高能焊教案激光焊激光电弧复合焊市公开课金奖市赛课一等奖课件

1、第一章： 激光焊接第1章 激光焊接第7节、激光电弧复合焊1第1页激光电弧复合焊接（ laser-arc hybrid welding）什么是激光-电弧复合焊接？ 将激光束和电弧经过一定方式组合后，作为复合热源来实现焊接过程。右图所表示： laser beam and MAG-arc 激光+ 熔化极电弧焊（惰性气体+氧化性气体）第1章 激光焊接2第2页激光电弧复合创造、发展介绍 激光焊优势：激光焊接是20世纪70年代发展起来高能束熔化焊接方法，激光焊接含有加热集中、母材热损伤小、焊件变形小精度高，易于实现自动化生产等特点，在汽车、航空航天、机械、电子等制造业中得到了越来越广泛应用。局限：然而激光

2、焊接对于焊件装配精度要求高，新型高强钢和金属基复合材料激光焊还存在易产生焊接裂纹、接头性能恶化工艺问题；同时，激光焊接设备一次性投资比常规焊接方法大得多。改进：有必要对激光焊接技术深入改进，以更为充分利用昂贵激光设备进行优质高效焊接，并克服上述缺点。方法：将普通热源与激光相结合起来复合焊接技术是近年来一个主要发展方向。近年来，美、日、德十分重视复合激光焊接技术研究并已开发各种复合激光焊接技术。第1章 激光焊接3第3页Steen首创：激光电弧复合热源焊接方法早在20世纪80年代就由英国学者Steen提出，但自此以后很长时间内，科技工作者们并没有对其做更深一步研究与发展。现实应用：稳定加工是近几年

3、才出现，这主要得益于激光技术以及弧焊设备发展，尤其是激光功率和电流控制技术提升。继续研发：近年来，研究人员已经重新把注意力转移到这项技术上，而且尝试着结合激光与电弧各自优点使二者取得最正确配合。 激光电弧复合创造、发展介绍 第1章 激光焊接4第4页复合焊接特点：复合焊接时，激光产生等离子体有利于电弧稳定；复合焊接可提升加工效率；可提升焊接性差材料诸如铝合金、双相钢等焊接性；可增加焊接稳定性和可靠性；通常，激光加丝焊是很敏感，经过与电弧复合，则变轻易而可靠。激光-电弧复合主要是激光与TIG、Plasma以及MAG。经过激光与电弧相互影响，可克服每一个方法本身不足，进而产生良好复合效应。比如，MA

4、G成本低，使用填丝，适用性强，缺点是熔深浅、焊速低、工件承受热载荷大。激光焊可形成深而窄焊缝，焊速高、热输入低，但投资高，对工件制备精度要求高，对铝等材料适应性差。 激光电弧复合创造、发展介绍 第1章 激光焊接5第5页 激光焊接因为产生了等离子体云，使能量利用率降低；而且等离子体对激光吸收与正负离子密度乘积成正比。 假如在激光束附近外加电弧，电子密度显著降低，等离子云得到稀释，激光吸收率大大提升。同时，电弧也对焊接母材进行预热，使母材温度升高，也使激光吸收率深入提升。所以，焊接熔深大大增加。另外，电弧能量利用率高，从而使总能量利用率提升。 激光电弧复合创造、发展介绍 第1章 激光焊接6第6页激

5、光焊接因为热作用区域很小，母材端面接口轻易发生错位。而电弧热作用范围较大，能够缓解对接口要求，降低错位；同时因为激光束对电弧聚焦、引导作用，电弧焊接质量和效率得到提升。 激光焊接时峰值温度高，温度梯度大，冷却、凝固很快，轻易产生裂纹和气孔。电弧热作用范围、热影响区较大，使温度梯度减小，降低冷却速度，使凝固过程变得迟缓，降低或消除气孔和裂纹生成。因为电弧焊接轻易使用添加剂，能够填充间隙，采取激光电弧复合焊接方法能降低或消除焊接后接口部位凹陷。 激光电弧复合创造、发展介绍 第1章 激光焊接7第7页 Laser-MAG复合效应表现在：电弧增加了对间隙桥接性，其原因有二： 一是填充焊丝， 二是电弧加热

6、范围较宽；电弧功率决定焊缝顶部宽度；激光产生等离子体，减小了电弧引燃和维持阻力，使电弧更稳定；激光功率决定了焊缝深度；更深入讲，复合造成了效率增加以及焊接适应性增强。激光电弧复合对焊接效率提升十分显著。 这主要基于两种效应， 一是较高能量密度造成了较高焊接速度，工件对流损失减小； 二是两热源相互作用叠加效应。焊接钢时，激光等离子体使电弧更稳定，同时，电弧也进入熔池小孔，减小了能量损失。激光电弧复合创造、发展介绍 第1章 激光焊接8第8页激光-电弧复合方式分类方法之一：（按 激光 与 不一样电弧 组合而分类） 激光+电弧作为一个复合热源，激光和电弧组合方式以下： 激光束+ TIG 激光束+ GM

7、AW （熔化极气保焊）包含有： a. 激光束+ MIG b. 激光束+ MAG3. 激光束+ Plasma.第1章 激光焊接9第9页激光-电弧复合焊分类方法之二： （按照激光和电弧主辅关系分类）包含三种主要方法：电弧加强激光焊接激光辅助电弧焊接电弧激光次序焊接第1章 激光焊接10第10页激光-电弧复合焊接 有以下特点： (1) 可降低工件装配要求，间隙适应性好。 (2) 复合焊接利用电弧复合作用，在确保大熔深同时适当增加熔池宽度，降低凝固速度，有利于减小气孔倾向。 (3) 能够实现在较低激光功率下取得更大熔深和焊接速度，有利于降低成本。 (4) 电弧对等离子体有稀释作用，可减小对激光屏蔽效应，

8、同时激光对电弧有引导和聚焦作用，使焊接过程稳定性提升。 (5) 利用电弧焊填丝可改进焊缝成份和性能。对焊接特种材料或异种材料有主要意义。第1章 激光焊接11第11页激光+电弧复合焊接优点（之一）：一、激光-电弧复合焊接效率显著提升。 效率高原因： （一）较高能量密度造成了较高焊接速度，工件对流损失减小； （二）两热源相互作用叠加效应。 比如， 焊接钢时，激光等离子体使电弧更稳定，同时，电弧也进入熔池小孔，减小了能量损失； 焊接铝时，因为叠加效应几乎与激光波长无关，其物理机制和特征尚待深入研究。第1章 激光焊接12第12页激光+电弧复合焊接优点（之二） ：二、激光-电弧复合焊接能够降低焊接成本。

9、 Laser-TIGHybrid 可显著增加焊速，焊速约为TIG 焊接时两倍；钨极烧损大大减小，寿命增加；坡口夹角减小，焊缝面积与激光焊时相近。 比如，德国阿亨大学 “弗朗和费激光技术学院” 研制了一个激光双弧复合焊接，与激光单弧复合焊相比，焊接速度可增加约三分之一，线能量减小25%。第1章 激光焊接13第13页激光+电弧复合焊接优点（之三） ：三、激光-电弧复合焊接间隙适应性好、焊缝成份和性能可控。 与单纯激光或者单纯电弧焊接相比，能够提升熔深，改进焊缝成形质量。第1章 激光焊接14第14页激光电弧复合布置方式：旁轴式； 同轴式旁轴式-激光和电弧不在同一轴线上。同轴式-激光和电弧在同一轴线上

10、，同轴复合能够在工件表面提供对称热源, 焊接质量不受焊接方向影响而适于三维焊接。 第1章 激光焊接15第15页激光-电弧旁轴式复合激光-电弧旁轴式复合特点 旁轴式复合热源工作头体积较大，对焊接位置和空间要求较高。研制简单。存在问题：A、热源为非对称性，难以用于曲线或三维焊接。B、电弧与激光聚焦光斑相互位置对焊接过程稳定性影响大缺点。第1章 激光焊接16第16页YAG激光束-电弧复合焊接 电极布置第1章 激光焊接17第17页激光-电弧同轴式复合方法一方法一： 在钨极中心加工一个小孔，让激光束从钨极中心经过。采取空心钨极所形成电弧作为辅助热源，激光束从电弧中心低电流密度区穿过，直达工件表面，在工件

11、表面提供对称热源, 焊接质量不受焊接方向影响而适于三维焊接。其增加熔深效果显著优于旁轴式复合热源。 这种方法缺点是需要在钨极加工一个中心孔，大大增加了钨极损耗, 降低了电弧热效率，而且无法用于激光与MIG复合焊接。第1章 激光焊接18第18页激光-电弧同轴式复合方法二方法二： 现在，有学者研制出一个新CO2激光-MIG同轴复合焊接技术。 经过改变激光光束功率密度分布，使电极处于功率密度为零光束中心，这么就能够在不影响光束能量传输条件下实现激光与电弧同轴复合。 这种复合方法适于CO2 和YAG激光与TIG、MIG任何一个组合，含有普遍性。 第1章 激光焊接19第19页激光-电弧同轴复合（CO2激

12、光+MIG）弱点克服详细方法介绍： 首先由一个分光镜将入射激光分为两束对称分布光束。而MIG焊电极由双光束中间送入。 因为双光束是非封闭，电极引入能够完全避开光束传输路径。然后采取聚焦系统将双光束从电极两侧对称地聚焦在焊丝送进方向前端同一位置，这么就能够在焊丝不影响光束传输情况下实现激光与电弧同轴。 即使分光后每束光束本身与电弧含有一定夹角（该夹角在允许焊枪送进前提下尽可能小），但因为双光束对称轴与电弧轴线重合，经聚焦后光束分布在工件表面附近激光能量分布已经与单束光一致且与电弧同轴。 而普通旁轴复合焊电弧是倾斜作用在工件表面，为工件提供是非对称热源。第1章 激光焊接20第20页激光-电弧同轴复

13、合实现方法示意图第1章 激光焊接21第21页激光-电弧同轴式复合工作原理和实物 如图所表示是CO2 激光+脉冲MIG 同轴复合焊试验系统示意图。 激光器为3kW CO2 激光器，激光束经光路系统传输到复合焊矩，并最终聚焦在工件表面。 焊接系统采取自适应脉冲MIG焊机，焊接时工件接负。图中复合焊矩是由一组光学变换器件和一个焊接电极导入机构组成，其中光学变换头能够实现将激光束分为双光束,然后再经两个聚焦镜将双光束聚焦在同一位置，而焊丝(电极) 则从双光束中间送入，并处于光束中心,最终能够在工件表面会聚成一个激光光斑与电弧复合同轴热源。 图4 所表示是CO2-MIG同轴复合焊矩照片。 第1章 激光焊

14、接22第22页Intelligent CO2 laser arc hybrid welding head 智能CO2激光-弧复合焊接头，含有焊缝跟踪、配置MAG枪The welding head is designed to provide a maximum beam diameter of 50 mm and laser power of more than 12 kW. 焊接头由线性和旋转轴组成。Photo of welding head with process monitoring system, seam tracker and MAG welding torch第1章 激光焊接2

15、3第23页在单纯激光焊接条件下。因为铝反射率很高。极难形成焊缝。图5 所表示是在脉冲MIG 焊接规范固定（焊接电流150A ,焊接电压25V，送丝速度为5. 5m/ min）。而改变激光功率条件下取得焊缝成形照片。 能够看出，在相同MIG 焊接规范下，伴随复合激光功率增加，焊缝成形质量显著提升。在单独MIG焊时, 熔深较浅，焊缝铺展效果最差 (图5a) 。激光功率1000W 时，即使熔深没有显著改变但焊缝铺展效果已大大好转 (图5b) 。当激光功率增加到1400W 时，已经形成良好焊缝表面形状，且熔深增加 (图5c) 。继续增加激光功率至1800W，熔深显著增加 (图5d) 。 不一样功率下复

16、合焊铝分析第1章 激光焊接24第24页图7 是激光功率分别为1400W 和1800W , 激光分别在电弧前方和后方时焊缝成形照片。可见, 激光与电弧前后关系对焊缝成形影响并不一致, 其影响机理还需深入深入研究。电弧和激光不一样排列次序焊接分析第1章 激光焊接25第25页复合焊、激光焊、电弧焊焊缝比较第1章 激光焊接26第26页激光TIG复合焊接特点 激光与TIG复合焊接特点是：1、利用电弧增强激光作用，可用小功率激光器代替大功率激光器焊接金属材料；2、在焊接薄件时可高速焊接；3、可增加熔深，改进焊缝成形，取得优质焊接接头；4、能够缓解母材端面接口精度要求。 比如，当CO2激光功率为0.8KW，

17、TIG电弧电流为90A，焊接速度2m/min 时，可相当5KWCO2激光焊机焊接能力， 5KWCO2激光束与300ATIG电弧复合，焊接速度0.55m/min 时，取得熔深是单独使用5KWCO2激光束焊接时1.31.6倍。第1章 激光焊接27第27页激光MIG复合焊接特点 近年来研究表明，激光MIG复合热源焊接在中厚板焊接中拥有比较显著优势。 该焊接方法经过调整电弧与激光相对位置，可有效地改进焊接适应性，提升对大间隙适应性，改进焊缝成形，同时，输入电弧能量能够调整冷却速度，进而改进微观组织。 在激光与电弧相互作用下，焊接过程变得愈加稳定，而且在增加熔深同时提升焊接速度。焊接时，热输入相对较小，

18、也就意味着焊后变形和焊接残余应力较小，这么能够降低焊接装夹、定位、焊后矫形处理等时间。 另外，这一方法较突出特点是本身能够比较稳定地填丝，从而比较轻易改进焊缝冶金性能和微观组织结构。第1章 激光焊接28第28页激光等离子弧复合焊接特点 激光-等离子复合采同轴方式，等离子弧由环状电极产生，激光束从等离子弧中间穿过，等离子弧主要有两个功效： 1、为激光焊接提供额外能量，提升焊接速度，进而提升整个焊接过程效率； 2、等离子弧围绕在激光周围，能够产生热处理效果，延长冷却时间，也就降低了硬化和残余应力敏感性，改进了焊缝微观组织性能。 英国N.Blundell等人采取等离子弧辅助激光，对0.16mm厚锌板

19、进行高速焊接，发觉该方法不会有激光焊接中一些缺点，而且因为电弧速度高达90m/min时电弧也没有出现不稳定状态。而在一样条件下，单独激光焊接在48m/min时就已经出现焊接缺点。 这项研究最早始于英国Covertry大学先进连接中心，他们主要研究金属薄板高速焊接，提出采取第二种辅助热源增强激光，提升焊接薄板（小于0.25mm）焊接速度，不过最高只能到达30m/min速度，就出现电弧不连续和焊道隆起现象。以上几项研究使得人们对复合热源焊接提升焊接速度有了比较清楚认识。第1章 激光焊接29第29页双激光束焊接技术特点（一） 在激光焊接过程中，因为激光功率密度大，焊接母材被快速加热熔化、汽化，生成高

20、温金属蒸汽。在高功率密度激光继续作用下，很轻易生成等离子体云，不但减小工件对激光吸收，而且使焊接过程不稳定。 假如在较大深熔小孔形成后，减小继续照射激光功率密度，而已经形成较大深熔小孔对激光吸收较多，结果激光对金属蒸汽作用减小，等离子体云就能减小或消失。 因而，用一束峰值功率较高脉冲激光和一束连续激光，或者两束脉冲宽度、重复频率和峰值功率有较大差异脉冲激光对工件进行复合焊接，在焊接过程中，两束激光共同照射工件，周期地形成较大深熔小孔，后适时停顿一束激光照射，可使等离子体云很小或消失，改进工件对激光能量吸收与利用，加大焊接熔深，提升焊接能力。第1章 激光焊接30第30页双激光束焊接技术特点（二）

21、 试验研究了用两束钕钇铝石榴石激光对10mm厚304不锈钢板进行复合焊接，其中一束为峰值功率较高脉冲激光，另一束为调制矩形波连续激光。 在总平均功率为2.9KW和焊接速度为5mm/s，选择最正确脉冲能量密度时，取得最大熔深为7.3mm。相比之下，当采取平均功率为2KW调制矩形波连续激光和功率为1KW连续激光相配合时，总平均功率也为2.9KW，得到最大熔深超出5mm。 观察发觉，在形成较大深熔小孔后，停顿高峰值功率脉冲光束照射，在连续激光束继续作用过程中，激光火焰熄灭；最大熔深和激光火焰熄灭时间之间存在着严格关系。 这种现象说明，较高峰值功率脉冲激光和连续激光复合焊接时，在形成较大深熔小孔后，较

22、高峰值功率脉冲激光停顿照射，功率密度减小，可使等离子体云消失。所以，较高峰值功率脉冲激光辅助作用能够加大焊接熔深，提升焊接能力和激光能量利用率，同时改进焊接稳定性。第1章 激光焊接31第31页激光电弧复合焊接在汽车中应用（1） 伴随近年来车辆运输设备轻量化发展，汽车车身结构由空间框架向铝复合车体开始发展。伴随大断面铝型材生产和焊接技术不停进步，铝合金在汽车中应用也不停增加，当前，汽车铝车身主要采取激光焊接工艺，因为光束直径很细，要求坡口装配间隙小于0.5mm精度，跟踪精度很高，一开始还未形成熔池时热效率很低。 另外，还存在着设备成本高、工件准备工序要求严格等问题。这些问题能够经过激光电弧复合焊

23、接处理。 因为电弧焊复合，熔池宽度增加，使得装配要求降低，焊缝跟踪轻易。因为电弧能够处理初始熔化问题，使铝合金对激光反射降低，提升了激光吸收率，从而能够大大降低激光器输出功率，降低使用激光器功率。同时电弧焊气流也能够处理激光焊金属蒸气屏蔽问题，从而防止表面凹陷形成咬肉，而激光焊深熔和快速、高效、低热输入特点仍保持。第1章 激光焊接32第32页激光电弧复合焊接在汽车中应用（2） 在德国汽车工业中，大众汽车工程企业T.GRAF等人自主开发了用于汽车车身制造激光MIG复合焊接机头， 该机头安装在弧焊机器人手臂上，几何尺寸小，适合任何空间位置焊接，在各个方向上调整精度到达0.1mm。大众汽车工程企业辉腾(Phaeton)系列车型全部车门都应用了激光电弧复合焊接，在其前车门中有7处接头采取是熔化极气体保护电弧焊，焊缝长度为380mm；11处接头利用激光焊接而成，焊缝长度为1030mm；48处接头使用则是激光电弧复合焊接方法，焊缝长度高达3570mm。 大众汽车工程企业Phaeton车型用2种铸铝材料激光电弧复合焊接接头，其焊丝采取是直径为1.6mmAlSi12材料，焊接速度4.2m/min，送丝速度6.5m/min，激光功率2.9KW保护气体为Ar。激光与电弧结合取得了比激光单独焊接更大熔池以及较宽熔根。第1章 激光焊接33第33页激光电弧复合焊接技术在造船工