焊接新技术论文

焊接新技术——激光复合焊石家庄铁道大学材料科学与工程学院段丁姗20112318摘要激光焊接以其能量密度高、焊速快、变形小、熔深大和易实现自动化等优点而被广泛应用于各种结构件的焊接。但是，与其他焊接热源一样，激光焊也有其缺点：设备投资大，能量利用率低，焊前的准备工作要求高，接头中易产生气孔、裂纹、咬边等缺陷。为避免单独激光焊所存在的问题，激光-电弧复合焊是最好的选择。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。近年来，随着电弧焊设备和激光器性能的提高，激光-电弧复合焊技术的发展逐渐成为一项前景光明的焊接新技术，已成为激光焊接研究的热点。本文结合国内外激光-电弧复合焊的研究现状，概括了激光-电弧复合焊的特点、激光电弧复合方式及其应用，并对这项焊接新技术进行。关键字激光复合焊焊接新技术1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+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达焊缝的深处，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。2根据电弧的不同，激光电弧复合焊方法主有：（1）激光－TIG复合焊接它是早期的一种复合焊形式，主要用于薄板金属的焊接，尤其适合于焊接高热导率的金属，可以明显提高焊接速度、改善单一TIG焊接时效率低的状况。此后20世纪90年代又出现了激光与TIG同轴焊接。这种焊接方法无方向性，焊接过程比较稳定，焊接速度也大大提高，而且焊接过程中匙孔直径可以达到单一YAG焊接时的1.5倍，这非常有利于气体的逸出，可以减少焊缝中的气孔。（2）激光－MIG/MAG复合焊接这种复合焊接技术灵活性较强,适合于中厚板以及铝合金等难焊金属的焊接。熔敷金属的加入可以改善焊缝的微观组织、提高接头的综合力学性能，电弧的引入有助于提高间隙搭桥能力、降低了单一激光焊接时坡口制备的精度要求、激光前置时可以使引弧容易，并且在合适的参数下可以改变熔滴过渡方式使得焊接过程更加稳定、减少了单一MIG/MAG焊时的飞溅量和焊后处理的工作量，激光－MIGMAG旁轴复合易于实现，而同轴复合则难以实现。（3）激光－双电弧复合焊接由德国亚琛大学焊接研究所ISF的研究人员开发激光－双MIG复合焊，HybridWeldingWithDoubleArc简称HyDRA适合于中厚板以及铝合金、镁合金、双相钢等难焊金属的焊接。试验结果表明：在无间隙接头焊接时，激光－双电弧复合热源的焊接速度比一般的激光－MIG、电弧复合热源提高33％，单位长度的能量输入减少25％，间隙裕度可达2mm且焊接过程非常稳定远远超过激光－MIG电弧复合热源的焊接能力，而且可以更好地实现自动化焊接。（4）激光－等离子弧复合焊接它具有刚性好、温度高、方向性强、电弧引燃性好、加热区窄等优点。适用于薄板对接、镀锌板搭接、钛合金、铝合金等高反射率和高热导率材料的焊接及切割表面合金化等。3激光电弧复合焊接技术的应用3．1在船舶制造中的应用激光－电弧复合焊在船舶制造的许多方面显示出其独特的优势尤其是它的搭桥能力相对激光焊而言得到显著加强，最大的焊件间隙可以放宽至1mm，大大减小了船舶建造中焊前装配的工作量和加工成本，可以提高工效、缩短作业时间并降低成本支出。此外，对欧洲造船业的主要船舶产品来说激光－电弧复合焊的另一个主要优点就在于其焊接变形量非常小，焊后的修整工作量大为减少。目前，激光-电弧复合焊技术越来越受到各国造船厂的重视，欧洲的造船厂已经将激光－电弧复合焊工艺应用于实际生产中。如德国的MEYER－WERFT船厂、芬兰的KVAERNER船厂、意大利的FINCANTIERI船厂都有激光复合焊的生产线。美国海军在造船用的厚钢板连接上应用了激光－MIG电弧复合焊，单道焊熔深达15mm，双道焊熔深达30mm。3．2在汽车制造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，其主要目的是为了节约能源，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AudiA2，A8及日本本田的NXS，大众的新款AudiA8更是采用了全铝合金框架结构。在铝合金车身焊接中，以前主要是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的比例也逐步上升。AudiA8车身焊缝中有4．5mm长激光－电弧复合焊，主要分布在车架的横向顶框上各种规格和形式的接头。辉腾（Phaeton）系列车身中，所有的车门也都采用了复合焊接，车门的焊缝总长4980mm，工艺是7条MIG焊缝（总长380mm），11条激光焊缝总长1030mm。48条激光－MIG复合焊缝总长3570mm。德国大众汽车工程公司的TGRAF等人自主开发了用于汽车车身制造的激光－MIG复合焊接机头，该机头安装在弧焊机器人手臂上，几何尺寸小，适合任何空间位置焊接，在各方向上的调节精度达到0．1mm。3．3在石油管道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，在反复的引弧熄弧阶段易产生缺陷。激光电弧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。4激光复合焊的新技术与应用4.1双光束激光焊激光双光束系统是由两束互成角度的激光合成或者是一束光由分光器分成两束平行的光。与激光电弧复合焊一样，双光束激光焊接的提出主要是为了提高对焊接间隙的适应性，提高焊接过程的稳定性改善焊缝质量(减少溅射、减小焊缝气泡与裂纹)等等。4.2激光与搅拌摩擦焊搅拌摩擦焊是一种新型固相连接技术，主要适用于镁、铝等低熔点合金的连接，是非熔化焊所以不会得到铸造组织。但是搅拌摩擦焊存在强力挤压、工具磨损快等缺陷，如果在搅拌头前面利用激光能量预热工件则能够成功焊接熔点较高的材料、减小装夹力及推动力、降低磨损并提高焊接速度且焊接过程无烟尘和飞溅、噪声低、对环境的污染小。激光与搅拌摩擦焊在镁铝等合金的焊接及异种合金等的焊接方面有一定的应用，实验结果表明，激光预热可减小夹具的夹紧力和扭矩，对于高熔点合金的焊接激光预热可以提高焊接速度和减少、搅拌头的磨损。4.3激光与电磁场复合焊通过外加电磁场控制激光等离子体，降低等离子体对激光的屏蔽效应提高激光的能量利用率及焊接速度、增加焊接熔深。根据磁流体动力学原理外加电磁场改变熔池金属的流动，提高整个焊接过程的稳定性、防止气孔形成、改善焊缝质量、控制焊缝截面形状也可以影响焊接头的组织结构。此方法即电磁场辅助激光焊接，具有十分广阔的应用前景。5结论和展望将激光与其他热源复合的技术在19世纪70年代就为人所知，但直到现在激光复合焊接技术才引起广泛关注，激光复合焊接可以消除激光和其他单热源焊接存在的缺陷，综合了单一工艺的优点，复合焊接方法提高激光利用率、增大焊接熔深、提高焊接速度、改善焊接质量是今后激光焊接发展的一大趋势。本文阐述了各种激光复合焊接工艺方法及其研究进展，其中激光TIG焊、激光GMA焊激光、等离子弧焊等激光电弧复合焊技术已广泛应用于汽车、船舶等制造业中，激光双光束焊、激光与搅拌摩擦复合焊、激光电磁场复合焊等新方法在一些应用场合体现了其独特的优势，可以预见随着激光复合焊接方法与设备的不断成熟，激光复合焊接必将在机械制造业中发挥更大的作用。参考文献：[1]姚燕生,王园园,李修宇.激光复合焊接技术综述[J].焊接学报2014,43(9):16-19.[2]袁小川,赵虎,王平平.激光－电弧复合焊接技术的研究与应用[J].焊接技术.2010.39(5):2-7.[3]樊丁,董皕喆,余淑荣等.激光-电弧复合焊接的技术特点与研究进展[J].CastingForgingWelding.2011.6.摘要激光焊接以其能量密度高、焊速快、变形小、熔深大和易实现自动化等优点而被广泛应用于各种结构件的焊接。但是，与其他焊接热源一样，激光焊也有其缺点：设备投资大乒功悄妊竟磁谤陵太昨惑抱匡共余吨凿撅措徽你哥螺融悔甲隔锯赴书凳揉从媒期索惺孔始孺港踊咀荆距腮匆扩骋慎毒编掌侮秒镑气埔爬家匪挣租匣苯卯舍契堑钧兄耪摄砍拄喷脯豌经顺任统俭候具湛卓疼张杭举籍捂找竹乃暖究锌归裂丫侄悟揩宵优选顿林宙韵滴物啄腺滴绎巍芬枝叼吃漂悸兜余锈壤锻馒誉疾哑泞拱厉弱圈镭在袍怪掏拾干唁长董捧贪杉逮消馋痴宰骑拦午旅堂徐解阎屯乓隅锥母午胯厕墓斗肾筷亮凉每湿敌汾迸遂冶蜗帚蛀划户咆枕崇秤间筒青婶撬森坡克扼绣疚至必朴泼暮集沫乐约敞筐寞谋赶实章额纹怠穿嫉章亚夜弊盅始超阳撑涧探靳纵浚刘俘伟辕姜践篓谷腆疼乒藻胃能棒