激光-电弧新技术及其应用

1、摘要：本文主要介绍激光-电弧复合焊接新技术的原理、特点以及其焊接头的复合结构方式。论述了目前国内外该技术的研究现状，主要集中在激光-电弧相互作用、焊缝中显微组织相组成的分析、焊接参数优化和低功率激光-电弧复合焊等几个部分。并简单介绍该技术在国内外的应用情况。关键词：激光；复合焊接；激光-电弧复合焊接作为一种焊接新技术,不仅具有高功率密度、低热输入量等优点,而且焊接质量好、速度快,提高了电光能量转换效率和利用率,使得焊接过程更加稳定。与传统的TIG焊、MIG焊相比,它是一种功能多、适应性强、可靠性高的精密焊接方法。激光复合焊接技术已在航空航天、汽车制造、造船、核电设备等领域得到广泛应用,成为了研

2、究最多最广泛的复合焊接方法。目前国内外很多公司都在研制激光-电弧复合焊接的设备。1 激光-电弧复合焊接技术英国学者W.Steen教授于上世纪七十年代首先提出了激光-电弧复合焊接方法，他在实验中发现复合焊接过程中激光作用产生的匙孔对电弧具有吸引和压缩作用，电弧特性发生改变，电弧效率显著提高，激光能量的吸收率也显著提高，因此焊缝熔深增加，焊接质量良好。1.1 激光-电弧复合焊接技术原理激光电弧复合焊接是一种将物理性质、能量传输机制截然不同的两种热源复合，并产生了“11>2”的“协同效应”的全新、高效焊接方法，其原理如图1-1 所示：图1-1：激光-电弧复合焊接示意图激光-电弧复合焊接时，激光

3、作用产生的金属蒸汽进入电弧区，由于金属蒸汽电离能较低，更容易电离，导致电弧通道的电阻降低，电弧电流密度增加，电弧稳定性增强，电弧的能量利用率提高。同时激光作用形成的小孔处温度较高，热发射电子比较容易，因此电弧被压缩并吸引进入小孔中，深熔小孔压缩电弧尺寸并引导电弧，成为稳定的阳极斑点或阴极斑点，为电弧提供导电通道。又由于电弧对工件预热以及等离子体的相互作用提高了激光能量的吸收效率，更多的激光能量用于熔化金属。因此，新技术具有相比于单热源焊接更大的焊接熔深和焊接速度，其焊缝成形兼具激光焊接与电弧焊接成形的特点。并且，复合热源的能量利用率提高，产生相互增强的协同效应，可使焊接效率、过程稳定性和焊接质

4、量进一步提高1.2 激光-电弧复合焊接特点采用激光+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-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：(1) 提高了焊接接头的适应性。 由于复合焊中电弧的加入，扩大了热作用范围，熔化金属增多，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。当采用直流反接时，电弧可在激光焊接之前清洁焊缝表面，去除氧化膜，从而有利于焊接铝合金。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，可减少或

5、消除气孔和裂纹的产生，这可以改善难熔难焊金属的焊接性。(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，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。而且激光和电弧的能量都可以单独调节，将两种热源适当配比可以获得不同的焊缝深宽比。同时复合焊接能够在接头间隙高达1.5mm 的情况下获得理想

6、的焊缝成形。焊缝成形的改善，避免了焊缝表面缺陷，使接头的延伸率和疲劳性能较单纯激光焊接有所改善。 (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。并且，激光加入后，其作用点能够为电弧提供稳定的阳极或阴极斑点，为电弧稳定燃烧提供充足的带电粒子，有效抑制电弧跳跃。激光等离子体还能够通过激光、电弧相互作用提高了电弧的电离程度，稳定和压缩电弧，提高工艺稳定性。(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小功率的激光器就能达到很好的焊接效

7、果，与激光焊相比可以降低设备成本。1.3 激光-电弧复合焊接接头形式（1）旁轴复合结构 鉴于激光-MIG电弧复合存在着送丝和熔滴过渡等问题,绝大多数焊接设备都是采用旁轴复合方式进行焊接，如图1-2所示为德国库格勒公司生产的复合焊接头。在国内,华中科技大学及大连理工大学设计的复合焊接加工头虽然实现了电弧方向的调节及电弧角度变化,然而激光聚焦与电弧的一致性仍存在问题,调节精度难以达到要求,气体保护也不能起到良好效果。（2）同轴复合结构 TIG电极的非熔化性使得TIG与激光更容易实现同轴复合焊接,日本Tishide与M.Nayama研制了一种电弧从2束激光中间穿过的YAG激光- TIG同轴复合焊接头

8、。图1-2：德国库格勒公司复合焊接头从光纤出来的激光被分为2束,再经过透镜聚焦使得激光的聚焦点与电弧的辐射点重合。焊接过程中,YAG激光-TIG复合焊接时形成的匙孔直径是单独YAG激光焊接的1.5倍,非常有利于气体的逸出,对减少焊缝中的气孔非常有益。激光被分为2束,再经过透镜聚焦使得激光的聚焦点与电弧的辐射点重合。焊接过程中,YAG激光-TIG复合焊接时形成的匙孔直径是单独YAG激光焊接的1.5倍,非常有利于气体的逸出,对减少焊缝中的气孔非常有益。我国哈尔滨工业大学陈彦宾教授采用空心钨极的方法实现激光与TIG电弧的同轴复合。电弧在空心钨极的尖端产生,激光束从钨极中心穿过环状电弧到达工件表面,其

9、复合原理如图1-3所示。同轴复合时激光从电弧中心穿过,因而没有焊接方向性问图1-3：激光与空心钨极同轴示意图题,尤其适合于三维零件的焊接。同轴复合的焊接头调节没有旁轴那么复杂,但是钨极孔径的大小、钨极尖端与工件的距离对焊接质量有较大的影响,钨极尖端的烧损会严重影响环状电弧的形状,影响焊接过程的稳定性和焊缝形状。（3）旋转双焦点复合结构 通过将2束激光按照一定的方式排布或者将1束激光分成2束激光后形成2个单独的焦点,在焊接过程中2个焦点一边以一定的频率绕对称中心轴旋转,而用于焊接的电弧与焊缝中心始终保持重合状态,但不进行旋转。如图1-4所示,焊接头以焊接速度向前运动,这两者的运动复合起来形成了一

10、个类似螺旋状轨迹前进,从而实现焊接过程。旋转双焦点激光-电弧复合焊接的2个旋转着的激光束对焊接熔池上方的等离子体起到搅拌的作用,从而打破了等离子体对激光束的负透镜效应,也减少了电弧对激光的能量吸收和散焦作用。另外,旋转着的双焦点对焊接熔池起到搅拌作用,使得有害气体更容易逸出,减少焊接气孔的缺陷;同时激光束均匀地搅拌,就能防止熔池匙孔的闭合,从而使得激光束更能够吸引和压缩电弧,电弧也更加稳定,大大提高了能量密度,增大了熔深。图1-4：旋转双焦点激光-电弧复合焊接头示意图2 国内外研究现状随着高功率激光的出现与广泛应用，复合焊接技术逐渐形成了激光为主导，电弧为辅助热源的焊接方式，利用电弧焊接的适用

11、范围广，加热区域大的特点用来改善激光焊接中存在的问题，并逐渐发展为一种热门的焊接应用技术，得到了广泛的关注。目前国内外对激光-电弧复合焊接的研究主要集中在激光-电弧相互作用、焊缝中显微组织相组成的分析、焊接参数优化和低功率激光-电弧复合焊等几个部分。2.1 激光-电弧相互作用英国的 Steen 教授利用小功率 CO2激光与 TIG 电弧复合，发现在激光作用下电弧电流增大而电压降低，电弧的稳定性及焊接速度均得到了提高。日本 Naito等进行 YAG 激光-TIG 电弧复合焊接的研究表明电弧被吸引到小孔上方的区域，深熔小孔喷出的金属蒸汽与电弧发生剧烈的作用，引起电弧形态的快速变化。而 V.V.Av

12、lov等通过阳极间隙法发现激光-TIG 旁轴复合热源的电流密度相比单电弧作用时增加了近 3 倍，电弧形态也发生了明显的收缩，如图 2-1 所示。 图2-1：TIG电弧与激光-TIG电弧复合时的电流密度变化国内陈彦宾教授等在进行CO2激光-TIG电弧旁轴复合试验时发现，电弧电流和激光功率增加使等离子体膨胀长大，以致出现激光维持的燃烧波，对激光能量产生了严重的屏蔽，而大电流的存在降低了激光光路上保护气体电离的阈值。宋刚等在小功率YAG激光-交流TIG电弧复合焊接镁合金时发现，激光与材料作用产生的光致等离子体增强了电弧的放电能力，从而提高了高速焊接时电弧的稳定性。2.2焊缝中显微组织相组成的分析 在

13、世纪年代末提出了激光电弧复合热源焊接（复合焊），复合焊接工艺综合了激光焊 与电弧焊的 优点，能够更有效的焊接铝合金厚板。随着焊接工程技术的进步和提高，铝合金厚板在国防应用中也越来越重要和普遍。目前，国内外研究者已对铝合金的各类焊接接头做了较多的研究，观察到焊缝显微组织主要为树枝晶以及（）共晶。从冶金学的角度来讲，显微组织的尺寸、分布及组成等方面决定了材料的力学性能，因此，焊缝中金属的凝固行为必然会对接头的力学性能产生影响。另外，随着焊接板的厚度增加，焊缝中将存在温度梯度，特别是当焊缝熔凝区形状变化时，焊缝中的显微组织将产生明显的不均匀性。随着焊接厚度的增加，组织分布更加不均匀，力学性能在沿板厚

14、方向上差异会更大，因此，探索焊缝形状与其显微组织的分布规律，对进一步研究焊缝形状、显微组织与接头力学性能的关系具有重要的理论意义。例如，铸造铝合金是成分、性能和优质合金相近似的系三元合金，由于比重较轻，其焊接件近年来广泛应用在航空航天、军事工业以及民用工业等领域。图2-2为复合焊典型的接头形貌，焊缝呈以中心线为对称的字母形，熔凝区上部较宽而下部逐渐变窄，到根部宽度变化不明显。实验结果表明，当焊接工艺参数选择合适、保护到位时，厚的铝合金板可一次焊透成形，而且焊缝饱满较美观，焊后板材几乎无变形。图2-3为接头横截面部分区域腐蚀后的金相照片，复合焊焊接接头可以大致分为三个区域：熔凝区（）、热影响区（

15、）和母材（）。图2-2：复合焊典型的接头形貌图2-3：接头横截面部分区域腐蚀后的金相照片从图2-3中可见，焊缝中主要是由白色的树枝晶以及分布在其间的黑色（）共晶组成，熔合线附近的晶粒是从母材外延生长而来，树枝晶由母材到熔凝区依次变得细小；在复合焊中，熔池中金属的冷却速率极快，属于典型的激冷结晶组织，故熔凝区的组织较细小。热影响区中的树枝晶较熔凝区要粗大得多；受熔池热的影响，共晶相先熔化，受热后部分熔化，液态金属在快速凝固时发生共晶反应，使得热影响区中共晶相的含量较母材 与熔凝区要高。2.3 焊接参数优化复合焊接工艺参数优化研究:研究焊接电流、电弧电压、激光功率、热源间距、焊接速度等工艺参数对焊

16、缝成形,包括焊缝形貌、焊缝熔宽、焊缝熔深的影响，复合焊接过程中影响稳定性的因素,以及各工艺参数对焊缝质量的影响关系。并且，研究各工艺参数在激光电弧复合焊接过程中,熔滴过渡特征、电流电压信号、电流电压概率密度分布对工艺稳定性的影响。通过焊接接头的微观组织与力学性能测试分析来改善工艺措施,以获得具有优良性能的焊接接头。例如，在研究高强钢的工艺参数优化时，采用C02激光-MAG电弧旁轴复合热源系统,以高强钢为实验材料进行了平板堆焊试验,对C02激光-MAG电弧复合焊接工艺进行了基础性研究,得出如下结论:1、C02激光-MAG电弧复合热源焊接中,焊缝形貌与焊接电流、电弧电压、激光功率、焊接速度等工艺参

17、数有关。其中,焊接电流在160-180A时较为理想；焊接速度在0.8-1.2m/min时,焊缝形貌较好,激光与电弧耦合效果最佳,熔滴过渡、电信号稳定。2、在激光-电弧复合焊接中,DlA宜选在2-4mm之间,旨在使激光从电弧的边缘穿过,减小电弧对激光屏蔽作用。3、激光-电弧复合焊接的熔深达到4.02mm（主要参数P=1.6kW,I=160A,v=0.8m/min）,焊接变形小,同时焊缝中的电弧区明显增深,与激光区圆滑过渡,并且焊缝下部的激光区宽度较单独激光焊接要宽.是两种热源相互作用增强的体现。4、激光-电弧复合焊接通过拉伸实验,焊缝强度低于母材抗拉强度；焊缝硬度有所降低。2.4 低功率激光-电

18、弧复合焊激光+电弧复合热源焊接技术既充分发挥了单一激光焊接及单一电弧焊接的优势,同时又弥补了单一热源焊接的不足,是一种新型、高效的焊接加工技术。目前,激光+电弧复合焊接研究主要采用几千瓦甚至几十千瓦的大功率激光进行复合,以大功率激光为主,电弧为辅。而由于目前的激光器电-光转换效率普遍较低,同时致密光致等离子体对激光的屏蔽作用随着激光功率的增大而增强,因此,大功率激光的应用必然导致能源的大量消耗及浪费。因此,采用低功率激光(小于500W)与电弧进行复合,开展以提高焊接效率、节约能源为目的的电弧为主、激光为辅的低功率激光+电弧复合热源焊接技术研究具有重要的理论及现实意义。并且，还研究了外加电场对低

19、功率激光-电弧复合焊接的影响。例如，低功率YAG激光+TIG复合热源焊接技术成功实现了镁合金薄板、大尺寸板材、T型结构及钛合金薄板、T型结构的焊接,焊缝成形良好,熔透均匀,焊接接头具有良好的拉伸性能和塑性变形能力。3 复合焊接的应用复合焊的适用性较强,可以进行平板对接焊、角接焊、环形焊缝的焊接。近几年来,复合焊被应用于不同材料的焊接中,日本、美国、德国等几个发达国家用复合焊接对低碳钢、高碳钢、不锈钢、铝及其合金、镁及其合金等进行焊接,并应用在了汽车、造船、石油等生产制造中。1.在汽车制造工业中的应用 近年来,在汽车制造业中,更倾向于朝着轻量化发展,为了节约能源、减少污染及合理利用材料等,在车身

20、框架结构中大量使用了铝、铝镁等轻质合金结构。因此为激光-电弧复合焊接技术的应用提供了条件,德国大众汽车公司率先将其用于在奥迪A8轿车车体框架、辉腾轿车车门的焊接中。2.在造船工业中的应用 从造船年产量上看,我国是世界上仅次于韩国、日本的造船大国,但我国的造船总体水平与世界先进造船水平相差15-20年,落后于韩国和日本两三个台阶。焊接技术是船舶工程的关键技术之一,船舶焊接技术水平和生产效率直接影响船舶建造周期、生产成本及产品质量。世界各造船国家为抢占船舶市场制高点,都十分重视船舶焊接技术的研发、推广和应用。3.在其它领域中的应用激光-电弧复合焊接技术在石油化工的大型管道、油罐连接中也有着重要的应用。由于一般石油管道壁厚较大,普通焊接方法很难一次性焊透,必须要开破口,进行多道焊接,多道焊接时