多熱源復合焊接技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

郭晉昌，彌 寧，寇元哲，崔 凱

(1.隴東學院機械工程學院，甘肅慶陽745000；2.隴東學院化學化工學院，甘肅慶陽745000)

多熱源復合焊接技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

郭晉昌1，彌 寧1，寇元哲1，崔 凱2

(1.隴東學院機械工程學院，甘肅慶陽745000；2.隴東學院化學化工學院，甘肅慶陽745000)

介紹了五種多熱源復合焊接方法，闡述了復合焊與單一焊接熱源焊接相比的優(yōu)勢，總結(jié)了復合熱源焊接研究的新進展。介紹激光TIG復合焊的特點及其機理研究的新發(fā)展；激光MIG復合焊的優(yōu)勢及其重點應(yīng)用領(lǐng)域；MIG-TIG復合焊和等離子MIG復合焊的原理和發(fā)展現(xiàn)狀；激光等離子復合焊的特點及其初步研究成果。多熱源復合焊接技術(shù)是近年新型焊接方法的重點研究領(lǐng)域，激光熱源能量密度集中，等離子電弧能量密度低于激光熱源，但是成本大幅降低，MIG電弧焊接效率高，TIG電弧焊接穩(wěn)定性好，不同焊接熱源相互配合取長補短，可減少咬邊、飛濺和駝峰焊道等焊接缺陷，提高焊接質(zhì)量和效率，實現(xiàn)自動化焊接。

多熱源；激光；等離子弧；MIG電??；TIG電弧

近年來，焊接成型工藝在工業(yè)部門已得到越來越廣泛的應(yīng)用。常規(guī)焊接方法熔敷率不大于15 kg/h，焊接速度不大于18 m/min，低焊接效率和焊接速度阻礙了工業(yè)的進一步發(fā)展，工業(yè)部門迫切希望提高焊接效率和速度[1]。我國發(fā)展多種新型焊接方法和焊接技術(shù)來提高焊接效率和速度，多熱源復合焊接方法是其中一個研究方向[2]。另外，隨著科技的發(fā)展，許多焊接結(jié)構(gòu)向著精密化方向發(fā)展，并且涌現(xiàn)出一大批新材料，這些都要求發(fā)展新型焊接方法，以適應(yīng)工業(yè)部門的新要求[3]。

多熱源復合焊接技術(shù)是指將不同種類熱源結(jié)合進行焊接的方法，常見的熱源包括普通TIG電弧、普通MIG電弧、等離子電弧和激光等。激光熱源和等離子電弧的能量密度都比較大，TIG電弧和MIG電弧對工件裝配要求低，不同種類的熱源復合焊接，熱源之間可以優(yōu)勢互補，穩(wěn)定焊接過程，提高焊接效率和速度，保證焊接質(zhì)量[4]。另外，不同熱源復合時，熱源之間?？砂l(fā)生相互作用，有利于焊接過程的進行。

1 激光TIG復合焊

激光TIG復合熱源焊接是將激光與TIG電弧復合在一起的焊接方法,圖1為激光TIG復合焊示意圖。TIG焊接過程電弧長度不變，具有焊接過程穩(wěn)定和焊縫成型美觀等優(yōu)點，但是也存在缺點，TIG焊接最大的缺點是熔深淺，焊接效率低；激光熱源可彌補TIG電弧的缺點，提高TIG焊熔深，提高焊接效率和速度。激光TIG復合焊的能量密度增大，焊接效率明顯提高，另外，焊接工藝性和焊接適應(yīng)性都比激光焊更優(yōu)越。

圖1 激光TIG復合焊

激光TIG復合焊是最早開始研究的一種復合熱源焊接方法，現(xiàn)階段工藝方面已經(jīng)趨于成熟，可以保證高焊接質(zhì)量，應(yīng)用比較廣泛。現(xiàn)階段焊接工作者投入較多精力研究激光TIG復合焊的機理。采用光譜分析法研究等離子體密度與焊接熔深的關(guān)系，最終發(fā)現(xiàn)光致等離子體密度在一定程度上決定焊接熔深，隨著光致等離子體密度的增大，焊接熔深先增大后減小，原因是起初階段光致等離子體密度增大，總能量增大，導致焊接熔深增大，光致等離子體密度增大到一定程度后，能屏蔽入射激光能量，導致焊接熔深降低[5]。

研究發(fā)現(xiàn)，激光對TIG電弧的壓縮使得電弧電流密度大大提高，能量更加集中。兩種熱源復合后的效果大于二者簡單疊加的效果。試驗還實時采集了激光TIG復合熱源的電流和電壓信號，運用CCD實時監(jiān)測復合熱源的動態(tài)行為，最終發(fā)現(xiàn)激光維持燃燒波的作用是激光TIG復合焊接熱源產(chǎn)生電弧畸變的重要原因之一[6]。

未來一段時間，激光與TIG電弧的作用機理依然是研究熱點，基礎(chǔ)理論的發(fā)展將進一步促進工藝的發(fā)展，促進激光TIG復合焊廣泛的應(yīng)用。

2 激光MIG復合焊

激光MIG復合焊是將激光和MIG電弧同時施加于焊接區(qū)域，將焊絲與母材熔化形成永久性連接的焊接方法，圖2為激光MIG復合焊示意圖。與單一熱源相比，激光MIG復合焊具有明顯的優(yōu)勢，主要表現(xiàn)在以下幾點：(1)熔深大。激光MIG復合焊熔深大于MIG電弧焊，電弧電流、焊接速度、激光功率以及電弧與激光中心之間的距離都可以影響焊接熔深，其中心距間距對熔深影響最大，中心距越大熔深越小，中心距越小熔深越大；(2)焊接效率高。兩種熱源同時作用于焊接區(qū)域，焊接速度和熔敷率高于兩種熱源分別焊接的效率之和；(3)工藝性好。MIG焊熔寬較寬，對裝配間隙等要求較低，彌補了激光焊對裝配精度的要求，使系統(tǒng)工藝性更好；(4)焊件力學性能更優(yōu)。由于MIG焊加熱區(qū)域比較寬，焊接速度慢，焊接線能量大，焊縫冷卻速度慢，焊接區(qū)域金屬容易晶粒長大，焊件力學性能不是最好的，激光MIG復合焊可提高焊接速度，降低焊接線能量，避免焊件組織晶粒長大，使焊件力學性能更優(yōu)良[7]；(5)電弧穩(wěn)定。激光增加焊接區(qū)內(nèi)等離子體數(shù)量，使電弧更加穩(wěn)定，減少了焊接飛濺，提高了焊接質(zhì)量。

圖2 激光MIG復合焊

研究表明，激光MIG復合焊的熔深大，焊接中厚板時，不用開焊接坡口，焊接薄板時可大幅度提高焊接的速度。應(yīng)用方面，激光MIG復合焊主要集中在石油天然氣管道焊接、航空航天、造船業(yè)以及汽車制造業(yè)中[8]。

3 MIG-TIG復合焊

MIG-TIG復合熱源焊接如圖3所示，兩種熱源均發(fā)揮各自的優(yōu)勢，同時彌補了對方不足，MIG-TIG復合焊是對傳統(tǒng)電弧焊接方法的改良。普通MIG焊熔敷效率高焊接速度較大，但是由于電弧陰極斑點不夠穩(wěn)定，焊接過程不穩(wěn)定，容易形成焊接缺陷，增大電流高速焊接時，可能出現(xiàn)駝峰焊道等缺陷。傳統(tǒng)TIG焊電弧穩(wěn)定，焊接質(zhì)量優(yōu)良，但是熔深淺，焊接效率低。兩種熱源復合后，同時解決MIG電弧陰極斑點不穩(wěn)和TIG電弧焊接效率低的問題，另外兩個電弧可增加焊接區(qū)域溫度，使焊接區(qū)域空氣電離更加容易，大電流焊接時保證焊接過程穩(wěn)定，實現(xiàn)焊接的高效化。MIG-TIG復合焊與激光TIG復合焊、激光MIG復合焊相比，成本大幅度降低，更易于推廣普及。

MIG-TIG復合焊具有以下優(yōu)勢：(1)焊接效率更高，TIG電弧對焊絲和工件都有加熱作用，增大焊絲熔化速度，提高了焊接速度和熔敷率；(2)焊接過程更穩(wěn)定，TIG電弧力有助于MIG電弧熔滴過渡，降低臨界過渡電流，使熔滴過渡穩(wěn)定，焊接過程穩(wěn)定；(3)焊件力學性能好，復合熱源作用于工件，提高工件的熱輸入量，焊接區(qū)域能量密度更大，熔池冷卻速度降低，避免形成馬氏體等淬火組織，提高了焊接質(zhì)量；(4)焊縫成形更好，TIG電弧的加入，有利于MIG射流過渡，熔滴過渡頻率更高，則焊縫更加細密，成形更優(yōu)良。

圖3 MIG-TIG復合焊示意圖

通過研究發(fā)現(xiàn)：TIG電弧對熔滴有加熱作用，使得焊接系統(tǒng)陰極霧化作用更明顯，從而TIG電弧對MIG電弧有非常好的維護作用。另外，MIG-TIG電弧復合能夠有效降低咬邊和駝峰焊道等缺陷，實現(xiàn)高效率高質(zhì)量化焊接[9]。

4 等離子MIG復合焊

圖4為等離子MIG復合焊示意圖，依據(jù)兩種熱源位置的關(guān)系，可將等離子MIG復合焊分類為偏置式和同軸式。等離子電弧的最大優(yōu)勢是電弧挺度大，MIG電弧的最大優(yōu)勢是熔敷率高，焊接速度快。在等離子MIG焊接過程中，高溫等離子弧包圍MIG電弧的焊絲，等離子電弧可增加焊絲熔化速度，并且使得熔滴過渡更加順暢，減少了焊接飛濺。等離子MIG焊接過程中，當?shù)入x子弧電流增大時，會使得MIG電弧發(fā)生兩方面變化，第一是焊絲干伸長表小，第二是熔滴過渡形式由原來的一脈一滴逐漸過渡到一脈多滴，分析原因是由于等離子電弧為焊接系統(tǒng)提供了較多熱量所致。MIG電弧對等離子電弧的參數(shù)有影響，使得等離子電弧的電壓明顯升高，但是等離子電弧對MIG電弧的焊接參數(shù)幾乎沒有影響。

等離子MIG焊具有以下優(yōu)勢：(1)焊接效率高，等離子電弧對MIG焊絲具有預熱作用，使其溫度升高，電阻增大，導致焊絲的電阻熱明顯增大，二者共同作用，焊絲溫度明顯升高，焊絲熔化效率增大；(2)焊接過程穩(wěn)定，等離子電弧對焊接區(qū)域內(nèi)氣體加熱，氣體電離更加容易，焊接過程穩(wěn)定，則焊接飛濺更小，焊縫成型更美觀；(3)焊接質(zhì)量更優(yōu)，與單一等離子焊接相比，等離子MIG焊施加更多熱量，熔池冷卻速度慢，有利于雜質(zhì)排除，提高焊接質(zhì)量；(4)焊接成本不高，對于中厚板材的焊接，為保證焊透，需要在工件上開坡口，坡口加工耗費成本，同時需要填充更多焊接金屬，等離子MIG焊電弧穿透力更強，無需開坡口，可實現(xiàn)單面焊雙面成型，降低了焊接成本。

圖4 等離子MIG復合焊示意圖

研究發(fā)現(xiàn)，等離子電弧可在工件上“挖掘”形成一定深度的“匙孔”，“匙孔”對熔池有攪拌作用，提高材料焊接工藝性，并且有利于焊縫成型，尤其是熱導率高的金屬[10]。等離子MIG復合焊是一種高效焊接方法，成本不高，容易實現(xiàn)自動化焊接，近年在不同場合已得到廣泛推廣應(yīng)用。

5 激光等離子復合焊

激光和等離子電弧都是能量密度非常高的熱源，將這兩種熱源復合進行焊接，使焊接系統(tǒng)的能量密度更大，焊接效率進一步提高。與激光焊相比，激光等離子復合焊對工件裝配精度的要求較低，焊件出現(xiàn)熱裂紋的概率更低，尤其適用于薄板的焊接。但是激光等離子復合焊也是存在缺點的，激光等離子焊接對設(shè)備要求比較高，而且激光與等離子電弧之間有明顯的“協(xié)同效應(yīng)”，焊接系統(tǒng)與熱源之間的相互影響機理都比較復雜，焊接參數(shù)較多，國內(nèi)對其研究才剛起步，現(xiàn)階段主要研究激光等離子電弧焊在一些特殊材料上的應(yīng)用，另外采用數(shù)值計算的方法對激光等離子電弧焊進行研究。

北京航空制造工程研究所研究了激光等離子復合焊焊接參數(shù)對焊縫成形的影響，研究發(fā)現(xiàn)，焊接速度減小或者激光功率增大，都會導致釘形焊縫形貌轉(zhuǎn)變成X形，而且激光等離子復合焊的焊縫咬邊缺陷比激光焊更為嚴重。采用小功率低速度進行焊接時，焊縫的熔寬更大，采用大功率高速度進行焊接時，焊縫熔寬增加不明顯[11]。

采用數(shù)值計算的方法研究激光等離子復合焊，研究發(fā)現(xiàn)熔池流動情況直接決定焊縫表面成型，當?shù)入x子電弧在后，熔池表面向焊接前方流動時，焊縫成型更優(yōu)[12]。

6 結(jié)論

多熱源復合焊接方法，不同熱源之間相互彌補不足，發(fā)揮兩種熱源的優(yōu)勢，有利于提高焊接效率和質(zhì)量，穩(wěn)定焊接過程等。

激光ITG復合焊發(fā)展比較成熟，未來一段時間對其研究將集中在機理方面。激光MIG復合焊在大厚板上應(yīng)用較多。MIG-TIG和等離子MIG復合焊成本低廉，焊接質(zhì)量好，未來會有更好的應(yīng)用；激光等離子復合焊的研究工作才剛剛起步，國內(nèi)應(yīng)較多研究其焊接特殊金屬的應(yīng)用，或者采用數(shù)值計算的方法研究其基礎(chǔ)理論。

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【責任編輯 答會明】

Development status of multi heat source composite welding technique

GUO Jin-chang1，MI Ning1，KOU Yuan-zhe1，CUI Kai2

(1.CollegeofMechanicalEngineering,LongdongUniversity; 2.CollegeofChemistryandChemicalEngineering,LongdongUniversity,Qingyang745000,Gansu)

We introduce five kinds of welding methods of multi heat sources,and describe the advantages of the composite welding compared with the single welding heat source. We introduced the characteristics and mechanism of laser TIG multi heat source composite welding and the advantages and the application fields of laser MIG multi heat source composite welding. The principle and development status of MIG-TIG multi heat source composite welding and plasma MIG multi heat source composite welding,characteristics and preliminary research results of laser plasma hybrid welding are discussed in this paper. Multi heat source composite welding technology is the key research area in recent years and the new welding method,laser heat source energy is density,plasma arc energy density is lower than the laser heat source,but the cost is greatly reduced,MIG arc welding with high efficiency,TIG arc welding is stable,different welding heat source cooperate with each other and learn from each other which can reduce the bite edge,splash and humping bead and welding defects,improve the welding quality and efficiency and realize automated welding.

Multi heat source;laser;plasma arc;MIG arc;TIG arc

1674-1730(2017)03-0028-04

2016-10-06

隴東學院青年科技創(chuàng)新項目《多旋翼智能導航快遞投送飛行器》(XYZK1609)；隴東學院青年科技創(chuàng)新項目《高粘土環(huán)境下煤倉疏通設(shè)備的研究》(XYBY140204)

郭晉昌(1986—)，男，甘肅慶陽人，碩士，主要從事材料成型機設(shè)備研究。

TG409

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