者焊缝上部的硬度小于下部，而后者焊缝上部的硬度大于下部。 (5)焊接速度。在一定激光功率下，随着焊接速度的增加，熔深、熔宽变小。这是因为在一定的激光功率和焊接电流下，随着焊接速度的变大单

16、位时间单位长度的范围内热输入减小，从而热源向四周传播的热量减少，用于金属熔化的热量就减少，因而熔深、熔宽变小。其次因为焊接速度变大，电弧收缩，使得电弧加热区域的范围减小，因而熔宽减小。哈尔滨焊接研究所的秦国梁等对Na:YAG激光+脉冲GMAW复合热源焊接参数对焊缝熔宽影响的研究证实了这一点，即随焊速的提高熔宽变小。 在一定激光功率下，随着焊接速度的增加熔深、熔宽变小，熔深变浅甚至无法焊透;适当降低焊速可以增大熔深，但焊速过慢可能导致焊件过度熔化，甚至焊穿，因此必须找到一个适当的焊接工艺，既满足高效的要求又能获得较大的熔深。铝/钢激光一MIG复合热源熔一钎连接试验研究表明，利用该连接方法可以实现

17、高速的铝/钢焊接，最高焊接速度可达5 m/min.6 激光一电弧复合焊接在工业领域的应用7尽管激光一电弧复合焊作为一项应用技术还处于其初始阶段，但是它已经在很多工业领域显示出强大的优势。目前激光一电弧复合焊系统正向集成化、轻型化、智能化发展，将广泛应用于工业生产中 6.1 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MIG/MAG焊(见表1)，但效率较低。激光一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(EWI)的“船体结构复合热源焊接”合作项目中得到证实日。 表1 19751996年船体材料焊接情况(ESAB 1999)

18、 NJC/EWI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一MIG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、焊缝变形等多方而。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国海军典型船结构材料焊接结构的要求。图2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一MIG复合热源焊接的优势。 图2常规焊、激光焊接和复合热源焊接的试验结果对比 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Meyer-Werft造船厂实现，该生产线采用CO:激光-GMAW复合热

19、源，主要用于船体平板和加强筋焊接。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20 mx20 m，焊缝间隙熔宽达1 mm，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。 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vaerner Warnow Werft造船厂就是一起成功的实例，改装后的复合焊炬继续使原有焊接平台，焊接船板焊缝，焊

20、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。激光一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。 6.2 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

21、田的NXS，大众的新款Audi 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，随着激光一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4.5 m长激光一电弧复合焊，主要分布在车架的横向顶框上。其激光输出功率为3.8 kW，焊接速度3.6 m/min，送兹速率4.5 m/min。辉腾(phaeton)系列车身中，所有的车门都采用了复合焊接，这些车门焊缝总长4 980 mm，7处为熔化极气体保护焊，焊缝长380 mm; 11处为激光焊，焊缝长1030 mm ; 48处为复合焊，焊缝长3570 mm。 激光一电弧复合焊

22、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组成，电弧部分通过填充焊兹增加焊缝桥接能力，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。6.3 在其他行业中的应用 石油化工的油罐、管道连接也是激光一电弧复合焊一个重要的应用方而。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