铝合金激光一电弧复合焊接研究现状与进展

铝合金激光-电弧复合焊接综述李春蓉120206班20121492摘要:激光-电弧复合焊接综合了激光焊和电弧焊的优势，该技术对于铝合金结构件的连接具有很大的应用潜力，受到了越来越广泛的重视，是激光焊接领域重点研究方向之一。文中详细综述和分析了激光与不同种类电弧复合焊接铝合金的工艺特征，着重阐明了激光-电弧复合焊接机理的研究现状。关键词：复合焊接激光电弧铝合金机理引言铝合金具有质量轻、比强度高以及耐腐蚀和成形性能好等优点，作为一种主要的轻金属结构材料，被广泛地应用于汽车、船舶、航空航天和高速列车等工业领域。上世纪70年代末，英国学者W．M．Steen提出了激光-电弧复合焊接的方法，此技术可以充分发挥激光和电弧两种热源各自的优势，又相互弥补不足；同时两种热源的相互作用又会产生复合物理效应，更加突出了激光-电弧复合焊接的优势。采用激光-电弧复合焊接铝合金既可以发挥激光焊能量密度集中、热输人小、焊缝深宽比大、热影响区窄和热变形小、柔性好、易于实现自动化的特点，又能体现电弧焊成本低廉，接头装配适应性较好的优势，因此激光-电弧复合焊接铝合金具有广阔的应用潜力，受到了越来越广泛的重视和大量研究。文中详细介绍了激光和不同电弧焊(TIG，MIG，PA)复合焊接铝合金的工艺特性，综述了铝合金激光-电弧复合焊接物理机理的研究现状和该技术的工业应用进展。1铝合金激光-电弧复合焊接工艺特性激光-电弧复合焊接技术根据电弧种类的不同，主要可分为激光-TIG复合焊、激光-MIG复合焊和激光-PA复合焊。1.1激光-TIG复合焊在1984年首先对铝合金激光-TIG复合焊进行了详细的研究，发现与单独TIG焊相比，激光-TIG复合焊接的熔深可增加20％-50％，激光对电弧的稳定作用使焊接速度明显提高，复合焊接的速度可达30.5m／min。S．Fujinaga等人研究了脉冲激光-TIG复合焊接6061铝合金的工艺特性，解决了单独激光焊时的飞溅问题，获得了光滑的焊缝，焊缝中无裂纹，焊接熔深增加，如图1所示。图1复合焊接消除铝合金激光焊飞溅示意图苗玉刚等人将激光和电弧分别置于铝合金工件的两侧进行焊接，即激光-电弧双面复合焊接，解决了单独激光焊存在的焊接适应性差和装配精度要求高等问题；利用电弧的加热作用提高工件对激光的吸收率，焊接过程稳定，焊接成形良好，焊接效率显著提高，并指出此技术在中厚板焊接生产中具有很大的应用潜力。焦传江采用激光-电弧两侧同步焊接方法焊接铝合金T形接头，通过优化工艺参数，改善接头设计，成功实现了T形接头角焊缝的焊接，如图2所示。图2激光-TIG两侧同步焊接铝合金T形接头激光-FIG复合焊接铝合金可以有效增加焊接过程的稳定性，提高焊接速度，增大焊接熔深和焊接热效率，特别是激光-TIG双侧和双面焊分别为铝合金接头和结构的焊接提供了途径。但是激光-TIG电弧复合焊技术在工业中应用还鲜见报道。1.2激光-MIG复合焊激光-MIG复合焊具有填充焊丝的优势，可以焊接的板厚更大，提高间隙搭桥能力，改善焊缝冶金性能和微观组织结构，提高焊接接头的力学性能。王旭友等人研究了激光-MIG电弧复合焊焊接5A06铝合金相同焊接热输入下，复合焊获得的焊缝熔深大于相同电流的脉冲MIG焊；在获得相同焊缝熔深的条件下，复合焊与相同电流的脉冲MIG焊相比，具有更高的焊接速度、更低的热输人和更小的变形。与常用的旁轴激光-电弧复合焊相比，焊接质量不受焊接方向影响而适于三维焊接；与单纯激光或MIG焊相比，激光-电弧复合焊明显提高熔深，改善焊缝成形质量。铝合金熔焊时容易产生接头软化问题，激光-MIG复合焊具有填充焊丝的优势，可以提高接头性能，在汽车行业这种复合焊接技术已经得到了工程应用。2铝合金激光-电弧复合焊焊接机理研究激光-电弧复合焊接过程中，激光和电弧之间存在复杂和强烈的相互作用，这种相互作用对工艺稳定性和焊缝成形具有决定性的影响。激光与电弧相互作用的研究主要包括：激光对电弧形态的影响和电弧对激光的吸收、散射及折射。复合焊接过程中，选择合适的位置和工艺参数匹配关系，激光与电弧的相互作用使电弧电压趋向稳定，激光对电弧具有明显的吸引和压缩作用；当激光穿过电弧时，电弧对激光的吸收、散射及折射，导致电弧对激光束产生散焦作用，从而降低到达工件的激光能量密度，其散焦作用随激光功率、电弧电流增大而增强。激光引导电弧是匙孔产生的金属蒸汽改变电弧放电，两种材料电弧的差异是由于铝合金比不锈钢更易蒸发。苗玉刚针对铝合金激光-TIG双面电弧焊的电弧和激光特性的研究发现，根据激光作用方式不同，复合焊接的电弧有3种典型形态：弧柱收缩、弧根压缩和电弧膨胀，而电弧的预热致工件温度提高,使激光等离子体发生膨胀。激光-电弧复合焊接过程是一个极其复杂的过程，涉及激光等离子体、电弧、金属蒸汽与激光之间的相互作用，同时受测试技术和设备的局限，使得彻底了解激光与电弧的相互作用变得比较困难。3结论铝合金激光-电弧复合焊接技术综合了激光焊和电弧焊的优势，具有良好的间隙搭桥能力和焊接过程稳定性、较高的焊接效率和高质量的焊接性能。激光-电弧复合焊接机理的研究取得了一定的进展和成果，但是复合焊接过程是非常复杂的，为了深刻理解激光-电弧复合焊接过程的能作用机制，对复合焊接机理的研究需要综合考虑各种手段和技术进行更深人的研究。激光-电弧复合焊焊接铝合金已经在车辆工业得到应用，而且该技术将在航空航天和船舶制造领域具有更大的应前景。随着工艺和机理的进一步研究，加之复合焊接系统的集成化和智能化发展，激光-电弧复合焊接铝合金必将得到广泛的工业化应用。参考文献[1]SteenWM，EbooM．Arcaugmentedlaserwelding[J]．MetalConstruction，1979，1l(7)：332-335．[2]苗玉刚，李俐群，陈彦宾，等．铝合金激光一电弧双面焊接头特征分析[J]．焊接学报，2007，28(12)：85-88．[3]雷正龙．c0：激光-MIG复合热源焊接铝合金的熔滴过渡行为研究[D]．哈尔滨：哈尔滨工业大学博士学位论文．2006．[4]王旭友，王威，林尚扬．焊接参数对铝合金激光-MIG电弧复合焊缝熔深的影响[J]．焊接学报，2008，29(6)：13-16．