雷射及雷射+電弧複合熱源焊接技術的研究與應用

一、概述

 

　　雷射焊接技術在航空航天、造船、車輛製造等工業領域中的應用日趨廣泛，僅就大功率雷射焊接使用的設備而言，目前主要採用的是氣體雷射器和固體雷射器。固體雷射器與氣體雷射器相比，其波長短，光束可通過光導纖維傳送，可與機器人和焊接專機配合，具有柔性自動化的特點，是焊接用雷射器的發展方向。哈爾濱焊接研究所是我國最早開展大功率固體雷射焊接技術的研究機構。近幾年來，哈爾濱焊接研究所緊跟國際前沿焊接技術，重點對大功率固體雷射( Nd : YAG) + 電弧複合熱源焊接技術進行研究與應用開發。為了推廣雷射及雷射+ 電弧複合熱源焊接技術在我國生產領域中的應用，本文重點對哈爾濱焊接研究所進行的雷射及雷射+ 電弧複合熱源焊接的研究成果及應用情況進行簡要介紹。

二、雷射焊接技術的研究與應用

1. 雷射焊接技術的研究

　　哈爾濱焊接研究所在20 世紀90 年代中期，引進了德國HAAS 公司2k W Nd : YAG 固體雷射器，重點開展了基於神經網絡的雷射焊接參數對焊縫形狀( 主要是焊縫熔深) 的預測研究，該方面的研究既可以根據不同的雷射焊接參數預測焊縫熔深，同時又可以根據不同的熔深給出有效的雷射焊接參數，這對試驗研究和生產具有重要的指導意義。

　　為了監測雷射深熔焊接過程中的小孔穩定性，哈爾濱焊接研究所率先在國內開展了Nd : YAG 雷射焊接過程同軸視覺傳感技術的研究。Nd : YAG 雷射焊接過程同軸視覺傳感系統不僅可以實現小孔狀態的監測和研究，還可以基於對小孔形態的監測實現焊縫熔深的檢測和工件焊透與否的檢測。焊縫熔深的檢測值和實驗值比較表明，工件未焊透時焊縫熔深的檢測誤差一般不超過12 % ; 而在工件焊透後焊縫熔深的檢測值則明顯大於工件厚度。因此，基於工件焊透後焊縫熔深的檢測值和工件厚度的比較可以檢測工件焊透的情況。圖1為採用碳鋼材料，雷射功率1200W，焊接速度1.8m/ min，雷射焦距位於工件表面上時採集到的小孔同軸視覺圖像，圖2 是在採集到的小孔同軸視覺圖像的基礎上提取出的三維灰度圖。

 

2. 雷射焊接技術的應用

　　 哈爾濱焊接研究所開發的雷射焊接技術應用在民用製造領域主要是車輛製造業，主要應用的產品有汽車變速箱組合齒輪焊接、變速箱齒輪與軸的焊接、轎車用汽車轉向器助力油缸的焊接( 見圖3) 以及高級轎車車燈支架的焊接( 見圖4) 等。其中轎車用汽車轉向器助力油缸的焊縫形式為馬鞍形焊縫; 高級轎車車燈支架的焊縫形式為空間三維曲線焊縫。採用雷射- 機器人三維空間焊接技術使空間三維焊縫的焊接變得輕鬆自如。圖5為正在焊接中的高級轎車車燈支架。

　　 此外，哈爾濱焊接研究所還將雷射焊接技術應用到不鏽鋼傳送帶的焊接，不鏽鋼電控開關櫃的焊接，新型薄壁不鏽鋼散熱器的焊接( 見圖6) 等民用產品製造領域。軍用武器裝備用精密儀器部件的焊接也是哈爾濱焊接研究所雷射焊接技術重要應用領域。

 

三、雷射+ 電弧複合焊接技術的研究與應用

1. 雷射+ 電弧複合熱源焊接技術研究

　　「雷射+ 電弧複合熱源焊接」 是一種新型焊接方法，這種新型焊接方法既具備一般電弧焊的高適應性特點，又具備雷射作為焊接熱源的大熔深、高速、低變形特點，它是近幾年迅速發展起來的優質高效焊接技術。哈爾濱焊接研究所雷射+ 電弧複合熱源焊接技術的研究開發主要針對大功率固體雷射( Nd：YAG) + GMAW 電弧的複合，研究的方向主要有低碳鋼雷射+ 短路過渡MAG 電弧複合熱源焊接特性、鋁/ 鋼大光斑Nd：YAG雷射+ 脈衝MIG 複合熱源高效熔- 釺焊接技術和高強鋁合金大功率固體雷射( Nd： YAG) + 脈衝MIG 電弧複合熱源焊接技術等。

    ( 1) 低碳鋼雷射+ MAG 短路電弧複合熱源焊接特性研究表明，單獨的短路MAG 電弧焊在較小的焊接電流(30 ～60A) 和較高的焊接速度下(> 1.5m/ min) ，很難獲得穩定的焊接過程。圖7 為短路過渡MAG 電弧焊，當電弧電壓16V，焊接電流50A，焊接速度1.5m/ min時的電壓電流波形圖。在此短路過渡電弧的基礎上加入雷射，且雷射功率超過900 W，位於深熔焊模式區，在高速焊接的條件下也可以獲得穩定的短路過程。圖8 為電弧電壓為16V，焊接電流50A，焊接速度1.5m/ min，雷射功率1200 W複合焊接時電壓、電流波形圖。小電流短路MAG電弧與大功率雷射複合具有高速、低變形焊接特點，適用於有間隙薄板的焊接。圖9 為碳鋼材料不等厚度板的對接( 板厚1.2mm+ 1.8mm) ，對接間隙0.7mm 時的焊縫成形，試驗條件為焊接電壓14V，焊接電流50A，雷射功率2000W，焊接速度2m/ min。

　　當短路過渡的電流較大( 100 ～160A) ，複合焊的雷射功率100 ～700 W，位於熱導焊模式區，雷射的作用主要是增加焊接過程穩定性，減少焊接過程的飛濺。圖10為不鏽鋼薄板( 厚度1.5mm) 搭接焊時的焊縫成形，焊接條件為雷射功率700 W，電弧電壓16 ～17V，焊接電流110 ～120A ，焊接速度2m/min。

 

　　當短路過渡的電流較大(100 ～160A) ，複合焊的雷射功率900 ～2000 W，位於深熔焊模式區，雷射與短路過渡MAG 電弧複合的特點是可以顯著增加焊縫的熔深和深寬比，這一特點使得中厚板在多層多道焊時減少坡口角度、提高焊接效率成為可能。圖11為採用碳鋼材料( 厚度10mm) 單獨MAG 焊與雷射+ 短路過渡MAG焊時焊縫成形的比較。焊接條件為MAG 焊時，坡口角度60°，電弧電壓19 ～22V ，焊接電流165～190A，焊接速度0.5 ～0.6m/min ，4 層焊道完成焊縫的焊接。複合焊接時，坡口角度30°，雷射功率2000 W，電弧電壓19 ～22V，焊接電流165 ～190A，焊接速度0.5～0.6m/ min，兩層焊道完成焊縫的焊接。

 

    ( 2) 鋁合金材料大功率固體雷射( Nd : YAG) + 脈衝MIG 電弧複合熱源焊接技術 以5A06 ( LF6) 鋁合金為研究對象，研究了鋁合金雷射+ 電弧複合焊時焊接參數的變化對焊縫熔深的影響規律。研究表明，相同焊接熱輸入下，複合焊獲得的焊縫熔深大於相同電流的脈衝MIG 焊; 獲得相同焊縫熔深的條件下，複合焊與相同電流的脈衝MIG 焊相比具有更高的焊接速度、更低的熱輸入和更小的變形。圖12 為相同焊縫熔深條件下，複合焊與單獨脈衝MIG 焊時焊速、焊接熱輸入的比較。

 

　　試驗還對單獨脈衝MIG 焊和雷射+ 脈衝MIG 焊的焊縫成形進行了比較分析，研究表明當MIG 電弧熱源的功率較小時，由於鋁合金焊接導熱快，焊絲熔化後難於與母材潤溼，僅是堆積在焊縫表面。在電弧的基礎上複合一定能量的雷射後，降低了焊縫的餘高與熔寬比，熔化金屬可以與母材良好的潤溼。當MIG 電弧熱源的功率較大且焊接速度較快時，由於焊縫冷卻速度快，熔池金屬的表面張力較大，從而造成不連續性的駝峰焊縫。如果在此基礎上複合一定功率的雷射熱源，可以降低焊縫的冷卻速度，減少熔池金屬的表面張力，從而獲得連續的焊縫成形。圖13 為5A06 鋁合金高速焊接時焊縫外觀成形。

    ( 3) 鋁/ 鋼大光斑Nd：YAG 雷射+ 脈衝MIG 複合熱源高效熔- 釺焊接技術 基於雷射+ 電弧複合熱源焊接過程中，雷射能量精確可調並且雷射具有穩定電弧、改善焊接過程穩定性、提高焊接速度等特點，提出了大光斑雷射- 電弧複合熱源焊接異種金屬的方法。利用大光斑Nd：YAG 雷射+ 脈衝MIG 複合熱源焊接實現了5A02鋁合金板與冷軋熱鍍鋅鋼板、冷軋熱鍍鋁鋼板的優質高效熔- 釺連接( 鋁母材為熔化焊，焊縫與鋼母材為釺焊連接) ，最高焊接速度可達5.0m/ min，拉伸試樣的斷裂位置發生在鋁母材熱影響區，接頭的最大抗拉強度可達5A02 鋁合金母材抗拉強度的75% 左右，接近於5A02 鋁合金普通熔化焊接頭的強度。X 射線衍射分析表明，鋁/ 鋼熔- 釺連接接頭釺焊連接界面處生成了Fe3Al 、FeAl2 、Fe2Al5及FeAl3金屬間化合物，化合物層的厚度在1.5～4μm 範圍內，Al- Fe 金屬間化合物層的存在對接頭的強度影響不大；能譜分析表明，接頭釺焊連接界面處Al 、Fe 原子擴散充分。

 

　　圖14 為採用大光斑Nd：YAG 雷射+ 脈衝MIG 複合熱源高效熔- 釺焊接技術焊接的5A02 鋁合金板與冷軋熱鍍鋅鋼板的焊縫。

2. 雷射+ 電弧複合熱源焊接技術的應用

 

　　哈爾濱焊接研究所已經成功地將研究開發的雷射+電弧複合熱源焊接技術應用到了實際產品的生產中，典型的產品有不鏽鋼大型顯示屏殼體( 厚度1.5mm，尺寸900mm×650mm×160mm) 焊接，有效地解決了大型薄壁構件的焊接變形問題；高強鋼及超高強鋼減震器鋼體與筒體( 強度1000 ～1780MPa，厚度12 ～25mm) 的焊接，有效地解決了焊接裂紋以及缸體內層鍍鉻層的燒損及構件的變形問題。圖15為採用雷射+ 電弧複合熱源焊接技術焊接減震器缸體。哈爾濱焊接研究所還成功的用雷射+ 電弧複合熱源焊接技術解決了不鏽鋼雙面複合板(不鏽鋼複合層的厚度在0.15mm 左右，材料為0Cr18Ni9Ti ，基層採用Q235 低碳鋼材料，厚度在1.0 ～2.0mm 之間) 焊接接頭的腐蝕與變形問題。此外，哈爾濱焊接研究所還將雷射+ 電弧複合熱源焊接技術應用到了大型鋁合金模具的修復中，成功解決了大型鋁合金模具修復的焊接變形問題。

四、結語

　　哈爾濱焊接研究所在雷射及雷射+ 電弧複合熱源焊接技術研究方面做了大量的工作，並將研究成果較好地應用到了實際產品的製造中，解決了多種產品焊接技術難題。目前雷射焊接工藝較為成熟，而對於雷射+ 電弧複合熱源焊接這一新型焊接技術，其研究工作主要集中在這種焊接方法的工藝特點上，對於雷射+ 電弧複合熱源焊接時雷射與電弧的相互作用機理、焊接熱源的特性等課題有待於從理論上進一步研究。