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厚板激光-電弧復(fù)合焊接

厚板(厚度≥20mm)焊接在航空航天、航海船舶、軌道交通等重要領(lǐng)域的大型裝備制造中扮演著關(guān)鍵角色。這些構(gòu)件通常厚度較大、接頭形式及服役環(huán)境復(fù)雜等特點(diǎn)。焊接質(zhì)量對(duì)于設(shè)備的性能和壽命有著直接的影響。傳統(tǒng)的氣保焊接方法由于焊接速度慢、飛濺問(wèn)題嚴(yán)重，因此存在焊接效率低、能量消耗高以及殘余應(yīng)力大等挑戰(zhàn)，難以滿足不斷提高的制造要求。然而，激光-電弧復(fù)合焊接技術(shù)與傳統(tǒng)焊接技術(shù)不同，它成功融合了激光焊接和電弧焊接的優(yōu)勢(shì)，具有熔深大、焊速快、效率高以及焊縫質(zhì)量更優(yōu)的特點(diǎn)，如圖1所示。因此，這種技術(shù)引起了廣泛關(guān)注，已經(jīng)開(kāi)始在一些關(guān)鍵領(lǐng)域得到應(yīng)用。

圖1 激光-電弧復(fù)合焊接原理

Laser-arc Hybrid Welding

02

厚板激光-電弧復(fù)合焊接研究

挪威工業(yè)技術(shù)研究所與瑞典盧勒科技大學(xué)針對(duì)45mm厚的微合金高強(qiáng)度低合金鋼，研究了15kW情況下復(fù)合焊接接頭組織均勻性。大阪大學(xué)與埃及中央冶金研究院采用20kW光纖激光器，開(kāi)展厚板(25mm)單道激光-電弧復(fù)合焊接工藝研究，采用底部襯墊的方式解決底部駝峰問(wèn)題。丹麥Force Technology公司采用兩16 kW碟片激光器串聯(lián)的方式開(kāi)展了32kW情況下復(fù)合焊接40mm厚鋼板工藝研究，表明大功率激光-電弧焊接有望應(yīng)用于海上風(fēng)電塔座焊接，如圖2所示。哈焊所在國(guó)內(nèi)率先掌握了大功率固體激光-熔化極電弧復(fù)合熱源焊接核心技術(shù)及裝備集成技術(shù)，首次成功地將大功率固體激光-雙絲熔化極電弧復(fù)合焊接技術(shù)及裝備用于我國(guó)的高端裝備制造業(yè)。

圖2.激光器安裝布局圖

根據(jù)厚板激光-電弧復(fù)合焊接的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀可以看出，激光-電弧復(fù)合焊接方法與窄間隙坡口的結(jié)合能夠?qū)崿F(xiàn)厚板的焊接。當(dāng)激光功率增加到萬(wàn)瓦級(jí)以上時(shí)，在高能量激光的輻照下，材料的汽化行為、激光和等離子的相互作用過(guò)程、熔池流動(dòng)的穩(wěn)定狀態(tài)、熱量的傳輸機(jī)制、焊縫的冶金行為等都會(huì)發(fā)生不同程度的變化。隨著功率增加到萬(wàn)瓦級(jí)以上，功率密度的提升會(huì)使小孔附近區(qū)域的汽化程度加劇，帶來(lái)的反沖作用力直接影響到小孔及熔池流動(dòng)的穩(wěn)定性，從而帶來(lái)焊接過(guò)程的改變，對(duì)激光及其復(fù)合焊接工藝的實(shí)施有著不可忽視的影響。而這些焊接過(guò)程中的特征現(xiàn)象在某種程度上直接或間接反映了焊接過(guò)程的穩(wěn)定性，甚至可以判定焊縫質(zhì)量的好壞。激光和電弧兩種熱源的耦合作用，可以使兩種熱源充分發(fā)揮自己的特點(diǎn)，獲得優(yōu)于單一的激光焊接和電弧焊接的焊接效果。使得該焊接方法與激光自熔焊接方法相比具有間隙適應(yīng)能力強(qiáng)及可焊厚度大等優(yōu)勢(shì)，與厚板窄間隙激光填絲焊接方法相比具有焊絲熔化效率高及坡口熔合效果好等優(yōu)勢(shì)。此外，激光對(duì)電弧的吸引作用增強(qiáng)了電弧的穩(wěn)定性，使得激光-電弧復(fù)合焊接速度快于傳統(tǒng)弧焊和激光填絲焊，具有相對(duì)較高的焊接效率。

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大功率激光-電弧復(fù)合焊接應(yīng)用

大功率激光-電弧復(fù)合焊接技術(shù)在船舶行業(yè)中有廣泛的應(yīng)用。德國(guó)Meyer船廠建立12kW CO2激光-電弧復(fù)合焊生產(chǎn)線，用于船體平板和加強(qiáng)筋焊接，實(shí)現(xiàn)20m長(zhǎng)的角焊縫一次成形，變形程度減少2/3。GE公司開(kāi)發(fā)光纖激光-電弧復(fù)合焊接系統(tǒng)，最大輸出功率20kW，焊接美國(guó)Sara toga號(hào)航空母艦，節(jié)省800噸焊縫金屬，減少80%的工時(shí)，如圖3所示。中船725所采用20kW光纖激光器大功率激光-電弧復(fù)合焊接系統(tǒng)，可使焊接變形降低60%，焊接效率提高300%。上海外高橋船廠采用16kW光纖激光器大功率激光-電弧復(fù)合焊接系統(tǒng)，生產(chǎn)線采用了激光復(fù)合焊+MAG焊的新工藝技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了4-25mm厚鋼板拼焊單面單道焊雙面成型。大功率激光-電弧復(fù)合焊接技術(shù)在裝甲車輛中有廣泛的應(yīng)用，其焊接特點(diǎn)為：大厚度復(fù)雜金屬結(jié)構(gòu)焊接，成本較低，高效率生產(chǎn)制造。

圖3.美國(guó)Sara toga號(hào)航空母艦

Laser-arc Hybrid Welding

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結(jié)論

大功率激光-電弧復(fù)合焊接技術(shù)在一些行業(yè)領(lǐng)域中得到了初步應(yīng)用，將成為中大壁厚大型結(jié)構(gòu)高效制造的重要手段。目前，大功率激光-電弧復(fù)合焊接機(jī)理研究缺乏，需要進(jìn)一步加強(qiáng)，例如光致等離子體與電弧的相互作用和電弧與熔池的相互作用等。大功率激光-電弧復(fù)合焊接工藝尚存在許多未解決的問(wèn)題，如工藝窗口較窄、焊縫組織力學(xué)性能不均勻性、焊接質(zhì)量控制較為復(fù)雜等。隨著工業(yè)級(jí)激光器輸出功率逐步增大，大功率激光-電弧復(fù)合焊接技術(shù)將快速發(fā)展，多種新型的激光復(fù)合焊接技術(shù)將不斷涌現(xiàn)。國(guó)產(chǎn)化、大型化、智能化將是未來(lái)大功率激光焊接裝備發(fā)展的重要趨勢(shì)。