激光-电弧复合焊接技术及其应用

1、哈尔滨工业大学激光-电弧复合焊接技术及其应用学生：XXX学号：XXXXXX班级：XXXXXX2013年 月 日摘要：结合国内外激光-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。介绍了激光-电弧复合焊接技术特点、阐述了此技术的原理、优势及其应用前景。关键词：激光-电弧复合；焊接；应用激光焊接以其能量密度高、焊接速度快、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-电弧复合焊是最好的选择。

2、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。0 背景及基本原理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。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

3、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6。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2。图2. 工业用复合焊炬产品图1. 激光-电弧复合焊接原理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。哈工大的陈彦斌教授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

4、过环状电弧到达工件表面的CO2激光-TIG同轴复合焊炬；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8；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。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);、英国的焊接研究所（TWI）、乌克兰巴顿焊接研究所（Paton）、日本三菱重工等。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HIGHYAG 和Fronius。其典型复合焊炬产品如图

5、2所示。1 激光-电弧复合热源焊接的特点激光-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。采用激光与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3：(1) 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

6、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。(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

7、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果，与激光焊相比可以降低设备成本。2 激光-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激光器和Nd:YAG激光器。根据激光与电弧的相对位置不同可分为3：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。高志国等4对激光-MIG复合焊中激光与电弧前后位置对焊缝成形影响的研究表明，激光束在电弧前，焊缝的上表面成形均

8、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。胡连海等6的研究表明，激光与电

9、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，存在不同的最佳激光与电弧间距。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1。根据电弧的不同，目前激光-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0.55 m/

10、min时，用5kW的激光配合300A的TIG电弧其熔深是单独5 kW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。Avilov应用“阳极间隙法”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-MIG复合热源焊接储油罐的焊接系统， 它能有效地焊接58mm厚的油罐。(3) 激光-等离子复合焊。激光与等离子复合一般采用

11、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。Blundell等人采用激光-等离子复合焊高速焊接0.16mm厚的镀锌板时发现， 焊接时电弧非常稳定，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1。3 激光-电弧焊接的应用23.1 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Au

12、di A2、A8及日本本田的NXS，大众的新款Audi A8更是采用了全铝合金框架结构。在铝合金车身焊接图4. 辉腾车型前车门及搭接复合焊缝图3. Audi车身横向顶框激光-电弧复合焊缝中，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3所示。其激光输出功率为3.8kW，焊接速度3.6m/min，送丝速率4.5m/min。辉腾(plaeton)系列车身中，所有的车门都采用了复合焊接.，图4为其前车门结构示意图，这些车门焊缝总长4980mm,7处为熔化极

13、气体保护焊，焊缝长380mm；11处为激光焊，焊缝长1030；48 处为复合焊，焊缝长3570mm。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2。3.2 在造船业中的应用一般船体结构中，钢结构

14、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-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。图3. 不同焊接热源之间的试验结果对比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-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、焊缝变形等多方面。焊缝接头通过弯曲、拉伸等试验，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5为常规焊、激光焊接和复合热源焊

15、接的试验结果对比。在焊接结果中可明显看出激光-MIG 复合热源焊接的优势。图5. 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Meyer-Werft造船厂实现,该生产线采用CO2激光-GMAW复合热源，主要用于船体平板和加强筋焊接，如图6 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%，厚板的对接焊，速度提高3倍以上。目前，一些大中型造

16、船厂的中厚板焊接都积极采用了该项技术。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。图6. 德国Meyer-Werft造船厂船板复合焊接及焊缝3.3 在其他行业中的应用石油化工的油罐、管道连接也是激光-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

17、。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“YAG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-MIG电弧复合热源焊接储油罐的焊接系统(见图)，采用1.5m/min. 的焊接速度，焊接壁厚58mm，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 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。目前，美国宾夕法尼亚州应用研究实验室(ARL)和钢铁造船公司(NASSCO)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。图7. 储油罐复合焊接系统图8. 油罐壁复合焊缝形貌参考文献1 樊丁,董皕喆,余淑荣,张诗正.激光-电弧复合焊接的技术特点与研究进展.热加工工艺,2011 ,40 (11 ):164-169.2 王治宇,王春明,胡伦骥,胡席远.激光-电弧复合焊接的应用.电焊机，2006,2(36):38-41.3 陈彦宾.现代激光焊接技术M.北京:科学出版社.4 高志国，黄坚，李亚玲等激光-MIG 复