1、激光電弧復(fù)合焊技術(shù)介紹

激光-電弧復(fù)合焊接技術(shù)是 20 世紀 70 年代末由 Steen最先提出并逐漸發(fā)展成熟起來的一種優(yōu)質(zhì)、高效的新型焊接技術(shù)。激光-電弧復(fù)合焊是將激光焊和電弧焊兩種熱源的能量通過一定方式共同作用于工件產(chǎn)生同一個焊接熔池，并通過二者的相互作用來實現(xiàn)材料的優(yōu)質(zhì)高效焊接的一種新型焊接方法，也是目前世界焊接技術(shù)的研究方向之一，研究內(nèi)容如圖1所示。

圖1 激光電弧復(fù)合焊接技術(shù)研究方向

激光-電弧復(fù)合焊接不是激光熱源與電弧熱源的簡單疊加，在焊接過程中兩熱源會產(chǎn)生一系列的相互作用，并獲得“1 + 1 ＞ 2”的協(xié)同效應(yīng)及焊接效果。在電弧焊中，由于電弧能量分布的發(fā)散性，材料熔化所涉及的實際能量較低。激光對電弧的引導(dǎo)作用提高了電弧的熔化效率。在激光焊接中，熔融金屬對激光能量的吸收率高于固體金屬，電弧對熔池的預(yù)熱作用也有效地提高了材料的吸收效率。因此，復(fù)合熱源的吸收和轉(zhuǎn)化率優(yōu)于單一熱源。

根據(jù)熱源主導(dǎo)地位的不同，復(fù)合焊接可分為兩類：一類為激光增強電弧復(fù)合焊，在這種方式中，電弧能量占據(jù)主要作用，激光功率較低，不足以形成“小孔”，主要是利用激光在工件上形成的“熱點”牽引電弧，減小電弧引燃的阻力來防止電弧弧根的飄移，實現(xiàn)電弧的高速穩(wěn)定焊接。另一類為電弧輔助激光焊，在這種方式中，激光占據(jù)主導(dǎo)地位，通常利用電弧對工件的預(yù)熱及電�。�激光熱源之間的等離子體相互作用來提高橋連性，改善焊接過程穩(wěn)定性，提高焊接效率。目前，電弧輔助激光焊是復(fù)合焊接研究的主流。

與傳統(tǒng)焊接方法，激光電弧復(fù)合焊接的主要優(yōu)點是焊接速度和熔深高，橋接性能好裝配精度低，工藝穩(wěn)定性好，因此被廣泛應(yīng)用和研究。激光電弧復(fù)合焊接可以焊接各種金屬和合金材料，包括高強度鋼，高反射材料和活性金屬。如今，激光-電弧復(fù)合焊接技術(shù)越來越廣泛地應(yīng)用于各種工業(yè)領(lǐng)域，并可在管道建設(shè)、船舶建設(shè)、汽車軌道、航空航天等領(lǐng)域發(fā)揮其獨特優(yōu)勢。

2、激光電弧復(fù)合焊接技術(shù)研究

（1）激光電弧相互作用研究

激光-電弧復(fù)合焊接過程存在激光與電弧復(fù)雜的物理效應(yīng)，因此成為國內(nèi)外學(xué)者研究的熱點和難點問題。電弧為低溫、低密度等離子體，而激光屬高溫、高密度等離子體。電弧等離子體通過逆軔致吸收效應(yīng)衰減激光能量，激光匙孔效應(yīng)產(chǎn)生的金屬蒸汽改變電弧成分，這些物理效應(yīng)會在一定程度上影響復(fù)合焊接焊縫成形、焊接質(zhì)量及過程的穩(wěn)定性。

在激光復(fù)合焊中，電弧與激光的相互作用主要體現(xiàn)在兩個方面：一是激光對電弧的吸引壓縮作用，二是電弧對激光的散射、預(yù)熱工件以提高板材對激光的吸收率。激光對電弧的吸引壓縮作用是最普遍的現(xiàn)象，激光產(chǎn)生的等離子體形成電流通道，從而減小了電流通過的阻力，所以會對電弧產(chǎn)生吸引，同時也起到穩(wěn)定電弧的作用。電弧能強化激光，稀釋等離子體，增大激光吸收率；但激光束在電弧的“負透鏡效應(yīng)”下，發(fā)生偏折和散焦，影響激光吸收。電弧稀釋激光等離子體，降低等離子體對激光能量的吸收、反射，增大激光穿透能力，提升激光能量傳輸率。

德國漢諾威激光中心為了解釋激光壓縮、穩(wěn)定電弧的物理本質(zhì)，全面、綜合地討論了激光與電弧的相互作用可能存在的五種物理效應(yīng)：分別是光電效應(yīng)、激光引導(dǎo)熱電子發(fā)射、光電流效應(yīng)、逆軔制吸收、激光誘導(dǎo)等離子體。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)研究了激光與電弧 TIG 同軸復(fù)合下激光對電弧形態(tài)的影響，發(fā)現(xiàn)在小電流條件下激光對電弧具有明顯的吸引壓縮作用，激光對電弧的增強效應(yīng)顯著，可以獲得較深的焊縫，而當電弧電流增大時，由于電弧大量吸收激光能量，電弧反而膨脹，獲得較淺的熔深，激光與電弧的增強效應(yīng)不復(fù)存在。

哈爾濱焊接研究所研究人員發(fā)現(xiàn)激光電弧之間存在“雙導(dǎo)電機制”。發(fā)現(xiàn)在激光-電弧復(fù)合焊接過程中，除了電弧主導(dǎo)電通道外，在焊絲端部與激光小孔之間建立起了輔助導(dǎo)電通道，被稱之為“雙導(dǎo)電機制”，使得復(fù)合焊接過程中電弧更加穩(wěn)定，這是激光-電弧復(fù)合焊接能在高速焊接條件下實現(xiàn)電弧穩(wěn)定的重要原因。

目前激光-電弧相互作用機制的研究方面，受測試手段限制，目前的研究還主要停留在通過試驗定性驗證的階段，缺乏深刻的定量描述研究。

（2）熔滴過渡研究

在激光和電弧兩種熱源的作用下，熔滴過渡行為變得十分復(fù)雜。液滴過渡對焊接過程的穩(wěn)定性、外觀形成、飛濺和焊接接頭質(zhì)量起著重要作用。復(fù)合焊接中的熔滴過渡模式通常包括短路過渡、滴狀過渡和噴射過渡。熔滴過渡行為主要包括四個階段：形成、分離、轉(zhuǎn)移和落入熔池。在激光電弧復(fù)合中，金屬熔滴轉(zhuǎn)移到熔池的模式、尺寸、頻率和穩(wěn)定性取決于焊接材料的特性、焊接參數(shù)、激光功率、激光和電弧熱源之間的相互影響、激光到電弧的距離以及其他冶金和物理因素。熔滴受到各種力的作用，如重力、電磁力、等離子體流力、表面張力、金屬蒸汽反作用力等綜合作用。當液滴上的分離力超過保持力時，液滴與焊絲分離。目前各個國家學(xué)者主要研究影響熔滴過渡的以下因素：

光絲間距（DLA）：DLA影響熱源的相互耦合效應(yīng)，從而影響熔滴過渡模式和熔滴過渡頻率。當DLA過小時，液滴轉(zhuǎn)移和激光小孔極不穩(wěn)定，同時產(chǎn)生飛濺增加。另一方面，液滴非�？拷�鑰匙孔金屬蒸氣的反作用力非常強，導(dǎo)致熔滴過渡不穩(wěn)定。DLA在2-4 mm范圍內(nèi)，熱源耦合效果良好，增加了激光傳輸效率和液滴轉(zhuǎn)移更加穩(wěn)定。當DLA超過6mm時，熱源耦合效應(yīng)迅速減弱，使電弧劇烈波動過程不穩(wěn)定。

熱源引導(dǎo)方式：激光和電弧的不同相對位置對焊縫的表面形成和內(nèi)部性能有重大影響。熱源的布置對激光的吸收效率有很大影響，并對液滴的動態(tài)行為、熔池的行為和溫度場產(chǎn)生影響。在復(fù)合焊接中，激光引導(dǎo)模式還是電弧引導(dǎo)模式對熔滴轉(zhuǎn)移和轉(zhuǎn)移頻率起著至關(guān)重要的作用。

激光功率：在不同的條件下，激光可以促進和阻礙液滴的轉(zhuǎn)移。激光能量影響電弧形態(tài)和電弧等離子體的熱傳導(dǎo)，影響電子密度和電流密度，并改變電弧長度、液滴尺寸和速度。隨著增長在激光功率下，金屬蒸氣反作用力增強，金屬液滴轉(zhuǎn)移受阻，導(dǎo)致焊接過程不穩(wěn)定。通過調(diào)節(jié)激光能量來協(xié)調(diào)電弧電流和電壓，可以提高液滴轉(zhuǎn)移的穩(wěn)定性。

（3）激光電弧復(fù)合焊接熱源研究

激光電弧復(fù)合焊接熱源研究主要集中在熱源種類、數(shù)量以及熱源排布方式的研究。激光-TIG 焊復(fù)合熱源、激光-等離子弧焊復(fù)合熱源、激光-熔化極電弧焊復(fù)合熱源，以上熱源可以多個進行搭配，且既可以采用旁軸復(fù)合也以采用同軸復(fù)合。同軸激光-電弧復(fù)合焊對設(shè)備的要求很高，而且各種焊接參數(shù)可調(diào)節(jié)范圍相對較小，增加了制造成本，降低了焊接工藝的適應(yīng)性，因此目前同軸復(fù)合焊的相關(guān)研究相對較少。旁軸激光-電弧復(fù)合焊接按熱源作用在工件上的先后順序分為激光引導(dǎo)電弧復(fù)合焊和電弧引導(dǎo)激光復(fù)合焊，兩種焊接方式熱源作用的順序不同，對焊接過程和焊后焊縫質(zhì)量的影響均不同。

3、激光電弧復(fù)合焊接應(yīng)用研究

（1）交通制造領(lǐng)域

在汽車業(yè)領(lǐng)域，德國奧迪公司成功運用激光－MIG 復(fù)合焊技術(shù)生產(chǎn)全鋁結(jié)構(gòu)的“奧迪 A8”轎車；日本三菱重工公司在 2003 年就已經(jīng)將同軸激光－MIG 復(fù)合焊技術(shù)用于復(fù)雜結(jié)構(gòu)車身的焊接。英國 TWI 及德國 BIAS分別于 2008 年和 2009 年開展了用于高速列車用鋁合金激光-MIG 復(fù)合焊技術(shù)的開發(fā)。日本在 2008 年建成激光-MIG 復(fù)合焊接生產(chǎn)線，用于高速列車鋁合金車體的焊接。我國近年來年將激光電弧復(fù)合焊應(yīng)用于600公里磁懸浮列車車體以及地鐵枕梁、高鐵車體焊接。

（2）工程機械領(lǐng)域

哈爾濱焊接研究所在2012年首次實現(xiàn)了大噸位全地面起重機高強鋼伸臂的激光-雙絲MAG復(fù)合焊，。近年來，徐州工程機械集團有限公司、三一重工股份有限公司等均采用了激光-電弧復(fù)合焊，穩(wěn)定、高效地實現(xiàn)了吊臂主焊縫的單面焊雙面成形，接頭的拉伸、沖擊等性能均滿足相關(guān)工程應(yīng)用標準。

（3）船舶工程領(lǐng)域

2002年，Meyer 船廠建立起第一條激光復(fù)合焊接生產(chǎn)線用于船體甲板的焊接，芬蘭的KVAERNER 船廠、意大利的FINCANTIERI 船廠是應(yīng)用復(fù)合焊的幾家典型造船廠。美國海軍將激光-MIG 電弧復(fù)合焊接技術(shù)應(yīng)用于船用厚鋼板的焊接上。國內(nèi)煙臺萊福士船廠使用了哈爾濱焊接研究所激光電弧復(fù)合焊接裝備，上海外高橋造船有限公司、招商局重工（江蘇）有限公司、廣船國際有限公司等均引進了德國IMG公司的激光-電弧復(fù)合焊接設(shè)備；渤海造船廠集團有限公司、滬東中華造船集團有限公司等均建成了激光-電弧復(fù)合焊工作站，將其引入到船體制造中。

轉(zhuǎn)自：激光焊接前沿

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