无锡激光切割机
发布时间:2020-12-07
激光-电弧复合焊的特点

      激光-电弧复合焊结合了激光和电弧两个独立热源各自的优点(如激光热源具有高的能 量密度、极优的指向性以及透明介质传导的特性;电弧等离子体具有高的热-电转化效率、 低廉的设备成本和运行成本、技术发展成熟等优势),避免了两者的缺点(如金属材料对激 光的高反射率造成的激光能量损失、激光设备的高成本、低的电-光转化效率等;电弧热源 较低的能量密度、高速移动时电弧稳定性差等)。同时两者的有机结合衍生出了很多新的特 点(高能量密度、高能最利用率、高的电弧稳定性、较低的工装精度及待焊接工件表面质量 等),使之成为具有极大应用前景的新型焊接热源。

      可以用于复合的激光:CO2激光、YAG激光、半导体激光、光纤激光等。可以用于复 合的焊接电弧热源:TIG、MIG、MAG、等离子弧等。

      上述激光和电弧可以不限种类不限方式地任意组合构建复合热源。激光-电弧复合技术 有如下主要特点。

      电孤预热提高激光热效率

      金属材料的光学特性与试验温度有密切的关系,当温度升高时,金属对激光能量的吸收 率成非线性增长。复合焊过程中,电弧加热使工件升温、熔化,激光束穿过电弧直接作用于 液态金属表面,大大降低了工件对红外激光(尤其是波长较大的CO?激光)的反射率,提 高了工件对激光的吸收率。此外,电弧等离子体的温度和电离度相对较低,对光致等离子体 有稀释作用使其电子数密度降低,从而减少了光致等离子体对激光的吸收和折射,增加了入 射到工件表面的激光能黄:。但这种影响比较复杂,当焊接电流较大时,可能出现负作用。

激光与电弧复合焊接时,TIG或MIG电弧先将母材熔化,紧接着用激光照射熔融金 属,提高母材对激光的吸收率,可有效利用电弧能重,降低激光功率。激光与电弧的相互作 用会提高焊接效率,焊接速度可达9m/mino由于电孤的作用使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生产成本,符合“高效、节能、经济”要求,可 有效利用激光能量:。

      提高电弧热流密度和焊接稳定性、增大熔深

      激光能量密度极高,焊接过程中引起金属蒸发,形成大量金属等离子体,从而为电弧提 供了良好的导电通路,对电孤有强烈的吸引和收缩作用,可减小引弧压力,降低场强,增强 电弧的稳定性。由于激光的稳弧作用,使复合热源高速焊接过程中不易出现电弧飘移或断弧 现象,使整个焊接过程非常稳定,飞溅极小。由于激光使电弧收缩,使电弧的热流密度增 大,激光压缩弧根,进一步增大了熔深。

      单独TIG或MIG时,焊接电弧有时不稳定,特别是在小电流情况下,当焊接速度提高 到一定值时会引起电弧飘移,使焊接过程无法进行。而采用激光-电弧复合焊技术时,激光 产生的等离子体有助于稳定电弧,激光作用在熔池中会形成匙孔,它对电弧有吸引作用,也 增加了焊接稳定性;而且匙孔会使电弧的根部压缩,从而増大电弧能量的利用率。复合电弧 使焊缝熔宽增大(特别是MIG电弧),降低了热源对接头间隙的装配精度、错边量及对中敏 感性的要求,减少了工件对接加工、装配的工作量:,可以在较大的接头间隙下实现焊接,提 高了生产效率。

      在电弧的作用下母材熔化形成熔池.而激光束又作用在电弧形成熔池的底部,液态金屈 对激光束的吸收率高,因而复合焊较单纯激光焊的熔深大。与同等功率下的激光焊相比,复 合热源焊接的熔深可增加一倍。特别是在窄间隙大厚板焊接中,采用激光-电弧夏合焊时. 在激光的作用下电弧可潜入到焊缝深处,减少填充金属的熔敷量,实现大厚板深熔焊接。

      提髙焊接效率,降低成本

      由于电弧的预热作用,提高了工件对激光能量的吸收率,从而増大了焊缝熔深。此外电 弧热员也可经激光产生的小孔作用于工件内部,使熔深进一步増大。厚度为6mm的 lCrl8Ni9Ti不锈钢板不同焊接工艺(激光焊、MIG焊和激光-MIG复合焊)焊缝截血形状 的比较如图3. 44所示。

激光与电弧的相互作用,使复合焊的能量效应大于两个单独热源的能最效应之和,也使 激光-电孤复合焊相比单种焊接工艺具有明显的优势。在相同熔深的条件下焊接速度可提高 1~2倍,大大提高了焊接效率,降低了对激光功率的要求,降低了设备投资和生产成本。

      减少焊接缺陷,改善焊缝成形,焊接质量好

      复合热源作用于工件时,高能量密度激光束可以改善熔化金属与固态母材的润湿性,便 于消除髙速焊时易出现的咬边、驼峰等缺陷。与单独激光焊相比,激光-电弧复合焊对小孔 的稳定性、熔池流动情况等会产生影响。能够减缓熔池金属凝固时间,有利于组织转变和焊 接熔池中气体逸出,能够减少气孔、裂纹、咬边等焊接缺陷。因此,与单独焊接工艺相比, 复合焊在提高焊接效率的同时,焊接质最也明显提高。

      激光和电弧的能量还可以单独调节,将两种热源适当配比可获得不同的焊缝深宽比,改 善焊缝形状系数。高能量:密度与快焊接速度得到较低的热输入,可得到窄的焊缝和热影响 区,焊缝具有更好的力学性能。

      采用TIG电孤与YAG激光复合焊接厚度为5mm的SUS304不锈钢板,与单独的YAG 激光焊相比,气孔大大减少。釆用L7kW的YAG激光焊接时,由于没有焊透工件,焊缝 中存在气孔,但与100A焊接电流的TIG电弧复合后,虽然熔深增加,但气孔数蛍和尺寸都 明显减少了。根据对激光-电弧复合焊过程电孤、小孔的观察(图3.45), TIG-YAG复合焊 能够减少气孔有如下两方面的原因。

(1)由于复合电孤的作用,小孔直径变大了,增加了小孔的稳定性。

(2)电弧被激光斑点吸引,电弧根部被压缩在小孔表面,引起强烈的金属蒸发,有阻止 保护气体侵入小孔的作用。

      减小焊接应力和变形

与常规TIG或MIG/MAG电弧焊相比,激光-电孤复合热源热输入较小,焊接热影响区及工件焊后变形也较小。焊缝的加热时间短,焊接速度快,热输入小,热影响区小,因而不 易产生晶粒粗化,焊接区变形及残余应力小,可改善焊缝组织性能。特别是在大厚板焊接 时,由于焊接道数减少,相应地减少了焊接后整形的工序和工作量,提高了工作效率。

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      增强焊接适应性,扩展应用范围

      激光-电弧复合焊过程中,电弧与焊丝的存在,增大了工件的加热区域,使焊接过程对 工件间隙、对中、错边的敏感性减小。对坡口间隙的搭桥能力强是激光-电弧复合焊相对于 单激光焊的最大优势,有很大的工程实用价值。对于单一激光焊,对接板之间的间隙通常不 超过其厚度的1/10,错边址不大于板厚的1/6,否则会出现咬边、凹陷、侧壁未熔合等缺 陷,甚至出现激光束漏过对接板间隙,完全无法熔化母材的情况,对工件装配精度要求苛 刻。激光-电弧复合焊放宽了对工件装配精度的要求,提高了激光焊的适应性。

      例如,厚度为3mm的不锈钢板对接,若采用单一 CO2激光焊,坡口间隙为0.1mm时 焊缝存在一定凹陷,坡口间隙为0.5mm时坡口间隙两侧有一半边缘没有完全融化;若采用 激光-MIG/MAG复合热源焊,坡口间隙在0.5mm的情况下,能保证边缘熔合及焊透,且 焊缝成形良好。研究表明,厚度为8mm钢板的激光-MIG/MAG复合焊允许最大间隙 为 1. 5mm。

      激光-电弧复合焊还有对错边的良好适应性。厚度为10mm的钢板可一次性焊透,在错 边量达到2mm甚至4mm的情况下,仍可获得良好的焊缝成形。这对于单热源焊接来说是 难以实现的。很显然,激光-电弧复合焊是将电弧与较小功率的激光配合从而获得大熔深的 焊接方法。它是将两种物理性质、能毋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,对工件加热完成焊接的过程。


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