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激光电弧复合焊接技术讲解
激光电弧复合焊接技术
Laser-ArcHybridWeldingTechnology
北京航空制造工程研究所
朱轶峰
董春林
[纲要]介绍了一种激光电弧复合焊接技术,阐述了此技术的原理、设施、优势
及其应用远景。
要点词:
激光电弧复合焊接设施应用远景[ABSTRACT]AIaser-arc1ybrid
weIdingtec1-noIogyisintroduced.ItsprincipIe,eguipment,advantagesandapp
Iicationprospectaredescribed.
Keywords:
Laser-archybridweldingEguipment
Applicationprospect
激光作为高能束流热源吸引了愈来愈多工程技术人员的注意,从昨年的第七届阿亨国际焊接会议上可以看出,激光焊接已经成为国际焊接界的关注热门。
而激光电弧复合焊接作为此中的新兴技术惹起了工程界、公司界的宽泛重视,在欧美和日本先后有多家汽车制造厂和造船厂斥资投入这方面的研究,并有厂家率
先进入了工程化应用阶段
[1]
。
1原理
因为激光的能量密度很高(可高达107W/cm2,
所以激光焊接的速度快,焊接深度深,热影响区小,可以进行精细焊接。
利用聚焦优秀的激光束可进行金属、塑料以及陶瓷的焊接,并已用于印刷、精细机械等行业。
采纳深熔焊接技术(即穿孔焊接,大功率的激光束流一次焊接金属资料厚度可达20mm以上,同时具有比较高的焊接速度,热影响区比较小。
因为激光束流比较渺小,所以焊接时对拼接接头的空隙要求比较高(<0.10mm,熔池的搭桥能力(GapBridgingAbiIi-ty
比较差,同时因为工件表面的激烈反射影响了束流能量向工件的传达,高能激
光束致使熔池金属的蒸发、汽化、电离,形成光致等离子体,严重影响了焊接过程
的稳固性,所以焊接过程中激光的实质能量利用率极低。
以CO2激光器为例,其量
子效率为38%,电光效率为15%~20%,实质激光器运行的总效率<
20%
[2]
一般以为为激光器输出功率的3%~30%,故能源浪费严重。
而弧焊作为一种成熟的金属连结技术已经在工业界获取宽泛的应用,但因为束
流能量密度的限制,相对
于高能束流焊接而言,弧焊的焊接厚度与焊接速度均
比较小,且焊缝的热影响区比较大,焊缝拥有较小的深宽比。
因电弧的搭桥能力比较强,故对焊接工件的间隙要求不严格,能够抵达工件厚度的10%,电弧能量的利用率抵达输出功率的60%以上。
激光电弧复合热源焊接技术是一种新兴的特种制造技术。
它是将物理性质、能量传输体制截然相反的两种热源复合在一同,同时作用于同一加工地点,既充散发挥了两种热源各自的优势,又互相填补了各自的缺少,进而形成一种崭新高效的热源。
其原理表示图
见图1
[3]
。
采纳复合热源焊接与单热源焊接对比,相同工艺参数焊接速度可提升1倍;与独自采纳激光束进行焊
接对比较,接头熔深增大20%,
并且对激光束质量、对接焊缝空隙及焊缝追踪精度的要求大大放宽了。
与填补焊丝激光焊接对比,即便焊缝对接根部空隙抵达1
mm,采纳激光电弧复合热源焊接也能够获取优秀的成形接头,并且能够做到相辅相成、扬长避短,即:
利用电弧先期融化工件表面,形成利于汲取激光能量的浅层熔池,降低金属表面的反射率,再用高能量的激光束击穿工件形成小孔,进行高速穿孔焊接。
图1激光电弧复合焊接原理表示图
Fig.1
PrincipIeofIaser-arc1ybridweIdingprocess
电弧的介入,不单能够降低金属表面对激光束的反射率,并且电弧等离子体将汲取光致等离子体,进而有效地提升了激光束的能量传输效率,所以激光电弧复合热源将是铝合金的理想焊接热源。
焊接速度有
2
3科技成就?
学术论文
2002年第11期
了成倍的提升,焊接变形显然减小,焊接能力与激光焊持平,搭桥过渡能力强于激光焊。
同时,采纳激光电弧复合焊接工艺后,丈量基体金属(BM、热影响区(HAZ及交融线(FL内的焊缝区(WM的硬度有显然的降落,见图
2(图中!
为两个热源间的距离。
图2沿复合焊接焊缝横截面硬度的变化Fig.2Hardnesstraverseataright-angIetothecombinedIaserbeam
2激光电弧复合焊接设施
2.1激光与钨极氩弧焊(Laser-TIG
Nd:
YAG,CO2激光器与钨极氩弧焊进行复合主要用于薄板的焊接。
激光束
经过光致等离子体或匙孔起到稳固阳极斑点的作用。
图3显示了一个由ILT公司开发的Laser-TIG复合焊头。
图3激光-钨极氩弧复合焊头
Fig.3Laser-TIGweIdingtorch
采纳激光钨极氩弧焊复合工艺能够提升焊接速度。
图4展现了分别采纳
Nd:
YAGLaser,Laser-TIG(直流正接,TIG(交流焊接2mm厚铝镁合金(AIMg
3
板材对接接头的截面。
能够看出,复合焊接工艺既拥有激光焊接的高速度,又拥有氩弧焊相同平滑的焊缝。
图4采纳不一样工艺焊接的铝镁合金接头
Fig.4AIMg3ointsbyusingdifferent
weIdingprocesses
2.2激光与等离子弧焊接(Laser-PAW
激光与等离子弧焊接的复合可经过两种渠道实现,见图5。
图5激光-等离子复合焊头
Fig.5Laser-pIasmahybridweIdingtorch
图5(a为旁侧复合,易于实现,但因为其等离子弧焊枪的特别构造,致使它与激光束流复合的调理余地减小。
即便这样,试验结果也已看出这类复合的优势。
图
5(b为由乌克兰巴顿焊接研究所研制的一种新式激光等离子弧复合焊炬原理表示图已经申报美国专利。
该技术奇妙地将激光聚焦光参加等离子弧焊枪的环形钨极中使激光束流与等离子弧共同作用在一个较小的地区,此时电弧实质上起到两个作用:
(I经过额外的能量输入提升激光焊接的能力,进而提升整个工艺的效率;
(2这类激光束流与等离子弧的共心散布能够获取确立的热散布模式。
这类热散布降低了33科技成就?
学术论文
航空制造技术
冷却速率,减少了对硬度的敏感性,改良了节余应力状态。
2.3激光与融化极惰性气体保护焊
(Laser-GMA近来的研究说明,这类复合技术拥有较强的活力。
弧焊工艺的参加有助于提升空隙搭桥能力,降低本来采纳纯激光焊接时坡口制备的精度要求;复合焊接工艺中电弧的能量输入能够方便地控制冷却状态;经过匙孔效应激光束流使得起弧简单,弧焊工艺更稳固,有助于能量向深层传达。
图6为一个激光气体融化极弧
焊的复合焊头。
图6CO2iaser-GMA复合焊头
Fig.6
HybridCO2iaser-GMAweidinghead
图示的焊头原型是由ILT公司研制的。
这类焊
头负气流直接射到工件表面,防备保护气体遇到溅射物的污染,但美中缺少的
是,激光束流的轴线与电极轴线的夹角可调理余量太小。
3应用远景
激光电弧复合热源焊接技术的探究性研究始于
80年月初
[4~6]
。
进入90年月以来,跟着激光焊接在工业自动化生产中的应用日趋宽泛,激光焊接工艺的限制性也日趋突出,如焊接热有效利用率低,对焊缝间隙及焊缝追踪精度的要求较高,至此,激光电弧复合热源的研究才体现出热潮。
外国的研究机构接踵开发出多种复合热源焊接新技术。
多家直接面向航空航
天及国防部门效力的研究机构,近来几年来鼎力展开复合热源焊接的应用根基研究工作,从对外宣布的研究内容来看,工作要点主要集中在专用设施研制、焊接工艺研究和接头性能测试与质
量评估上
[7~10]
。
从激光电弧复合焊接技术在造船与汽车制造领域的应用能够看出,该项技术
宽泛合用于从薄板小变形到厚板的高速度焊接,在造船、石油化工、电力、冶金、汽车等方面都有宽泛的应用远景。
激光电弧复合焊接技术,不论是在经济性仍是实用性方面拥有突出的优势:
不需要真空系统,能够进行大型中厚度部件的大气条件下的焊接;拥有较高的焊接速
度,降低了部件的应力变形;焊前部件装置空隙的要求降低,使该项技术的适用性大大提升。
激光电弧复合焊接技术可宽泛用于飞机、火箭等各样合金壳体及管道的焊接。
4结论
(1在激光电弧复合焊接工艺中,弧焊的参加提升了熔池空隙过渡的能力;
(2在激光电弧复合焊接工艺中,电弧的输入能量决定了焊缝的宽度;激光的输入能量决定了焊缝的深度;
(3
激光焊接简单产生的光致等离子体降低了引弧电阻,提升了电弧稳固性;
(4
两种工艺的复合能够大大提升单热源的工艺效率在相同工艺参数条件下,复合热源焊接速度可达到单热源的2倍以上。
参
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(责编
根山
4
3科技成就?
学术论文
2002年第11期
激光电弧复合焊接技术
作者:
朱轶峰,董春林
作者单位:
北京航空制造工程研究所
刊名:
航空制造技术
英文刊名:
AERONAUTICALMANUFACTURINGTECHNOLOGY
(期:
2002(11被引用次数:
年,卷
5次
参照文件(10条
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引证文件(5条
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5.崔丽.李晓延.贺定勇.沓名宗春光纤激光-MIG复合焊参数对钛合金焊缝成形的影响[期刊论文]-航空制造技术2021(10
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