论文部分内容阅读
[摘 要]阐述了激光-电弧复合焊技术的基本工作原理，概括了激光-电弧复合热源焊接的特点，介绍了激光-电弧的复合方式，介绍了激光-电弧复合焊技术在现代制造业中的应用。
[关键词]激光-电弧复合；焊接；应用
中图分类号：TG457 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）06-0006-01
激光-电弧复合焊将激光焊和电弧焊两种工艺相结合，取长补短发挥各自优势，不仅能获得好的焊接质量和生产效益，而且还能降低成本，实现高效、优质的焊接。
1 基本原理
激光-电弧复合焊接的原理如图1所示，激光与电弧同时作用于金属表面同一位置，焊缝上方因激光作用而产生光致等离子体云，等离子云对入射激光的吸收和散射会降低激光能量利用率，外加电弧后，低温低密度的电弧等离子体使激光致等离子体被稀释，激光能量传输效率提高；同时电弧对母材进行加热，使母材温度升高，母材对激光的吸收率提高，焊接熔深增加。另外，激光熔化金属，为电弧提供自由电子，降低了电弧通道的电阻，电弧的能量利用率也提高，从而使总的能量利用率提高，熔深进一步增加。激光束对电弧还有聚焦、引导作用，使焊接过程中的电弧更加稳定。
2 激光-电弧复合热源焊接的特点
激光-电弧复合热源焊接是将电弧与较小功率的激光配合一起从而获得大熔深的焊接方法。它是将两种物理性质、能量传输机制截然不同的热源复合在一起，共同作用于工件表面，从而实现对工件进行加热完成焊接的过程。采用激光与电弧的复合方式可以充分地发挥两种热源的优势，弥补双方的不足，是一种新型、优质、高效、节能的焊接方法。在同等条件下，激光-电弧复合焊比单一的激光焊或电弧焊具有更强的适应性，焊缝的成型性更好。其优点如下：
（1） 提高了焊接接头的适应性。由于电弧的作用降低了激光对接头间隙的装配精度的要求，因此可以在较大的接头间隙下实现焊接。
（2） 增加了焊缝的熔深。在激光的作用下电弧可以到達焊缝的深处，使得熔深增加。其次由于电弧的作用会增大金属对激光的吸收率也是熔深增大的原因。
（3） 改善焊缝质量，减少焊接缺陷。激光的作用使得焊缝的加热时间变短，不易产生晶粒过大而且使热影响区减小，改善焊缝组织性能。由于在电弧的作用下复合热源能够减缓熔池的凝固时间，使得熔池的相变充分的进行，而且有利于气体的溢出，能够有效地减少气孔、裂纹、咬边等焊接缺陷。
（4） 增加焊接过程的稳定性。由于激光的作用在熔池中会形成匙孔，它对电弧有吸引作用，从而增加了焊接的稳定性。而且匙孔会使电弧的根部压缩，从而增大电弧能量的利用率。
（5） 提高生产效率，降低生产成本。激光与电弧的相互作用会提高焊接速度，由于电弧的作用使得用较小功率的激光器就能达到很好的焊接效果，与激光焊相比可以降低设备成本。
3 激光-电弧的复合方式
激光-电弧复合热源使用的激光器一般有CO2激光器和Nd：YAG激光器，电弧包括TIG电弧、MIG电弧和等离子电弧。
根据激光与电弧的相对位置不同可分为：同轴复合，即激光与电弧处于同轴共同作用于工件的同一位置；旁轴复合，即激光束与电弧以一定的角度共同作用于工件的同一位置。激光与电弧的旁轴复合根据不同情况又可分为激光在电弧前和激光在电弧后两种。激光与电弧的相对位置不同会对焊缝的表面成形和内部的性能产生重大的影响。激光束在电弧前，焊缝的上表面成形均匀且饱满美观，特别是在焊接速度较大的情况下效果更明显；而电弧在激光束前，焊缝的上表面会出现沟槽。通过对焊缝的成分及性能进行分析，得知两种情况下Mg元素含量都是从焊缝上部到下部递增，而激光在电弧前焊缝上部的硬度小于下部，激光在电弧后焊缝上部的硬度大于下部的硬度。出现这种情况的原因是电弧在后时，热源作用面积大，热源移走后焊缝冷却慢而有利于熔池中的气体溢出，因此成型好；而且电弧热源作用于激光后相当于对焊缝进行一次回火而其热量不能传输到焊缝较深处，故而下部未回火，因此焊缝上部的硬度小于下部。
根据电弧的不同，目前激光-电弧复合焊方法主要有：
（1） 激光-TIG复合焊。它的焊接速度是激光焊的几倍以上，多数用于薄板高速焊，也可用于不等厚材料对接焊缝的焊接。这种复合方法是激光复合焊中最早进行研究的。
（2） 激光-MIG复合焊。利用填焊丝的优势可以改善焊缝的冶金性能和微观组织结构，常用于焊接中厚板。因此这种方法主要用于造船业，管道运输业和重型汽车制造业。
（3） 激光-等离子复合焊。激光与等离子复合一般采用同轴复合方式。等离子弧具有刚性好、温度高、方向性好、电弧易引燃等优点，非常有利于进行复合热源焊接。
4 激光-电弧复合焊接的应用
4.1 在汽车工业中的应用
汽车行业中，随着车辆运输设备朝着轻量化发展，车身框架结构中也更多地引入了铝、铝镁等轻质合金，其主要为了节约能源，减少污染，改善车辆机动性能以及车身材料的再生性。典型的铝合金车型有德国大众的Audi A2、A8及日本本田的NXS，大众的新款Audi A8更是采用了全铝合金框架结构。在铝合金车身焊接中，以前主要采用激光焊和熔化极气体保护焊，随着激光-电弧复合焊工艺的成熟，车身焊缝复合焊所占比例也逐步上升。
激光-电弧复合焊接在汽车制造业中是一种全新的连接技术，两者能量的协同优化作用，使得应用愈来愈广，特别是在代替原来激光焊接焊前装配要求很严格或是焊接性能不可能达到要求的部位。通过选择不同的工艺参数，获得需要的焊缝形貌及其结构组成，电弧部分通过填充焊丝增加焊缝桥接能力，降低焊前装配要求，而激光增加熔深，两者的复合，工艺更加稳定。宽广的应用和工艺的低适应性，使得复合焊在汽车制造中减少设备成本投入，缩短生产周期，降低生产成本，对提高生产力起到了显著的效果。
4.2 在造船业中的应用
一般船体结构中，钢结构占主体，传统的焊接方法为手工电弧焊和MIG/MAG焊，但效率较低。激光-电弧复合焊接是一种实效的连接方法，在船体的结构件焊接过程中对激光-MIG复合热源焊接与常规焊、激光焊进行比较研究，研究内容包括了焊接效率、材料特性、接头形式、焊缝变形等多方面。焊缝接头通过弯曲、拉伸等试验，在焊接结果中可明显看出激光-MIG复合热源焊接的优势。
4.3 在其他行业中的应用
石油化工的油罐、管道连接也是激光-电弧复合焊一个重要的应用方面。通常的石油管道壁厚较大，常规电弧焊接需要设计特殊的坡口，进行多道焊，在反复的起弧收弧阶段易产生缺陷。复合焊则充分利用电弧焊的桥接能力和激光焊的深熔性，能一次单道焊接成形，减少焊接缺陷，提高焊接效率。
参考文献
[1] 樊丁，董皕喆，余淑荣，张诗正.激光-电弧复合焊接的技术特点与研究进展.热加工工艺，2011 ，40 （11 ）：164-169.
[2]王治宇，王春明，胡伦骥，胡席远.激光-电弧复合焊接的应用.电焊机，2006，2（36）：38-41.
[关键词]激光-电弧复合；焊接；应用
中图分类号：TG457 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）06-0006-01
激光-电弧复合焊将激光焊和电弧焊两种工艺相结合，取长补短发挥各自优势，不仅能获得好的焊接质量和生产效益，而且还能降低成本，实现高效、优质的焊接。
1 基本原理
激光-电弧复合焊接的原理如图1所示，激光与电弧同时作用于金属表面同一位置，焊缝上方因激光作用而产生光致等离子体云，等离子云对入射激光的吸收和散射会降低激光能量利用率，外加电弧后，低温低密度的电弧等离子体使激光致等离子体被稀释，激光能量传输效率提高；同时电弧对母材进行加热，使母材温度升高，母材对激光的吸收率提高，焊接熔深增加。另外，激光熔化金属，为电弧提供自由电子，降低了电弧通道的电阻，电弧的能量利用率也提高，从而使总的能量利用率提高，熔深进一步增加。激光束对电弧还有聚焦、引导作用，使焊接过程中的电弧更加稳定。
2 激光-电弧复合热源焊接的特点
激光-电弧复合热源焊接是将电弧与较小功率的激光配合一起从而获得大熔深的焊接方法。它是将两种物理性质、能量传输机制截然不同的热源复合在一起，共同作用于工件表面，从而实现对工件进行加热完成焊接的过程。采用激光与电弧的复合方式可以充分地发挥两种热源的优势，弥补双方的不足，是一种新型、优质、高效、节能的焊接方法。在同等条件下，激光-电弧复合焊比单一的激光焊或电弧焊具有更强的适应性，焊缝的成型性更好。其优点如下：
（1） 提高了焊接接头的适应性。由于电弧的作用降低了激光对接头间隙的装配精度的要求，因此可以在较大的接头间隙下实现焊接。
（2） 增加了焊缝的熔深。在激光的作用下电弧可以到達焊缝的深处，使得熔深增加。其次由于电弧的作用会增大金属对激光的吸收率也是熔深增大的原因。
（3） 改善焊缝质量，减少焊接缺陷。激光的作用使得焊缝的加热时间变短，不易产生晶粒过大而且使热影响区减小，改善焊缝组织性能。由于在电弧的作用下复合热源能够减缓熔池的凝固时间，使得熔池的相变充分的进行，而且有利于气体的溢出，能够有效地减少气孔、裂纹、咬边等焊接缺陷。
（4） 增加焊接过程的稳定性。由于激光的作用在熔池中会形成匙孔，它对电弧有吸引作用，从而增加了焊接的稳定性。而且匙孔会使电弧的根部压缩，从而增大电弧能量的利用率。
（5） 提高生产效率，降低生产成本。激光与电弧的相互作用会提高焊接速度，由于电弧的作用使得用较小功率的激光器就能达到很好的焊接效果，与激光焊相比可以降低设备成本。
3 激光-电弧的复合方式
激光-电弧复合热源使用的激光器一般有CO2激光器和Nd：YAG激光器，电弧包括TIG电弧、MIG电弧和等离子电弧。
根据激光与电弧的相对位置不同可分为：同轴复合，即激光与电弧处于同轴共同作用于工件的同一位置；旁轴复合，即激光束与电弧以一定的角度共同作用于工件的同一位置。激光与电弧的旁轴复合根据不同情况又可分为激光在电弧前和激光在电弧后两种。激光与电弧的相对位置不同会对焊缝的表面成形和内部的性能产生重大的影响。激光束在电弧前，焊缝的上表面成形均匀且饱满美观，特别是在焊接速度较大的情况下效果更明显；而电弧在激光束前，焊缝的上表面会出现沟槽。通过对焊缝的成分及性能进行分析，得知两种情况下Mg元素含量都是从焊缝上部到下部递增，而激光在电弧前焊缝上部的硬度小于下部，激光在电弧后焊缝上部的硬度大于下部的硬度。出现这种情况的原因是电弧在后时，热源作用面积大，热源移走后焊缝冷却慢而有利于熔池中的气体溢出，因此成型好；而且电弧热源作用于激光后相当于对焊缝进行一次回火而其热量不能传输到焊缝较深处，故而下部未回火，因此焊缝上部的硬度小于下部。
根据电弧的不同，目前激光-电弧复合焊方法主要有：
（1） 激光-TIG复合焊。它的焊接速度是激光焊的几倍以上，多数用于薄板高速焊，也可用于不等厚材料对接焊缝的焊接。这种复合方法是激光复合焊中最早进行研究的。
（2） 激光-MIG复合焊。利用填焊丝的优势可以改善焊缝的冶金性能和微观组织结构，常用于焊接中厚板。因此这种方法主要用于造船业，管道运输业和重型汽车制造业。
（3） 激光-等离子复合焊。激光与等离子复合一般采用同轴复合方式。等离子弧具有刚性好、温度高、方向性好、电弧易引燃等优点，非常有利于进行复合热源焊接。
4 激光-电弧复合焊接的应用
4.1 在汽车工业中的应用
汽车行业中，随着车辆运输设备朝着轻量化发展，车身框架结构中也更多地引入了铝、铝镁等轻质合金，其主要为了节约能源，减少污染，改善车辆机动性能以及车身材料的再生性。典型的铝合金车型有德国大众的Audi A2、A8及日本本田的NXS，大众的新款Audi A8更是采用了全铝合金框架结构。在铝合金车身焊接中，以前主要采用激光焊和熔化极气体保护焊，随着激光-电弧复合焊工艺的成熟，车身焊缝复合焊所占比例也逐步上升。
激光-电弧复合焊接在汽车制造业中是一种全新的连接技术，两者能量的协同优化作用，使得应用愈来愈广，特别是在代替原来激光焊接焊前装配要求很严格或是焊接性能不可能达到要求的部位。通过选择不同的工艺参数，获得需要的焊缝形貌及其结构组成，电弧部分通过填充焊丝增加焊缝桥接能力，降低焊前装配要求，而激光增加熔深，两者的复合，工艺更加稳定。宽广的应用和工艺的低适应性，使得复合焊在汽车制造中减少设备成本投入，缩短生产周期，降低生产成本，对提高生产力起到了显著的效果。
4.2 在造船业中的应用
一般船体结构中，钢结构占主体，传统的焊接方法为手工电弧焊和MIG/MAG焊，但效率较低。激光-电弧复合焊接是一种实效的连接方法，在船体的结构件焊接过程中对激光-MIG复合热源焊接与常规焊、激光焊进行比较研究，研究内容包括了焊接效率、材料特性、接头形式、焊缝变形等多方面。焊缝接头通过弯曲、拉伸等试验，在焊接结果中可明显看出激光-MIG复合热源焊接的优势。
4.3 在其他行业中的应用
石油化工的油罐、管道连接也是激光-电弧复合焊一个重要的应用方面。通常的石油管道壁厚较大，常规电弧焊接需要设计特殊的坡口，进行多道焊，在反复的起弧收弧阶段易产生缺陷。复合焊则充分利用电弧焊的桥接能力和激光焊的深熔性，能一次单道焊接成形，减少焊接缺陷，提高焊接效率。
参考文献
[1] 樊丁，董皕喆，余淑荣，张诗正.激光-电弧复合焊接的技术特点与研究进展.热加工工艺，2011 ，40 （11 ）：164-169.
[2]王治宇，王春明，胡伦骥，胡席远.激光-电弧复合焊接的应用.电焊机，2006，2（36）：38-41.