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激光复合焊接新技术

发布时间：2009-10-20 所属分类：行业动态点击率：429

　　摘要：概述了激光复合焊接的特点，介绍了几种不同的激光复合焊接技术并分析了激光复合焊接技术的应用，最后得出激光复合焊是激光焊接的一种发展新趋势。
　　关键词：激光焊接激光复合焊接
1 引言
　　激光焊接是20世纪70年代发展起来的高能束熔化焊方法,具有加热集中、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的应用。然而激光焊接对于焊件的装配精度要求高,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、接头性能恶化的工艺问题；同时,激光焊接设备一次性投资比常规焊接方法大得多。为此，有必要对激光焊接技术进一步改善,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。将普通热源与激光相结合起来的复合焊接技术是近年来的一个重要发展方向。近年来,美国、日本、德国十分重视复合激光焊接技术的研究并已开发多种复合激光焊接技术。
2 几种不同的激光复合焊接技术及其优点
　　2.1 激光－高频感应复合焊接技术
　　电磁感应是一种依赖于工件内部产生的涡流电阻热进行加热的方法,与激光一样属非接触性环保型加热,加热速度快,可实现加热区区域和深度的精确控制,特别适合于自动化材料加工过程,已在工业上得到了广泛的应用。将电磁感应和激光两种热源结合起来,开发复合激光焊接技术,一方面实现焊接过程的同步加热或后热,控制焊接接头的冷却速度,防止焊接裂纹的产生,改善焊接接头的组织和性能;另一方面是改善材料对激光的吸收,可在激光功率一定的情况下进一步提高焊接熔深,保证焊缝成型,提高焊接制造质量的可靠性。美、德等国已有人开始利用电磁感应进行激光焊接同步加热或后热,成功地防止了一些易裂材料焊接裂纹的产生,如1mm厚高强钢ZstE180BH 和ZstE340 板坯拼焊,碳含量0.25%的SAE1050钢汽车安全轴激光焊接。
　　2.2 激光－电弧复合焊接技术
　　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的研究与发展。近年来，研究人员已经重新把注意力转移到这项技术上，并且尝试着结合激光与电弧的各自优点使两者获得最佳配合。
　　激光焊接由于产生了等离子体云，使能量利用率降低；而且等离子体对激光的吸收与正负离子密度的乘积成正比。如果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，激光的吸收率大大提高。同时，电弧也对焊接母材进行预热，使母材温度升高，也使激光的吸收率进一步提高。所以，焊接熔深大大增加。另外，电弧的能量利用率高，从而使总的能量利用率提高。激光焊接由于热作用区域很小，母材端面接口容易发生错位。而电弧的热作用范围较大，可以缓和对接口的要求，减少错位；同时由于激光束对电弧的聚焦、引导作用，电弧的焊接质量和效率得到提高。激光焊接时峰值温度高，温度梯度大，冷却、凝固很快，容易产生裂纹和气孔。电弧的热作用范围、热影响区较大，使温度梯度减小，降低冷却速度，使凝固过程变得缓慢，减少或消除气孔和裂纹的生成。由于电弧焊接容易使用添加剂，可以填充间隙，采用激光电弧复合焊接的方法能减少或消除焊接后接口部位的凹陷。
　　目前，科研工作者大量研究的激光－电弧复合热源焊接的形式主要有以下几种：
　　2.2.1激光－TIG复合焊接
　　激光与TIG复合焊接的特点是：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，改善焊缝成形，获得优质焊接接头；4、可以缓和母材端面接口精度要求。例如，当CO2激光功率为0.8KW，TIG电弧的电流为90A，焊接速度2m/min 时，可相当5KW的CO2激光焊机的焊接能力,5KW的CO2激光束与300A的TIG电弧复合，焊接速度0.5～5m/min 时，获得的熔深是单独使用5KW的CO2激光束焊接时的1.3～1.6倍。
　　2.2.2激光－等离子弧复合焊接
　　激光等离子复合采同轴方式,等离子弧由环状电极产生，激光束从等离子弧的中间穿过，等离子弧主要有两个功能：1、为激光焊接提供额外的能量，提高焊接速度，进而提高整个焊接过程的效率；2、等离子弧环绕在激光周围，可以产生热处理的效果，延长冷却时间，也就减少了硬化和残余应力的敏感性，改善了焊缝的微观组织性能。
　　英国的N.Blundell等人采用等离子弧辅助激光，对0.16mm的厚锌板进行高速焊接，发现该方法不会有激光焊接中的一些缺陷，而且由于电弧速度高达90m/min时电弧也没有出现不稳定状态。而在同样的条件下，单独激光焊接在48m/min时就已经出现焊接缺陷。这项研究最早始于英国Covertry大学的先进连接中心，他们主要研究金属薄板的高速焊接，提出采用第二种辅助热源增强激光，提高焊接薄板（小于0.25mm）的焊接速度，但是最高只能达到30m/min的速度，就出现电弧不连续和焊道隆起的现象。以上几项研究使得人们对复合热源的焊接提高焊接速度有了比较清晰的认识。
　　2.2.3激光－MIG复合焊接
　　近年来的研究表明，激光－MIG复合热源焊接在中厚板焊接中拥有比较明显的优势。该焊接方法通过调节电弧与激光的相对位置，可有效地改善焊接适应性，提高对大间隙的适应性，改善焊缝成形，同时，输入的电弧能量能够调节冷却速度，进而改善微观组织。在激光与电弧相互作用下，焊接过程变得更加稳定，而且在增加熔深的同时提高焊接速度。焊接时，热输入相对较小，也就意味着焊后变形和焊接残余应力较小，这样可以减少焊接装夹、定位、焊后矫形处理等的时间。另外，这一方法的较突出的特点是自身能够比较稳定地填丝，从而比较容易改善焊缝冶金性能和微观组织结构。
　　2.3 双激光束焊接技术
　　在激光焊接过程中，由于激光功率密度大，焊接母材被迅速加热熔化、汽化，生成高温金属蒸汽。在高功率密度的激光的继续作用下，很容易生成等离子体云，不仅减小工件对激光的吸收，而且使焊接过程不稳定。如果在较大的深熔小孔形成后，减小继续照射的激光功率密度，而已经形成的较大深熔小孔对激光的吸收较多，结果激光对金属蒸汽的作用减小，等离子体云就能减小或消失。因而，用一束峰值功率较高的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的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，后适时停止一束激光的照射，可使等离子体云很小或消失，改善工件对激光能量的吸收与利用，加大焊接熔深，提高焊接能力。
　　试验研究了用两束钕－钇铝石榴石激光对10mm厚的304不锈钢板进行复合焊接，其中一束为峰值功率较高的脉冲激光，另一束为调制矩形波的连续激光。在总的平均功率为2.9KW和焊接速度为5mm/s，选择最佳脉冲能量密度时，获得的最大熔深为7.3mm。相比之下，当采用平均功率为2KW的调制矩形波连续激光和功率为1KW的连续激光相配合时，总的平均功率也为2.9KW，得到的最大熔深超过5mm。观察发现，在形成较大深熔小孔后，停止高峰值功率的脉冲光束的照射，在连续激光束继续作用的过程中，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的关系。这种现象说明，较高峰值功率的脉冲激光和连续激光复合焊接时，在形成较大深熔小孔后，较高峰值功率的脉冲激光停止照射，功率密度减小，可使等离子体云消失。因此，较高峰值功率的脉冲激光的辅助作用能够加大焊接熔深，提高焊接能力和激光能量利用率，同时改善焊接的稳定性。
3 激光复合焊接技术的应用
　　激光－高频感应热源复合焊接因高频感应预热,热影响区温度梯度较低,激光被工件吸收利用的比率增高,可改善焊接后的微观组织,提高焊缝强度,消除裂纹、气孔、变形,提高焊接速度,但需要专用装置,适于管类工件,且工件必须能被电磁感应。双激光束焊接因为激光功率密度周期地改变,吸收和散射激光能量的等离子体云不能维持,激光能量利用率提高、焊接熔深加大,可以焊接较厚的材料,但要求两束激光的频率和峰值功率适当匹配。国内关于激光—电弧复合热源焊接实际应用的相关报道较少，国外尤其是德国对此项技术的研究较深入。激光－电弧复合焊接广泛应用于汽车、造船等工业。
　　3.1 激光－电弧复合焊接在汽车中的应用
　　随着近年来车辆运输设备的轻量化发展，汽车车身结构由空间框架向铝复合车体开始发展。随着大断面铝型材的生产和焊接技术的不断进步，铝合金在汽车中的应用也不断增加，目前，汽车铝车身主要采用激光焊接工艺，由于光束直径很细，要求坡口装配间隙小于0.5mm精度，跟踪精度很高，一开始尚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。这些问题可以通过激光—电弧复合焊接解决。由于电弧焊的复合，熔池宽度增加，使得装配要求降低，焊缝跟踪容易。由于电弧可以解决初始熔化问题，使铝合金对激光的反射减少，提高了激光的吸收率，从而可以大大降低激光器的输出功率，减少使用激光器的功率。同时电弧焊的气流也可以解决激光焊金属蒸气的屏蔽问题，从而避免表面凹陷形成的咬肉，而激光焊的深熔和快速、高效、低热输入特点仍保持。
　　在德国汽车工业中，大众汽车工程公司的T.GRAF等人自主开发了用于汽车车身制造的激光—MIG复合焊接机头，如图6所示。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，在各个方向上的调节精度达到0.1mm。大众汽车工程公司辉腾(Phaeton)系列车型的所有车门都应用了激光—电弧复合焊接，在其前车门中有7处接头采用的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处接头使用的则是激光—电弧复合焊接方法，焊缝长度高达3570mm。大众汽车工程公司Phaeton车型用2种铸铝材料的激光—电弧复合焊接接头，如图所示，其焊丝采用的是直径为1.6mm的AlSi12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。从图中可以看出，激光与电弧的结合获得了比激光单独焊接更大的熔池以及较宽的熔根。
　　3.2 激光－电弧复合焊接技术在造船工业中的应用
　　从使用传统的焊接方法转变为采用激光焊接的主要理由就是为了提高生产效率，然而造船厂的一些特殊情况往往又会阻止原先设想的发挥。举例来说，激光焊接能够接受最大的焊件接头间隙是0.1～0.2mm，虽然采用机械加工的方法可以满足要求，但会大大增加成本，因此造船厂在实际生产中普遍采用填丝激光焊接，以使熔接的搭桥能力增大至0.4mm。但是在使用填丝激光焊接的时候，将会有部分的激光能量被消耗在熔化冷的填充焊丝上，在此情况下，为了维持深熔焊接就不得不牺牲一些焊接速度。而若用激光电弧混合焊接来代替，由电弧焊向焊缝中填充熔化焊丝，则更多的激光能量可以被释放用于深熔焊。丹麦Odense船厂在一项激光焊接角焊缝的研究试验中，把激光填丝焊改为激光复合焊后，提高了激光焊接的速度和能量效率，具体数据见表1。

表1不同激光焊接方法热能效率的比较

焊接方法	焊接速度 v/mm?min-1	单位长度激光能量消耗量 W/kJ? min-1	单位激光能量的焊接熔化量 V/mm3 ?kJ-1
激光填丝焊	750	324	40.3
激光焊	1000	220	43.2
激光复合焊	2500	175	58.7

　　德国Meyer船厂采用Trumpf 12kw CO2激光源和Fronius TSP 5000 数字式焊接电源，分别选择了激光—电弧复合焊接和其他焊接方法进行了平焊缝和角焊缝的焊接试验(无衬垫)，对比结果如表2所列。

表2激光复合焊与其他焊接方法试验数据的比较

焊接方法	绝对焊接速度 /％	焊件厚度 δ/mm	接头间隙 a/mm	焊接变形量 Δ/mm? ns-1	焊件冶金特性	焊件疲劳试验
埋弧焊	100	<12	2～5	<1.5	无影响	较好
激光复合焊	300	<15	0～1	<0.2	无影响	好
激光填丝焊	150	<15	0～0.4	<0.1	有影响	临界状态

　　激光—电弧复合焊接作为一门全新的工艺技术，在造船业应用的许多方面体现出其独特的优势，尤其是它使熔接的搭桥能力得到加强，最大的焊件间隙可以放宽至1mm，大大减小了船舶建造中焊前装配的工作量和加工成本；适用范围广、综合加工能力强，可以提高工效，缩短作业时间，降低成本支出。而对欧洲造船业主要船舶产品来说，激光—电弧复合焊接的另一个主要优点就在于，焊接变形非常小，焊后的修整工作量大为减少。
4 结束语
　　激光复合焊接技术由激光与其它热源的相互作用，焊接速度提高了，焊接周期缩短了，而且达到同样的焊接目的所需的激光功率大大降低，这些都能使焊接成本大大降低。另外，这种方法能够改善某些材料的可焊性，像铝合金、异种材料等。因此，激光复合焊接技术无论从工艺角度，还是从经济角度来看都具有广阔的发展和应用前景。

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