1、激光电弧复合焊技术介绍 激光-电弧复合焊接技术是 20 世纪 70 年代末由 Steen最先提出并逐渐发展成熟起来的一种优质、高效的新型焊接技术。激光-电弧复合焊是将激光焊和电弧焊两种热源的能量通过一定方式共同作用于工件产生同一个焊接熔池，并通过二者的相互作用来实现材料的优质高效焊接的一种新型焊接方法，也是目前世界焊接技术的研究方向之一，研究内容如图1所示。
图1 激光电弧复合焊接技术研究方向 激光-电弧复合焊接不是激光热源与电弧热源的简单叠加，在焊接过程中两热源会产生一系列的相互作用，并获得“1 + 1 ＞ 2”的协同效应及焊接效果。在电弧焊中，由于电弧能量分布的发散性，材料熔化所涉及的实际能量较低。激光对电弧的引导作用提高了电弧的熔化效率。在激光焊接中，熔融金属对激光能量的吸收率高于固体金属，电弧对熔池的预热作用也有效地提高了材料的吸收效率。因此，复合热源的吸收和转化率优于单一热源。 根据热源主导地位的不同，复合焊接可分为两类：一类为激光增强电弧复合焊，在这种方式中，电弧能量占据主要作用，激光功率较低，不足以形成“小孔”，主要是利用激光在工件上形成的“热点”牵引电弧，减小电弧引燃的阻力来防止电弧弧根的飘移，实现电弧的高速稳定焊接。另一类为电弧辅助激光焊，在这种方式中，激光占据主导地位，通常利用电弧对工件的预热及电弧－激光热源之间的等离子体相互作用来提高桥连性，改善焊接过程稳定性，提高焊接效率。目前，电弧辅助激光焊是复合焊接研究的主流。 与传统焊接方法，激光电弧复合焊接的主要优点是焊接速度和熔深高，桥接性能好装配精度低，工艺稳定性好，因此被广泛应用和研究。激光电弧复合焊接可以焊接各种金属和合金材料，包括高强度钢，高反射材料和活性金属。如今，激光-电弧复合焊接技术越来越广泛地应用于各种工业领域，并可在管道建设、船舶建设、汽车轨道、航空航天等领域发挥其独特优势。 2、激光电弧复合焊接技术研究 （1）激光电弧相互作用研究 激光-电弧复合焊接过程存在激光与电弧复杂的物理效应，因此成为国内外学者研究的热点和难点问题。电弧为低温、低密度等离子体，而激光属高温、高密度等离子体。电弧等离子体通过逆轫致吸收效应衰减激光能量，激光匙孔效应产生的金属蒸汽改变电弧成分，这些物理效应会在一定程度上影响复合焊接焊缝成形、焊接质量及过程的稳定性。 在激光复合焊中，电弧与激光的相互作用主要体现在两个方面：一是激光对电弧的吸引压缩作用，二是电弧对激光的散射、预热工件以提高板材对激光的吸收率。激光对电弧的吸引压缩作用是最普遍的现象，激光产生的等离子体形成电流通道，从而减小了电流通过的阻力，所以会对电弧产生吸引，同时也起到稳定电弧的作用。电弧能强化激光，稀释等离子体，增大激光吸收率；但激光束在电弧的“负透镜效应”下，发生偏折和散焦，影响激光吸收。电弧稀释激光等离子体，降低等离子体对激光能量的吸收、反射，增大激光穿透能力，提升激光能量传输率。 德国汉诺威激光中心为了解释激光压缩、稳定电弧的物理本质，全面、综合地讨论了激光与电弧的相互作用可能存在的五种物理效应：分别是光电效应、激光引导热电子发射、光电流效应、逆轫制吸收、激光诱导等离子体。 哈尔滨工业大学研究了激光与电弧 TIG 同轴复合下激光对电弧形态的影响，发现在小电流条件下激光对电弧具有明显的吸引压缩作用，激光对电弧的增强效应显著，可以获得较深的焊缝，而当电弧电流增大时，由于电弧大量吸收激光能量，电弧反而膨胀，获得较浅的熔深，激光与电弧的增强效应不复存在。 哈尔滨焊接研究所研究人员发现激光电弧之间存在“双导电机制”。发现在激光-电弧复合焊接过程中，除了电弧主导电通道外，在焊丝端部与激光小孔之间建立起了辅助导电通道，被称之为“双导电机制”，使得复合焊接过程中电弧更加稳定，这是激光-电弧复合焊接能在高速焊接条件下实现电弧稳定的重要原因。 目前激光-电弧相互作用机制的研究方面，受测试手段限制，目前的研究还主要停留在通过试验定性验证的阶段，缺乏深刻的定量描述研究。 （2）熔滴过渡研究 在激光和电弧两种热源的作用下，熔滴过渡行为变得十分复杂。液滴过渡对焊接过程的稳定性、外观形成、飞溅和焊接接头质量起着重要作用。复合焊接中的熔滴过渡模式通常包括短路过渡、滴状过渡和喷射过渡。熔滴过渡行为主要包括四个阶段：形成、分离、转移和落入熔池。在激光电弧复合中，金属熔滴转移到熔池的模式、尺寸、频率和稳定性取决于焊接材料的特性、焊接参数、激光功率、激光和电弧热源之间的相互影响、激光到电弧的距离以及其他冶金和物理因素。熔滴受到各种力的作用，如重力、电磁力、等离子体流力、表面张力、金属蒸汽反作用力等综合作用。当液滴上的分离力超过保持力时，液滴与焊丝分离。目前各个国家学者主要研究影响熔滴过渡的以下因素： 光丝间距（DLA）：DLA影响热源的相互耦合效应，从而影响熔滴过渡模式和熔滴过渡频率。当DLA过小时，液滴转移和激光小孔极不稳定，同时产生飞溅增加。另一方面，液滴非常靠近钥匙孔金属蒸气的反作用力非常强，导致熔滴过渡不稳定。DLA在2-4 mm范围内，热源耦合效果良好，增加了激光传输效率和液滴转移更加稳定。当DLA超过6mm时，热源耦合效应迅速减弱，使电弧剧烈波动过程不稳定。 热源引导方式：激光和电弧的不同相对位置对焊缝的表面形成和内部性能有重大影响。热源的布置对激光的吸收效率有很大影响，并对液滴的动态行为、熔池的行为和温度场产生影响。在复合焊接中，激光引导模式还是电弧引导模式对熔滴转移和转移频率起着至关重要的作用。 激光功率：在不同的条件下，激光可以促进和阻碍液滴的转移。激光能量影响电弧形态和电弧等离子体的热传导，影响电子密度和电流密度，并改变电弧长度、液滴尺寸和速度。随着增长在激光功率下，金属蒸气反作用力增强，金属液滴转移受阻，导致焊接过程不稳定。通过调节激光能量来协调电弧电流和电压，可以提高液滴转移的稳定性。 （3）激光电弧复合焊接热源研究 激光电弧复合焊接热源研究主要集中在热源种类、数量以及热源排布方式的研究。激光-TIG 焊复合热源、激光-等离子弧焊复合热源、激光-熔化极电弧焊复合热源，以上热源可以多个进行搭配，且既可以采用旁轴复合也以采用同轴复合。同轴激光-电弧复合焊对设备的要求很高，而且各种焊接参数可调节范围相对较小，增加了制造成本，降低了焊接工艺的适应性，因此目前同轴复合焊的相关研究相对较少。旁轴激光-电弧复合焊接按热源作用在工件上的先后顺序分为激光引导电弧复合焊和电弧引导激光复合焊，两种焊接方式热源作用的顺序不同，对焊接过程和焊后焊缝质量的影响均不同。 3、激光电弧复合焊接应用研究 （1）交通制造领域 在汽车业领域，德国奥迪公司成功运用激光－MIG 复合焊技术生产全铝结构的“奥迪 A8”轿车；日本三菱重工公司在 2003 年就已经将同轴激光－MIG 复合焊技术用于复杂结构车身的焊接。英国 TWI 及德国 BIAS分别于 2008 年和 2009 年开展了用于高速列车用铝合金激光-MIG 复合焊技术的开发。日本在 2008 年建成激光-MIG 复合焊接生产线，用于高速列车铝合金车体的焊接。我国近年来年将激光电弧复合焊应用于600公里磁悬浮列车车体以及地铁枕梁、高铁车体焊接。 （2）工程机械领域 哈尔滨焊接研究所在2012年首次实现了大吨位全地面起重机高强钢伸臂的激光-双丝MAG复合焊，。近年来，徐州工程机械集团有限公司、三一重工股份有限公司等均采用了激光-电弧复合焊，稳定、高效地实现了吊臂主焊缝的单面焊双面成形，接头的拉伸、冲击等性能均满足相关工程应用标准。 （3）船舶工程领域 2002年，Meyer 船厂建立起第一条激光复合焊接生产线用于船体甲板的焊接，芬兰的KVAERNER 船厂、意大利的FINCANTIERI 船厂是应用复合焊的几家典型造船厂。美国海军将激光-MIG 电弧复合焊接技术应用于船用厚钢板的焊接上。国内烟台莱福士船厂使用了哈尔滨焊接研究所激光电弧复合焊接装备，上海外高桥造船有限公司、招商局重工（江苏）有限公司、广船国际有限公司等均引进了德国IMG公司的激光-电弧复合焊接设备；渤海造船厂集团有限公司、沪东中华造船集团有限公司等均建成了激光-电弧复合焊工作站，将其引入到船体制造中。 转自：激光焊接前沿 注：文章版权归原作者所有，本文内容、图片、视频来自网络，仅供交流学习之用，如涉及版权等问题，请您告知，我们将及时处理。 |
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