第五章-先进激光焊接新工艺和新方法

第五章先进激光焊接新工艺与新方法第五章先进激光焊接新工艺与新方法1.为什么要用先进激光焊接工艺？为什么要用先进激光焊接工艺？2.新工艺和新方法主要有哪些？各新工艺主要解决什么问题？3.各新工艺主要解决什么问题？4.新工艺的工业应用及其如何合理选择不同工艺？x-PDFWatermark引言激光焊接的基本特点能量密度大成本等离子体能量密度大精度高成本装配精度熔池焊接速度快变形小反射率气孔、裂纹熔池匙孔变形小柔性大气孔、裂纹焊接过程稳定性差开发高效高适应激光焊接新技术开发高效高适应激光焊接新技术x-PDFWatermark5.1激光－电弧复合热源焊接技术八十年代初，英国利物浦大学W.Steen教授首次提出激光－电弧复合焊接原理八十年代初，英国利物浦大学W.Steen教授首次提出LaserBeamElectrodeLaserBeamLaserPlumeKeyholeShieldingGasFusionZoneyBaseMaterialWeldMetal指导思想：指导思想：有效利用电弧能量，降低激光成本；提高适应性与焊接效率。提高适应性与焊接效率。x-PDFWatermark5.1激光－电弧复合热源焊接技术TorchTorchTorchLaserbeamTorchLaserbeam联合焊接Weldmetal耦合焊接(复合焊接)Weldmetal耦合焊接联合焊接(复合焊接)HybridweldingLaserweldingP=8kWI=260AP=10kWP=8kW,I=260Ax-PDFWatermark5.1激光－电弧复合热源焊接技术激光－电弧复合焊接特点能量密度提高，增大焊接熔深。增大熔深增大熔深较低功率激光与电弧复合可获得高功率等级激光的焊接熔深。降低成本降低成本降低对间隙、对中、错边的敏感性。激光－ACTIG复合焊接铝合金有利于氧化膜破碎、匙孔稳定、减少气孔。提高适应性提高适应性稳定、减少气孔。电弧的辅助加热，可提高激光焊接速度；激光引导电弧，可实现高速TIG焊接。提高效率提高效率引导电弧，可实现高速TIG焊接。减少缺陷减少缺陷减缓凝固时间，改善熔化金属与固态母材的润湿性，减少气孔、裂纹、咬边等缺陷。湿性，减少气孔、裂纹、咬边等缺陷。x-PDFWatermark5.1激光－电弧复合热源焊接技术激光与电弧的相互作用位置ElectrodeShieldgasforlaserLaserbeamShieldgasforarcHollowelectrodeArcWorkpiece旁轴复合同轴复合适合三维空间焊缝焊接，自动化程度高；参数不易调节，结构复杂结构复杂。。灵活性强，设备简单，焊接参数灵活性强，设备简单，焊接参数调整相对容易；调整相对容易；结构体积大焊接方向性限制结构体积大焊接方向性限制参数不易调节，结构复杂结构复杂。。结构体积大、焊接方向性限制。结构体积大、焊接方向性限制。x-PDFWatermark5.1激光－电弧复合热源焊接技术同轴复合方式laserbeamlenslaserbeam1laserbeam2LaserbeamelectrodearcPlasmatorcharcPlasmaarcWorkpiece双光束与电弧同轴复合多电极同轴复合空心电极同轴复合x-PDFWatermark5.1激光－电弧复合热源焊接技术激光与电弧热源类别激光种类：CO2、YAG、Diode、FiberCO2、YAG、Diode、Fiber电弧种类：TIG、MIG/MAG、PLASMALaserbeam激光－TIG电弧TIG、MIG/MAG、PLASMAPlasmatorchPlasmaarcWorkpiece激光－MIG/MAG激光－Plasma激光－双电弧x-PDFWatermark5.1激光－电弧复合热源焊接技术能量传输机制能量传输机制激光＋TIG/等离子弧激光＋MIG/MAG电弧电弧形态变化熔滴过渡变化x-PDFWatermark5.1激光－电弧复合热源焊接技术复合电弧的稳定性复合电弧的稳定性稳定焊接过程稳定焊接过程非稳定焊接过程非稳定焊接过程x-PDFWatermark5.1激光－电弧复合热源焊接技术复合焊接熔滴过渡稳定性控制不稳定熔滴过渡稳定熔滴过渡不稳定熔滴过渡（低保护气流）稳定熔滴过渡（较高保护气流）x-PDFWatermark5.1激光－电弧复合热源焊接技术电弧形态变化激光-TIG复合能量传输机制TIG焊激光-TIG复合焊激光-TIG复合焊电弧形态变化旁轴复合复合同轴复合电弧根部被牢固吸引和收缩,热源在工件表面的作用区明显减小x-PDFWatermark5.1激光－电弧复合热源焊接技术复合焊能量密度变化热源作用于工件表面的能量密度：2EI=纯电弧电流密度I－能量密度2IrπI－能量密度E－复合热源总功率r－复合热源作用半径复合后电弧电流密度可提高几十倍！复合电弧电流密度复合后电弧电流密度可提高几十倍！x-PDFWatermark5.1激光－电弧复合热源焊接技术物理机制三个区域：三个区域：1.两种热源复合前2.两种热源初始复合3两种热源在工件表面的复合激光光致等离子体是导致电弧根部收缩的根本原因3.两种热源在工件表面的复合x-PDFWatermark5.1激光－电弧复合热源焊接技术物理机制电弧放电机理电弧电压特征匙孔加热→大量金属蒸气和激光等离子体提供导电通道→电弧电阻↓→电流不变→电弧产热↓→电弧散热↓→电弧收缩焊接最小电压原理：电阻↓→电流不变→电弧产热↓→电弧散热↓→电弧收缩激光匙孔局部高温区→热电子发射↑→电弧斑点→电弧收缩电弧斑点机理：激光匙孔局部高温区→热电子发射↑→电弧斑点→电弧收缩x-PDFWatermark5.1激光－电弧复合热源焊接技术复合焊接“能量有限增强”现象180P=1000W,V=1m/min激光100120140160P1000W,V1m/minsity(A/mm2)铜板电极406080100ecurrentdens有机玻璃2040608010012014016018020022002040AverageCurrent(A)弧根电流密度分布Current(A)由于电弧对激光的屏蔽作用，复合热源的能量只能在一定电流I=0AI=100AI=200A由于电弧对激光的屏蔽作用，复合热源的能量只能在一定电流范围下有限增强。x-PDFWatermark5.1激光－电弧复合热源焊接技术应用特点间隙偏离中心线错边长焊缝焊接间隙0.4mm偏离中心线0.5mm错边激光焊(2mm厚不锈钢)锈钢)激光－TIG复合TIG复合焊激光-TIG电弧复合焊接对焊缝适应性好。x-PDFWatermark5.1激光－电弧复合热源焊接技术薄板高速焊接薄板（高速薄板（0.16mm)高速激光焊隆起现象单激光48m/min激光—等离子弧复合67.5m/min即使在较高的摆动频率下，电弧仍能被激光控制。x-PDFWatermark5.1激光－电弧复合热源焊接技术激光-MIG/MAG复合能量传输机制主要问题：熔滴过渡稳定性FRLElectrodeFLaserbeamFp2RwDropletFγvgFFhemLaserplasmaMetalvapourBasematerialBasematerial激光加入改变了原有GMA电弧的稳定焊接区间范围与熔滴过渡频率。激光加入改变了原有GMA电弧的稳定焊接区间范围与熔滴过渡频率。x-PDFWatermark5.1激光－电弧复合热源焊接技术复合焊接熔滴受力分析表面张力EltdLaserbeamF2RwFγ熔滴重力等离子流力FRLElectrodeFγLaserplasmaFpgFPFFRL金属蒸气反作用力复合电弧收缩力FDropletBasematerialBasematerialvgFFhemLaserplasmaMetalvapourP静态力平衡原理：复合电弧收缩力Fhem垂直于焊丝轴线：沿焊丝轴线方向：sinsinsinhemRLgFFFθαα+=coscoscosRLhemgpFFFFFγαθα+=++（促进）（阻碍）x-PDFWatermark5.1激光－电弧复合热源焊接技术复合焊接熔滴过渡稳定性控制不稳定复合焊接过程稳定复合焊接过程（附加外力）稳定复合焊接过程（附加外力）激光阻碍熔滴过渡，沿焊丝轴向施加某种附加机械外力可以提高熔滴过渡频率和稳定性以提高熔滴过渡频率和稳定性x-PDFWatermark5.1激光－电弧复合热源焊接技术复合焊接熔滴过渡稳定性18V21V33VGMA焊接复合焊接Laser+GMAWGMAWOnly中小电流焊接：电压影响明显；熔滴过渡周期变长，不利于复合焊接熔池稳定焊接熔池稳定；大电流焊接：激光加入对焊接电流影响不大，适合于激光与GMA短路过渡喷射过渡流影响不大，适合于激光与GMA电弧的复合焊接x-PDFWatermark5.1激光－电弧复合热源焊接技术应用特点应用优势：应用优势：中厚板焊接；适合铝合金、镁合金、适合铝合金、镁合金、铜合金材料；适合大间隙焊；高速焊；电弧焊、激光焊、复合热源焊接比较结果高速焊；x-PDFWatermark5.1激光－电弧复合热源焊接技术工业应用应用领域：•汽车•造船•造船•重工业•航空航天铁道运输夹层板铝合金轴•铁道运输夹层板不锈钢管线铁道车辆铝合金壁板船体x-PDFWatermark5.1激光－电弧复合热源焊接技术造船工业2002年，Meyer船厂建立第一条激光复合焊接生产线用于焊接船体接生产线用于焊接船体甲板。包含四台激光复合热源焊接系统，分别焊接对接、角接焊缝，焊接对接、角接焊缝，每条焊缝长度20m。对接焊，零间隙装夹角接焊，单侧全熔透x-PDFWatermark工业应用工业应用5.1激光－电弧复合热源焊接技术年，首次将激光电弧复合焊接技术成功油气管线2000年，FraunhoferILT首次将激光-GMA电弧复合焊接技术成功地应用到了5～8mm厚储油罐壁焊接的批量生产中；对不精确的预处理条件有较强的适应性；对不精确的预处理条件有较强的适应性；与单激光焊接相比，在增加能量输入的基础上，减小了焊缝和热影响区的硬度，工础上，减小了焊缝和热影响区的硬度，工作效率提高25％；x-PDFWatermark5.1激光－电弧复合热源焊接技术油气管线德国的VIETZ公司与BAM研究所联合研制出10KW光纤激光—GMA复合成套工艺与装备技术，目前正在进行野外的试应用。x-PDFWatermark5.1激光－电弧复合热源焊接技术汽车工业激光-电弧焊接新奥迪A8顶梁上各种规格和型式的接头，焊缝总长45m。激光-电弧焊接的克莱斯勒C级（204系列）轿车轴部件，焊接速度45m/min。规格和型式的接头，焊缝总长4.5m。轿车轴部件，焊接速度4.5m/min。x-PDFWatermark5.1激光－电弧复合热源焊接技术典型复合焊接头旁轴复合头同轴复合头旁轴复合头同轴复合头x-PDFWatermark5.2激光填丝填粉焊激光填丝焊1、解决了对工件装夹、装拼要求严的问题；装拼要求严的问题；2、可用较小功率激光器实现厚板多道焊；实现厚板多道焊；3、通过调节焊丝成分，可控制焊缝区组织性能。可控制焊缝区组织性能。对裂纹等缺陷更易控制，利于异种材料及脆性材料的焊接。料的焊接。国防科技工业焊接自动化技术研究应用中心x-PDFWatermark5.2激光填丝填粉焊激光填丝焊激光填丝焊焊接铝合金激光填丝焊焊接低碳钢零件激光填丝焊焊接低碳钢零件x-PDFWatermark5.2激光填丝填粉焊激光填丝焊的送丝特性根据焊件厚度与间隙大小，送丝速度与焊接速度存在如下关系：2gapwf4KWvDvπδ=4式中，为拼缝间隙(mm)，gapW为工件厚度(mm)，为焊接速度(m/min)，gapδwv为焊丝直径(mm),为送丝速度(m/min)，为成形系数，由余高的要求确定，约为11～12。DfvK为成形系数，由余高的要求确定，约为1.1～1.2。Kx-PDFWatermark5.2激光填丝填粉焊激光填丝焊的送丝特性激光填丝焊的送丝特性一般送丝角度在15～60º之间较为合适。激光焊丝送丝