激光与电弧复合焊接技术
・6・
焊接2004(3)
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I专题综述l
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激光与电弧复合焊接技术
哈尔滨工业大学现代焊接生产技术国家重点实验室(150001)机械科学研究院哈尔滨焊接研究所(150080)
王威李丽群
王旭友齐秀滨
卜大川
摘要综述了激光一电弧复合热源焊接的国内外研究状况,总结了激光一电弧复合热源焊接的物理特性,并对激光一电弧复合方式的焊接特点、研究状况、应用范围作了论述。
关键词:激光焊接电弧焊接复合热源
LASERARCHYBRID
WELDDqGTECHNIQUE
Wang
Liq蚰
Xiubin,BuDachuan
HarbinInstithte0fTechn0109yHarbinWeldingInstitute
wei,Li
WangXuyou,Qi
arc
AbstI。act
Inthispaper,thedeVelopmentandapplicationoflaser
are
hybridweldingtechnique
are
introduced.
status
FuI。quo
thermore,thephysicalpropeniesofhybridweldingprocessandapplicationscopeof
summ赫zed.
Theweldingchamcteristics,study
difkrenthybridmethods
are
demonstrated.
Keywords:
laser
be舢welding,
arc
welding,
hybridheat
source
0前言
在激光束的辐射下,金属汽化、电离产生高温、高密度的激光等离子体。在激光焊接时,等离子体吸收、散射激光能量,降低激光束的穿透能力和焊接效率,它是不利因素。然而,当激光与电弧复合后,等离子体的作用有所不同,激光等离子体为电弧提供了一条导电通道,该通道的电阻最小,因此,大部分电子通过该通道流人工件,电弧的体积被压缩了。随着电弧的体积被激光压缩,电弧的电流密度也增加了。
图1为V.V.Avilov。1。应用“阳极间隙法”测量的激
在工业生产中,激光束焊接是一种很有前景的连接工艺,因为它能够在较高的焊接速度及较低的热输入下,获得深而窄的焊接接头,但成本较高。气体保护焊虽成本较低,在焊接特性上又有一定的局限性,如焊接速度和熔深受到限制、热输入量大、易导致变形等。
将两种焊接方法结合在一起,可有效地提高焊接效率,电弧熔合区较宽,可增加间隙的适应性,且可以进行填丝,改善焊缝的组织性能。激光与电弧相互作用既可以提高电弧的引燃率,增加电弧的稳定性,同时又可大大提高热能的利用率。
1
光与电弧复合前后的电流密度。可以看出,激光改变了电弧的工作模式,使电弧电流在激光聚焦点处更为集中,复合激光后电弧的电流密度能够提高2~4倍。1。2激光引导电弧
电弧焊接阳极区的导电机构主要是电场电离形成的阳极斑点,而且通常阳极斑点容易漂移,当加入激光后,激光焊接形成的小孔附近的等离子体为电弧体提供了一个非常稳定的阳极斑点,而且小孔处温度较高,从而导致电弧偏向小孔处。这种现象在高速焊接时尤为明显。对于电弧焊接,当焊接速度超过2m/min时,
复合热源焊接技术的物理特性
激光一电弧复合的形式一般是气态或固态激光器与TIG、MIG或等离子弧复合。在复合两种热源的过程中,形成了一种增强适应性的焊接方法。激光与电弧相互作用机理主要包括以下几方面。1.1激光压缩电弧
万方数据
焊接2004(3)
就不能够形成稳定的电弧,而复合激光后,即使焊接速度提高到10rn/min,电弧仍然被牢牢地固定在激光焊接所形成的小孔处。
图1
单独TIG电弧和激光一TIG复合电弧的电流密度分布
另外,加入激光能够使电弧引燃变得更容易。图2为交流TIG焊接时的电流极性变化情况。单独交流TIG焊接时,尤其当板料为铝合金时,在电流的负半周不易引燃。当复合激光后,由于激光与电弧之间的相互作用,交流电弧引燃变得很容易。
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TIG+Laser
TIG
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图2交流TIG焊接中激光的引弧作用
1.3电弧稀释激光等离子体
当附加小电流电弧时(约30~50A),激光焊接时的等离子体的密度可以被降低。这种稀释作用能够降低激光焊接时等离子体对激光的散射、吸收,进而增加材料对激光的吸收率,增加熔深。
天津大学的路登平等人口。用stark扩展线宽法
(Stark
Broadened
Linewidth)测定了单独电弧、单独激光
和激光一电弧复合三种情况的电子密度,结果如图3单独激光焊接时,由于激光等离子体的电子密度很高,396.15nm和394.4nm两条谱线严重自蚀。当复合电弧后两条谱线的自蚀现象减弱了。这证明激光
万
方数据・一7・
与电弧复合后使电子的
fLaserl密度降低了,即等离子394.4
O.3793
fLasen
体被稀释了。
但是这种稀释作
用仅限于小电流电弧,
(Laser+TIGl
Laser+TIGl
7
随着电弧电流的增加,396.15电弧的温度也不断升
^}鬻;
fTlCl396.15
高,体积不断膨胀,等
离子体对激光的阻碍fTIG1
作用随之增加,激光的3℃
能量大部分用于加热电弧,导致电弧的体积394.4
396.15
A/nm
进一步膨胀。在这种
图3铝的396.15
nm和394.4nm
条件下的焊缝,熔宽较
发射谱线Stark展开测定
大,熔深反而减小了。
2
激光一电弧复合热源的研究与应用
目前,科研工作者大量研究的激光一电弧复合热
源焊接形式主要有以下几种。
2.1激光一TIG复合焊接
这是人们最早研究的激光一电弧复合热源焊接形式[3,4I。从上世纪70年代末到现在,科研人员始终没有中断对它的研究。激光与TIG复合适合焊接薄板,
激光束产生等离子体和小孔,使得薄板上的阳极斑点更加稳定,大大提高了焊接速度。并且激光复合电弧后,小孔的直径进一步扩大,有利于小孑L中气体逸出,这对于减少焊缝中的气孔非常有帮助。T.P.Diebold_5
o
将激光一TIG复合焊接用于5250铝合金的焊接中,发现应用该方法在铝合金表面上形成质量较好焊缝仅需
要600w的激光功率,这在单独激光焊接时是不可能的。而且,适当调节焊接电流后,激光一电弧复合焊接
的焊接速度最大可达到30.5ⅡL/min。另外,日本的
J.Matsuda等人∽1得到的结果是,当焊接速度位于0.5
~5Ⅱ∥min的区间时,5kw激光能量复合300A的
TIG电弧能量所产生的熔深,是单独5kw激光能量产生熔深的1.3~2.0倍,而且焊缝没有咬边和气孔等缺陷。可以说,他们的研究结果使人们对复合热源的优点有了较直观的认识。
激光一TIG复合方式如图4所示。这种复合技术的有效的应用实例是焊接不等厚板,如汽车底板的焊接及不同壁厚的管道对接等。2.2激光一等离子弧复合
激光与等离子弧采用图5所示的同轴复合方式,
所示。
减
是的目态要主的目项该不,”没要道管效图GAY“的法为图主称名9理目恿项,应处业08方。意不热34生适接形纹到产在该也研焊[以接不合可裂达接项现,复焊围固G这周I焊发能h善接M光在一凝激。改弧,光光只图在缝可的激绕焊陷地意c环接激7高且区图弧示效缺。子示焊所独,合合最缝7离图有如接式等复方电a合性②焊速单复是G可IM弧焊;~光复焊激率向除,子高,构但结织入b离方消置输行G,等热无时够位,I一进度时,h能对光T接板焊激种间速相合一。5锌度空图的复c接n速高光接光镀省束焊焊的i激高节光厚板s提的激与薄时仅两激m同m属)弧m的不冲4m金r深电m熔式/脉究图加节研增方与在e调合且6复mu轴图同F。力争
・8・焊接2004(3)
穿过,等离子弧主要有两个功能:①为激光焊接提供额
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_B1undeu等人l¨采用等离子弧辅助激会有激光焊接中的一些缺陷,而且由于电弧与激光之间的作用,使得电弧非常稳定,即使焊接速度高达90有出现不稳定状态。而在同样条件下,
Ⅱ∥min时就已经出现
究最早始于英国Co.vertry大学【81的先进速焊接,提出采用第二种辅助热源增强激光,提高焊接薄板(小于0.25
H∥min的速度,就出现电弧不连续和焊道隆起的现象。以上几项研究使人们对复合热源焊接提高焊接速度有了比较清晰
3研究了激光一等离子弧复合热源的小构件焊接(厚度<1.5mm),发现在焊接1.27
因为复合焊接降低凝固和冷却速度,进而降低焊缝区的拉伸应力,减小裂纹倾向,如图6所示。任意位置填充焊丝。激光一等离子弧复合焊接主要应用于薄壁件和铝合金的焊接中,主要原因是它能够提2.3激光一MIG复合焊接近年来的研究表明,激光一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
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
少焊接管道的成本和提高焊接管道的工作效率;另一
万
方数据光,对0.16
连接中心,他们主要
的认识。另外,美国的Phillipw
mm厚的6061铝合金时,将连续电弧
激光一等离子弧复合焊接开辟了新的应用领域,
它的低成本和高效率使其在焊接技术中具有很强的竞
高焊接效率。(a)YAG(b)YAC/等离子
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・9・
个是面向造船业,被称作“在焊接船的加强筋条过程中比较激光一MIG复合热源与常规弧焊和激光焊接三者的优点和缺点”,由美国海军连接中心和EWI共同完成,该项目预期的目标是证明复合热源焊接方法能满足美国海军典型船结构材料焊接结构的要求。同年,英国Twl支持海运业的项目之一是“以提高产品质量和提高生产率为目的的激光一电弧复合技术”。另外,德国的Fraunhofer研究所已经令激光一电弧复合焊接技术达到实用化程度,他们研制了一套激光一MIG复合热源焊接储油罐的焊接系统,该系统能够高效率地
焊接5~8mm厚的油罐壁。可见,激光一MIG复合热
工艺能够满足大批量焊接生产的需要。
3结束语
激光一电弧复合热源是一种高效率的焊接方法。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。由于激光与电弧的相互作用,焊接速度提高
了,焊接循环周期缩短了,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。因此激光一电弧复合焊接技术,无论是从工艺角度,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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welding
arc
a
源焊接是一种非常有发展潜力的焊接方法,倍受世界各国的重视。
从以上论述中我们可以看出,激光一MIG复合热源比较适用于中厚板的焊接,因此,它的应用领域主要是造船业、管道运输业和重型车辆制造工业。2.4激光一双MIG复合
HyDRA(HybridWeldingWith
DoubleRapid
Iaser—en—fechnique.
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图8激光一双MIG复合焊接(HyDRA)焊枪结构
9
FuerschbachPhiIlip
W,Sandia.Laserassistedplasma
arc
该方法的最大特点是能够大大提高工作效率。在零间隙时,HyDRA的焊接速度与激光加单电弧复合(Hybrid)相比,能够提高33%,相当于埋弧焊焊接速度的8倍,其单位长度上的热输入相对于Hybrid减少25%,同埋弧焊相比可减少83%。当板厚为5mm,开22。V形坡口时,HyDRA焊接工艺能够不需要衬板,对间隙2mm的焊缝实现无缺陷焊接。可见,这种焊接
10
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arc
Technicalandeconomicaladvantages
bysyne昭ies
hybridwelding.Welding
inthe
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(收稿日期2003
12
22)
作者简介:王威,1976年生,工学硕士,从事激光加工工艺
方面的研究。
万方数据
激光与电弧复合焊接技术
作者:作者单位:刊名:英文刊名:年,卷(期):被引用次数:
王威, 李丽群, 王旭友, 齐秀滨, 卜大川
王威,李丽群(哈尔滨工业大学现代焊接生产技术国家重点实验室,150001), 王旭友,齐秀滨,卜大川(机械科学研究院哈尔滨焊接研究所,150080)焊接
WELDING & JOINING2004(3)7次
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