激光-电弧复合热源焊接技术及装备介绍

激光激光--电弧复合热源焊接技术及电弧复合热源焊接技术及装备介绍装备介绍大连理工大学大连理工大学激光焊接的重要性激光焊接的重要性迅猛发展现代工业生产主要焊接方法之一激光技术优势：高能量、自动化、稳定性应用：汽车制造、飞机制造、船板拼焊等成套大功率激光焊接设备具有重大现实意义和经济效益成套大功率激光焊接设备具有重大现实意义和经济效益光纤激光器（美国（美国IPGIPG））1~50kW国外激光焊接设备产品国外激光焊接设备产品全固态激光器((德国德国TRUMPF)TRUMPF)8kW6kWYAG激光器((美国美国GSI)GSI)大功率激光焊接设备核心部件和关键技术被国外垄断大功率激光焊接设备核心部件和关键技术被国外垄断¾武汉楚天:1000W固体激光器、GSI代理商国内其他知名激光器生产商：武汉团结激光、上海华中雷鸥、南京快通激光、广州瑞通千里、深圳奥华激光等。¾¾深圳众为深圳众为::1000W1000W固体激光器固体激光器¾华中激光:500W固体激光器¾深圳大族:500W固体激光器国内主要激光焊接设备制造商国内主要激光焊接设备制造商国产固体激光焊接设备产品国产固体激光焊接设备产品仅能达到仅能达到1000W1000W国内外激光焊接设备制造技术国内外激光焊接设备制造技术————从用户角度从用户角度国外国外国内国内光纤激光器光纤激光器**光纤光纤单单33，多，多505050501.21.2国外进口国外进口半导体激光器半导体激光器半导体半导体6633110.50.5国外进口国外进口类型类型激光介质激光介质最大功率最大功率/kW/kW产品产品功率功率/kW/kW最大功最大功率率/kW/kW产品功产品功率率/kW/kW知识产权知识产权COCO22激光器激光器混合气体混合气体45451212101055自主产权自主产权灯泵浦灯泵浦Nd:YAGNd:YAG晶体棒晶体棒15151010110.50.5自主产权自主产权全固态激光器全固态激光器**薄片薄片99881.51.5国外进口国外进口*注：摘自中科院半导体研究所所长李晋闽综述《激光与光电子学进展》2008.V45（7）：16-29部分数据来源于客户招标相关材料高功率激光加工设备全部依赖进口高功率激光加工设备全部依赖进口————对经济发展和国防安全造成潜在威胁对经济发展和国防安全造成潜在威胁¾上海交运股份公司上海交运汽车动力系统有限公司¾三套6kW全固态激光焊接装备¾¾德国德国TrumpfTrumpf公司公司进口进口车门防撞杆机器人激光焊接系统车门防撞杆机器人激光焊接系统高功率激光加工设备全部依赖进口高功率激光加工设备全部依赖进口————对经济发展和国防安全造成潜在威胁对经济发展和国防安全造成潜在威胁¾上海延锋江森汽车座椅有限公司¾两套全固态激光焊接装备¾¾德国进口德国进口TrumpfTrumpf汽车座椅机器人激光焊接系统汽车座椅机器人激光焊接系统高端大功率激光器产业化存在问题高端大功率激光器产业化存在问题无自主知识产权、高成本、高能耗、维护困难无自主知识产权、高成本、高能耗、维护困难类型类型光电转化率光电转化率能量利用率能量利用率设备成本设备成本P/kWP/kW固体激光器固体激光器33％％~20~20％％33％％~10~10％％1010万欧元万欧元国内激光焊接设备研制水平与企业需求存在国内激光焊接设备研制水平与企业需求存在鲜明的反差鲜明的反差目前，解决大功率激光焊接装备需求的目前，解决大功率激光焊接装备需求的有效有效途径：途径：低功率激光低功率激光++电弧复合焊接技术电弧复合焊接技术发明激光诱导增强电弧焊接新技术发明激光诱导增强电弧焊接新技术发现激光诱导电弧现象发现激光诱导电弧现象低功率激光诱导大功率电弧现象电弧收缩、能量密度提高MetallurgicalandMaterialsTrans.A2008,39AIF:1.564MaterialsScience&EngineeringA.2007,447IF:1.901激光诱导增强电弧激光诱导增强电弧形成的条件和规律形成的条件和规律IEEETonPlasmaScience.2008,36(4)IF:1.457Optics&LasersinEngineering.2009,47(11)IF:1.262脉冲激光脉冲激光诱导电弧诱导电弧激光与电弧激光与电弧能量耦合能量耦合物理压缩物理压缩增强电弧增强电弧激光与电弧激光与电弧相位耦合相位耦合开发相位触发协调控制系统开发相位触发协调控制系统————实现激光与电弧的相位匹配实现激光与电弧的相位匹配电压传感器电流传感器数据采集嵌入式处理器(A机)LPC21326脉冲整形电路脉冲驱动隔离输出主电路中的可控硅V1~V6过零比较同步采集同步变压器ABCRS485通信接口320×240液晶显示器嵌入式处理器(B机)LPC2132开关量输入键盘系统热备份MAXⅡCPLD脉冲同步跟踪、脉冲处理及双窄脉冲形成02109204.402109204.4已授权国防发明专利：开发焊接协调控制系统开发焊接协调控制系统————实现焊接过程及参数的协调控制实现焊接过程及参数的协调控制已授权国家发明专利：ZL03134043.1ZL03134043.1开发系列焊接装备开发系列焊接装备————低能耗激光诱导增强电弧一体化焊接系统低能耗激光诱导增强电弧一体化焊接系统多项发明技术群支撑了系列焊接装备的开发发明激光诱导增强电弧焊接新技术发明激光诱导增强电弧焊接新技术ScriptaMaterialia.2006,55:383-386IF:2.949MaterialsScience&EngineeringA.2005,390:76-80IF:1.901MaterialsScience&EngineeringA.2006,429:312-319IF:1.901焊接理论研究zz低焊接能耗低焊接能耗zz高焊接效率高焊接效率zz熔池稳定熔池稳定轻金属高强钢小功率固体激光小功率固体激光--电弧复合焊接效果电弧复合焊接效果0.4kWYAG激光5mm0.4kWYAG+1.5kWTIG5mm1.5kWTIG5mm2.5kWYAG激光4mm复合焊接熔深提高复合焊接熔深提高44倍以上倍以上；复合焊接速度提高复合焊接速度提高5~105~10倍；倍；达到达到3~4kW3~4kW大功率激光焊接能力。大功率激光焊接能力。焊接技术比较焊接技术比较（（60mm60mm大厚度高强钢板焊接）大厚度高强钢板焊接）焊接方法焊接方法激光激光功率功率(kW)(kW)电弧电弧功率功率(kW)(kW)焊接焊接效率效率能源消耗能源消耗比值比值激光诱导增强电弧焊接技术0.50.512128~108~1021.2%21.2%大功率激光电弧复合焊接奥地利FRONIUS88558~108~1044%44%激光焊接德国TRUMPF1515——10~1210~12100%100%电弧焊接德国CLOOS——881180%80%注：数据来自德国罗斯托克，西波美拉西亚有限公司-梅克伦堡州焊接训练研究所以及国家“十一五”科技计划验收报告、用户报告。引用上海交通大学吴毅雄、FORCEInstitute,Brøndby,Denmark：SteenErikNielsen等论文数据。获2007年国家技术发明二等奖获2007年中国技术市场协会金桥奖焊缝性能对比注：数据来自德国罗斯托克，西波美拉西亚有限公司-梅克伦堡州焊接训练研究所以及国家“十一五”科技计划验收报告、用户报告。引用上海交通大学吴毅雄、FORCEInstitute,Brøndby,Denmark：SteenErikNielsen等论文数据。焊缝性能对比动载性能系数动载性能系数焊接方法焊接方法激光激光能量能量(kW)(kW)电弧电弧能量能量(kW)(kW)组对间隙组对间隙(mm)(mm)高强钢高强钢镁合金镁合金激光诱导增强电弧焊接技术0.50.512121.5~21.5~295%95%95~100%95~100%大功率激光电弧复合焊接奥地利FRONIUS88551.5~11.5~190%90%————激光焊接德国TRUMPF1515——0.2~0.50.2~0.590%90%70~75%70~75%电弧焊接德国CLOOS——881.5~21.5~280~90%80~90%60~70%60~70%获2007年国家技术发明二等奖获2007年中国技术市场协会金桥奖科研成果奖励科研成果奖励获获20072007年国家技术发明二等奖年国家技术发明二等奖“基于能源节约型低能耗激光增强电弧高效焊接集成技术”ƒƒ焊接效率焊接效率氩弧焊接5~10倍ƒƒ焊接成本焊接成本6~8mm镁合金焊接，成本降低1/5~1/10500W激光+200A电弧≈3~5kW单独激光激光焊接2倍以上主要技术指标的先进性主要技术指标的先进性焊接熔深组对间隙焊接速度激光焊接4倍以上氩弧焊接2倍以上典型结构件焊接工艺典型结构件焊接工艺zz镁合金薄板激光镁合金薄板激光--电弧复合热源拼焊工艺电弧复合热源拼焊工艺(0.5mm~5mm)(0.5mm~5mm)成型连续稳定、同种和异种焊接接头强度达到母材的成型连续稳定、同种和异种焊接接头强度达到母材的95%95%。。表面形貌表面形貌抗弯试验抗弯试验典型结构件焊接工艺典型结构件焊接工艺zz钛合金激光钛合金激光--脉冲脉冲TIGTIG复合热源拼焊工艺复合热源拼焊工艺(0.5mm~5mm)(0.5mm~5mm)成型连续稳定、拉伸强度高。成型连续稳定、拉伸强度高。拉伸断裂位置拉伸断裂位置横截面形貌横截面形貌TA15TA15，，2.0mm2.0mm典型结构件焊接工艺典型结构件焊接工艺zz高强钢激光高强钢激光--电弧复合热源焊接电弧复合热源焊接(10mm~50mm)(10mm~50mm)成型连续稳定、焊接效率高。成型连续稳定、焊接效率高。典型结构件焊接工艺典型结构件焊接工艺zz铝合金激光铝合金激光--电弧复合电弧复合TT型结构件型结构件成型连续稳定、焊接效率高。成型连续稳定、焊接效率高。典型结构件焊接工艺典型结构件焊接工艺zz钛合金激光钛合金激光--脉冲脉冲TIGTIG复合热源复合热源TT型结构件型结构件工艺穿透性强，表面成型好、实现了有效连接。工艺穿透性强，表面成型好、实现了有效连接。钛合金不等厚框型结构件焊接工艺钛合金不等厚框型结构件焊接工艺zz合作单位：沈阳飞机工业集团有限公司合作单位：沈阳飞机工业集团有限公司技术要求：单面焊双面成型，冲击、疲劳性能好。技术要求：单面焊双面成型，冲击、疲劳性能好。钛合金框型结构件钛合金框型结构件框型结构件壁厚框型结构件壁厚1212--18mm18mm钛合金不等厚框型结构件焊接工艺钛合金不等厚框型结构件焊接工艺zz合作单位：沈阳飞机工业集团有限公司合作单位：沈阳飞机工业集团有限公司保护效果好，正反面焊缝过渡圆滑。保护效果好，正反面焊缝过渡圆滑。感谢各位专家！感谢各位专家！