激光電弧復(fù)合熱源焊接技術(shù)及其應(yīng)用

無錫漢神電氣有限公司自動化事業(yè)部 蔡偉樂

一、概述

激光電弧復(fù)合熱源焊接技術(shù)是1976年由英國學(xué)者W.Steen首次提出的，幾十年來，人們從未停止過對激光復(fù)合熱源焊接技術(shù)的研究。它是將激光與電弧兩種截然不同的熱源復(fù)合在一起，同時(shí)作用于同一零件的待焊位置，既發(fā)揮了兩種熱源的優(yōu)勢，又彌補(bǔ)了各自的不足，成為一種全新高效的焊接方法。

激光電弧復(fù)合熱源至少是一種激光熱源(CO2、YAG、光纖等)與一種弧焊熱源(TIG、Plasma、MIG/MAG等)的組合，激光-MIG復(fù)合熱源因其具有焊接效率高、間隙適應(yīng)性好、焊縫成分和性能可控等優(yōu)點(diǎn)，正在成為工業(yè)生產(chǎn)中最重要的激光焊接方法之一。

我公司聯(lián)合華中科技大學(xué)、南京理工大學(xué)相關(guān)教授共同組建了激光電弧復(fù)合熱源焊接裝備技術(shù)研究中心，成功開發(fā)了激光-PMIG復(fù)合熱源焊接裝備，可廣泛應(yīng)用于汽車、造船、航空航天及管道鋪設(shè)等行業(yè)。

二、激光-PMIG復(fù)合熱源焊接裝備

（1）系統(tǒng)構(gòu)成 漢神激光電弧復(fù)合熱源焊接裝備由一體式復(fù)合焊炬、機(jī)器人系統(tǒng)、控制主機(jī)、激光器、MIG電源和送絲裝置等組成（見圖1）。

圖1 復(fù)合焊炬

（2）主要技術(shù)參數(shù)及功能 一體式復(fù)合焊炬由Precitec W30激光焊接頭和彎柄MIG焊槍組成，整套設(shè)備的配置及參數(shù)如附表所示。

設(shè)備技術(shù)參數(shù)

（3）焊接工藝優(yōu)勢 激光電弧復(fù)合熱源焊接技術(shù)與常規(guī)的激光焊相比，具有焊縫橋接能力強(qiáng)、裝配要求低的特點(diǎn)；與電弧焊相比，具有焊接熱輸入低、焊接變形小的優(yōu)勢；同時(shí)，還能增加熔深，提高焊接速度，激光與電弧能量協(xié)同耦合，達(dá)到1+1>2的效果。

具體工藝優(yōu)勢如下：

第一，激光與電弧相互作用，增加焊縫熔深，如圖2所示。

圖2 復(fù)合焊縫結(jié)構(gòu)分析

第二，提高對焊接接頭的適應(yīng)性，熔池金屬的橋接能力增強(qiáng)，如圖3所示。

圖3 焊縫橋接能力增強(qiáng)（0.2mm間隙）

第三，激光束對電弧的壓縮和引導(dǎo)，提高了焊接過程穩(wěn)定性，如圖4所示。

圖4 錯邊量2.5mm

第四，改善焊縫微觀組織，減少或消除氣孔、裂紋等焊接缺陷，如圖5、圖6所示，焊縫組織致密，晶粒細(xì)小，熱影響區(qū)尺寸較小，僅為300μm。

圖5 焊縫金相組織

圖6 焊縫-熱影響區(qū)-母材金相組織

第五，提高生產(chǎn)效率，降低設(shè)備成本。

第六，對于某些對激光反射率較高的材料，譬如鋁合金和銅合金，利用復(fù)合熱源焊接可以提高材料對激光的吸收率。

第七，選擇不同的焊絲，還可調(diào)整焊縫的化學(xué)成分，改善力學(xué)性能。

三、激光電弧復(fù)合焊接技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域

1. 汽車行業(yè)的應(yīng)用

目前，激光焊接技術(shù)在汽車行業(yè)中的應(yīng)用越來越廣泛，可以顯著提高汽車的安全性，同時(shí)降低車身重量，節(jié)能降耗。但由于激光光束直徑很小，所以裝配精度要求很高，且一開始尚未形成熔池時(shí)熱效率很低。另外，激光焊接還存在設(shè)備成本高、裝配工序嚴(yán)格等問題。激光電弧復(fù)合焊接工藝可有效彌補(bǔ)上述不足。電弧可以加速初始熔化，使材料對激光的反射減少，提高了吸收率，從而可以大大降低激光器的功率。同時(shí)弧焊氣流還可以解決激光焊金屬蒸氣的屏蔽，避免形成表面凹陷，強(qiáng)化激光的深熔焊及快速、高效、低熱輸入等特點(diǎn)。

德國大眾汽車激光電弧復(fù)合焊工藝運(yùn)用的最成熟，其高端Phaeton D1所有車門均采用激光-MIG復(fù)合焊接技術(shù)，如圖7、圖8所示。

圖7 大眾汽車焊裝生產(chǎn)線

圖8 邁騰全車激光焊接分布

2. 造船行業(yè)的應(yīng)用

美國Navy Joining Center (NJC) 對船體結(jié)構(gòu)的激光復(fù)合熱源焊接與傳統(tǒng)弧焊工藝進(jìn)行比較，針對傳統(tǒng)弧焊的弊病，如焊接速度慢、效率低、熱變形大，得出如下優(yōu)勢：降低激光成本；生產(chǎn)廠家現(xiàn)有的設(shè)備條件可以利用；接頭的幾何形狀具有更大的可控性，有利于提高疲勞強(qiáng)度，延長壽命。

美國的Bender造船所是第一個使用激光器的造船所，初期主要進(jìn)行激光切割，可切割4m×40m鋼板，最大切割厚度30mm。目前其與Caterpillar、Alabama Laser、EWI等研究機(jī)構(gòu)合作，已經(jīng)將復(fù)合焊接技術(shù)用于生產(chǎn)。

歐洲在厚板激光電弧復(fù)合熱源焊接方面也進(jìn)行了大量系統(tǒng)研究，處于國際領(lǐng)先水平。瑞士、德國、法國和丹麥等國合作專門針對厚板結(jié)構(gòu)件，采用CO2和Nd:YAG激光器，進(jìn)行高效、可靠的激光復(fù)合焊接研究，可以實(shí)現(xiàn)30mm厚鋼板焊接，鋼板屈服強(qiáng)度180～690MPa，如圖9所示。

圖9 復(fù)合熱源焊接接頭(15～30mm)

3. 航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用

在航空航天制造業(yè)中，新材料的應(yīng)用越來越多，也推動了與之對應(yīng)的新型焊接方法的發(fā)展，鋁鋰合金的激光復(fù)合焊就是其中的一種，如圖10所示。

圖10 激光-MIG復(fù)合焊接5A90鋁鋰合金（P=1800W，v=2m/min，I=130A）

采用激光電弧復(fù)合焊接鋁鋰合金，能提高熔深和焊接速度，放寬對接焊縫的間隙限制，增加工件的裝配裕度。由于電弧對激光的輔助作用，故可以增強(qiáng)對鋁這樣的高反射率金屬的焊接能力，提高焊接性及焊接穩(wěn)定性。

4. 管道行業(yè)的應(yīng)用

圖11 移動式激光復(fù)合焊接設(shè)備野外管道鋪設(shè)

西氣東輸項(xiàng)目中已成功采用管道（見圖11）全位置激光電弧復(fù)合焊接裝備，大大提高了管道鋪設(shè)的質(zhì)量和效率。