激光焊接復合焊的發(fā)展

    人們對激光焊接的研究從20世紀60年代激光器誕生不久就開(kāi)始了，從開(kāi)始的薄小零件或器件的焊接到目前大功率激光焊在工業(yè)生產(chǎn)中的大量的應用，經(jīng)歷40多年的發(fā)展。由于激光焊接具有能量密度高、變形小、熱影響區窄、焊接速度高、易實(shí)現自動(dòng)控制、無(wú)后續加工的優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)正成為金屬材料加工與制造的重要手段，越來(lái)越廣泛地應用在汽車(chē)、航空航天、國防工業(yè)、造船、海洋工程、核電設備等領(lǐng)域，所涉及的材料涵蓋了幾乎所有的金屬材料。隨著(zhù)激光焊應用的不斷擴大，激光焊的缺點(diǎn)也逐漸顯現出來(lái)。首先，激光設備價(jià)格昂貴，一次性投資量大。激光焊接本身存在的間隙適應性差，即極小的激光聚焦光斑對焊前焊件的加工裝配要求很高，工藝要求嚴格地定位裝配，典型的最大允許的焊縫間隙不大于材料厚度的0.1倍，這就導致了需要特殊的昂貴的夾具裝置。其次，激光焊作為一種以自熔性焊接為主的焊接方法，一般不采用填充金屬，因此在焊接一些高性能材料時(shí)，對焊縫的成分和組織控制困難。高的焊接速度導致高的凝固速度，這樣在焊縫中可能產(chǎn)生裂紋或氣孔，或得到比傳統焊接方法性能更脆的焊縫。最后，像鋁、銅和金這樣的高反射材料，用YAG激光焊接比鋼材焊接要困難得多，而用CO2仇激光焊則更困難。

在過(guò)去的幾年間，激光與次要熱源的聯(lián)合使用引起了人們的關(guān)注。激光復合焊的原理如圖4-21所示。激光源與次要熱源共同作用的工藝稱(chēng)之為激光復合焊。

如圖4-21所示   激光焊接復合焊的原理

  激光激光焊接復合焊的發(fā)展經(jīng)歷了三個(gè)階段。

第一階段為激光復合焊的發(fā)明階段，歷了約17年的時(shí)間。由英閏帝國大學(xué)的Wil-Ijaii Steen等首先引人派光復合的概念，將激光和電弧聯(lián)合應用于焊接和切割。根據這些初始的試驗的結果，觀(guān)察和描述了激光與電弧相互作用基本特性，例如，在激光聚焦區域內陽(yáng)極斑點(diǎn)的收縮和激光輻射的影響下穩定電弧的行為。從實(shí)踐的觀(guān)點(diǎn)出發(fā)，激光復合焊在焊接薄板時(shí)焊速可激劇地增加。試驗很清晰地表明，等離子弧與CO2激光復合工藝 具有很多優(yōu)點(diǎn)，與單純激光焊相比，焊速提高了 50%~100%，熔深增加了 20%而焊接過(guò)程更加穩定(更窄)。因而，大多數實(shí)用的激光和電弧聯(lián)合使用的工藝在1980年中期就提出了。但是，這些發(fā)明并沒(méi)有使激光復合焊很快用于工業(yè)之中，其原因是在那時(shí)激光本身仍然不是經(jīng)濟的、 普通的、且好使用的工具。

在激光復合焊發(fā)展的第二階段中，人們觀(guān)察到的激光會(huì )影響弧柱行為，改善了弧焊功效，導致了激光強化電弧焊技術(shù)的應用。該焊接工藝的特征是僅需使用很低的激光功率，要求的功率甚至比總電弧功率還小。例如，對于鎢極氬弧焊，僅需100雙的低的激光功率就可支持電弧燃燒，增加了電弧的穩定性，改善了焊接質(zhì)量，分別減少了電弧尺寸和更高的電弧電流，允許采用更高的焊接速度。然而，盡管有激光支持的電弧焊的改善的報道，但隨后既沒(méi)有對這個(gè)項目進(jìn)行廣泛的研究， 也沒(méi)有將激光強化電弧焊技術(shù)應用于工業(yè)。

激光復合焊的第三階段起始于1990年，是將激光作為主要熱源，附加電弧作為次要熱源聯(lián)合發(fā)展的。在那時(shí)，連續CO2激光已經(jīng)很好地用于工業(yè)中，人們也深入了解到這種連接工藝的一些弱點(diǎn)，如對焊接裝配和夾具要求很高、高的凝固速率導致與材料有關(guān)的氣孔和裂紋以及激光設備投資和使用成本高等。另外，單獨用激光不能滿(mǎn)足大規模的焊接應用，如汽車(chē)工程的剪裁板的焊接、造船工業(yè)條件下的厚板焊接以及裂紋敏感材料的高速焊接等。在過(guò)去10年間，激光復合焊得到了快速發(fā)展，現已應用到工程實(shí)際中。

 激光焊接復合焊縫的顯著(zhù)特征是由傳統焊接的酒杯型焊縫(見(jiàn)圖4-22a)和激光焊深穿透小孔型焊縫(見(jiàn)圖4-22b)混合而成的，哪種形式占優(yōu)取決于激光和傳統熱源的比例。

  激光-電弧復合焊集合了激光焊大熔深、高速度、小變形的優(yōu)點(diǎn)，又具有間隙敏感性低、焊接適應性好的特點(diǎn)，是一種優(yōu)質(zhì)高效焊接方法。其優(yōu)勢主要體現在以下方面：

1)可降低焊件裝配要求，間隙適應性好。

2)有利于減小氣孔傾向。

3)可以實(shí)現在較低激光功率下獲得更大的熔深和更高焊接速度的目標，有利于降低成本。

4)電弧對等離子體有稀釋作用，可減小對激光的屏蔽效應；同時(shí)，激光對電弧有引導和聚焦作用，使焊接過(guò)程穩定性提高。

5)利用電弧焊的填絲可改善焊縫成分和性能，對焊接特種材料或異種材料有重要意義。

 圖4-22不同激光焊接方法焊縫的橫截面圖 (材料為A-36，焊接速度為1m/min) 

a)氣保焊，熱輸入為830J/mm 

b)b)YAG激光焊,功率為4KW，熱輸入為240J/mm 

c)c)YAG激光焊+氣保焊，功率為4kw，熱輸入為1060J/mm