激光復合焊在船廠(chǎng)的應用
- 2016-07-12 17:12:00
- sawchina 原創(chuàng )
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毋庸質(zhì)疑激光焊和熔化極氣體保護焊工藝的開(kāi)發(fā)應用已經(jīng)有著(zhù)很長(cháng)的時(shí)間了并且它們在材料連接技術(shù)里有著(zhù)廣泛的應用領(lǐng)域。激光復合焊就是將這兩種焊接技術(shù)(激光焊接和電弧焊接)有機的結合起來(lái),從而獲得了優(yōu)良的綜合性能,在提高焊接質(zhì)量和生產(chǎn)工藝性的同時(shí),改善了成本效益比。目前,激光復合焊已在船舶工業(yè)上取得了令人矚目的成績(jì),并且這種技術(shù)的經(jīng)濟性也是非常誘人的。尤其重要的是,激光復合焊的焊接精度高,可以獲得非常好的機械/工藝性能。復合焊的激光電源可以選配不同的激光源,目前主要研究的是將:CO2激光,YAG激光,光纖激光與GMAW工藝的復合。怎樣使用焊縫跟蹤系統的激光復合焊小車(chē),進(jìn)行長(cháng)焊縫的焊接,被提到研究日程。
1. 簡(jiǎn)介
優(yōu)質(zhì)高效,低變形和易實(shí)現自動(dòng)化裝配,激光焊在鋼結構件的焊接上具有廣闊的前景。激光電弧復合焊接技術(shù)可提高焊縫搭橋能力,則對間隙較大時(shí)的焊接有著(zhù)重大的意義。激光焊和熔化極氣體保護焊工藝的開(kāi)發(fā)應用已經(jīng)有著(zhù)很長(cháng)的時(shí)間了,在工業(yè)領(lǐng)域和材料連接技術(shù)領(lǐng)域已被廣泛的應用,兩種焊接方法因能量傳輸到工件的過(guò)程和能流的形成都有有所不同,使其形成了各自特定的應用領(lǐng)域。
激光束焊通過(guò)光纖將能量從激光發(fā)射器傳輸到工件上。而電弧焊則利用大電流,通過(guò)電弧弧柱傳輸能量。激光焊的焊接熱影響區非常窄,焊縫的縱橫比很高。由于它的聚焦直徑很小,激光束焊的焊縫搭橋能力很差。但另一方面,激光束焊的焊接速度非常高。
電弧焊的能量密度比較低,因而在工件表面的聚焦的直徑比較大,而且焊接速度相對較低。激光復合焊就是將這兩種焊接技術(shù)有機的結合起來(lái),從而獲得了優(yōu)良的綜合性能,在提高焊接質(zhì)量和生產(chǎn)工藝性的同時(shí),改善了成本效率比。目前,激光-復合焊已在汽車(chē)工業(yè)的應用上成績(jì)斐然,同時(shí)在造船工業(yè)上這種技術(shù)的經(jīng)濟性也是非常誘人的:更高的連接速度,并且可以獲得非常好的機械/工藝性能。
早在20 世紀70年代,人們就已經(jīng)知道如何把激光和電弧有機的結合在一種工藝里使用。但從那以后,在相當長(cháng)的一段時(shí)間內,沒(méi)有再進(jìn)行深入的研究。近來(lái),人們再次將注意力轉向這一課題,嘗試開(kāi)發(fā)了激光復合焊技術(shù)。當然,這其中的一個(gè)原因是:在早期,激光器尚未在工業(yè)上得到普遍應用,而現在激光器已成為許多工廠(chǎng)的標準設備。
激光焊與另一種焊接方法相結合的焊接技術(shù)稱(chēng)為激光復合焊,激光束和電弧同時(shí)作用于焊接區,互相影響和支持?,F在的研究方向是探求這種工藝特性更廣,更深的焊接應用領(lǐng)域。一個(gè)典型的例子就是將CO2激光GMA復合焊工藝應用在造船工業(yè)上。在此我們將示證和討論應用于這種應用領(lǐng)域的可能性。
2. 激光焊接工藝
激光焊不僅需要很好的激光源,而且需要高質(zhì)量的激光束,以確保能夠獲得期望的“深熔深焊接”。高質(zhì)量的激光束可以實(shí)現更小的聚焦直徑或更大的焦距。線(xiàn)能量極低,變形量顯著(zhù)減小。與先進(jìn)的自動(dòng)化弧焊一樣,對于大型工件的激光焊接來(lái)說(shuō)離線(xiàn)編程,焊縫跟蹤及其它必要的焊接控制系統也是必需的。
如果單純的用激光焊接,其焊縫接頭的間隙最大為0.1至0.2mm,然而更寬的間隙需要我們加入填充金屬,通常填充金屬的加入可使焊縫搭橋能力達到0.4mm。在工業(yè)領(lǐng)域中已有使用12 kW的CO2激光源。此時(shí)激光的傳導通過(guò)鏡面進(jìn)行。激光束以300mm聚焦距離通過(guò)聚焦裝置作用在工件上。4 kW的燈浦YAG激光和7KW的光纖激光也出現在這項研究中。
3. 激光-MIG(LaserHybrid)復合焊
激光焊接金屬時(shí)的激光束聚集強度可達106W/cm2以上。當激光束點(diǎn)擊在材料表面時(shí),該點(diǎn)的溫度迅速升高到揮發(fā)溫度,并由于金屬蒸汽的揮發(fā)形成揮發(fā)孔。焊縫最顯著(zhù)的特征是具有很高的深寬比。MIG電弧焊接自由燃燒的電弧能量密度稍高于104W/cm2。
圖1描繪了激光復合焊的基本原理,尤其是其中的金屬過(guò)渡。從圖我們可以看到,激光束在焊縫頂部向其輸入熱量,同時(shí)電弧也向焊縫輸入熱量。激光-MIG復合焊不是兩種焊接方法依次作用于焊接區域,而是同時(shí)作用于焊接區域。激光和電弧同時(shí)影響焊接的性能。不同的電弧或激光工藝的使用及采用何種工藝參數都會(huì )對焊接工藝帶來(lái)不同的影響效果。
激光復合焊提高了熔深和焊接速度,焊接過(guò)程中金屬蒸汽會(huì )揮發(fā),并且反作用于等離子區,等離子區對激光有輕微吸收,但可以忽略不計。整個(gè)焊接過(guò)程的特性取決于選擇的激光和電弧輸入能量的比例。
工件表面的溫度極大的影響了激光射線(xiàn)能量的吸收,當工件表面達到揮發(fā)溫度時(shí),就形成了揮發(fā)孔,這樣幾乎所有的能量就可以傳到工件上。焊接所需要的能量由隨溫度變化的表面吸收率和由工件傳導損失的能量來(lái)決定。在激光-MIG焊時(shí),揮發(fā)不僅發(fā)生在工件的表面,同時(shí)也發(fā)生在填充焊絲的表面上,這意味著(zhù)更多的金屬揮發(fā)量,從而使激光的能量傳輸更加容易。同時(shí)也保證了焊接過(guò)程的完整性。從而使激光的能量傳輸的更加容易。同時(shí)也保證了焊接過(guò)程的完整性。
而且在船舶制造中首先必須做到的是焊件間隙較大時(shí)有足夠的搭橋連接能力,這是研究的主要目標。因為在焊接過(guò)程中,難免會(huì )出現間隙公差大小不一,于是在焊接時(shí)調節的參數就比較多,如:激光功率,焊接速度,送絲速度及角度的調整。
圖2 激光-MIG焊接協(xié)同過(guò)程
4.Laserhybrid :激光——MIG焊接和其它焊接方法的試驗比較
CO2激光焊的研究
因為CO2激光具有很高的效率,效率因素達到20%,技術(shù)上的實(shí)現相對簡(jiǎn)單和可測量性使得CO2激光成為工業(yè)金屬加工領(lǐng)域中最重要的激光源。CO2激光具有很高的輸出功率,其容量范圍達到50kW。
FRONIUS公司已經(jīng)用全數字化電源TPS5000和12KW的CO2激光源有機的結合在一起。下表就是來(lái)自Meyer Werft的實(shí)驗數據,這是在4.5m×13m的實(shí)驗室里完成的,工裝夾具適用于2000mm×300mm的試件,使用的材料是船舶制造中的普通A級鋼材,焊接方式是對接和角接,焊接位置是平焊和橫焊,并且不用背面襯墊。實(shí)驗對比工藝為:埋弧焊、LaserHybrid:激光-MIG焊和激光填絲焊。埋弧焊的焊縫搭橋能力為2mm至5mm,板厚至12mm。而激光-MIG焊時(shí),焊接的板厚達到15mm,焊縫搭橋能力的間隙可達1mm,,但焊接速度是埋弧焊接的3倍,是激光填絲焊的2倍。還有一種激光脈沖填絲的焊接方法,間隙的可達0.4mm,板材厚度可達15mm.通過(guò)四種分別是5mm,8mm,12mm,15mm的不同厚度材料的實(shí)驗來(lái)評估在最大容忍間隙下的焊接速度。氦氣和氬保護氣對激光-電弧焊工藝的影響由基礎研究來(lái)討論。保護氣中加少量的氦氣在用大功率CO2激光器的焊接中十分必要。
表 激光復合焊與其他競爭工藝的比較
焊接工藝埋弧焊激光復合焊激光填絲焊
相對速度100%300%150%
焊件厚度< 12 m< 15 m< 15 m
接頭間隙2-5mm0-1mm0-4mm
焊接變形量< 1,5 mm< 0,2 mm< 0,1 mm
焊接冶金特性好好臨界狀態(tài)
焊接疲勞強度試驗好極好 臨界狀態(tài)
在造船工業(yè),激光-GMAW-復合焊已被應用德國Papenburg的Meyer船廠(chǎng)。這里甲板預制的全自動(dòng)化生產(chǎn)就是以該種工藝開(kāi)發(fā)的。因為這種工藝方法可高質(zhì)量的完成20倍于20米長(cháng)區段的焊接生產(chǎn),而不需要將板翻面。在甲板預制區內,有兩個(gè)對接焊工作站。厚度在15mm以?xún)鹊陌迥苓_到3.0米/分鐘的焊接速度。另外,還有兩個(gè)角接焊接工作站,用于焊接直線(xiàn)尺寸長(cháng)度在20米以?xún)?,厚度?2毫米的甲板或墻板。焊接前,焊接接頭用角磨機械加工保證良好的部件精度。
光纖激光的研究
IPG光子公司在金屬加工領(lǐng)域出售的絕大部分的大功率光纖激光器的功率在10千瓦以?xún)?,其工廠(chǎng)和總部設在牛津,另外在歐洲還有另外兩個(gè)制造工廠(chǎng)。其核心技術(shù):獨有的活性光纖和獲得專(zhuān)利的泵浦技術(shù)使多組態(tài)半導體激光器比線(xiàn)性陣列半導體激光器有著(zhù)更廣闊的應用領(lǐng)域。因為其使得半導體激光器達到很長(cháng)的工作壽命。其設備可能由摻鐿多包層光纖繞圈構成,其工作波長(cháng)為1.07至1.08微米。還可能是摻銩,波長(cháng)為1.8至2.0微米或摻鉺,波長(cháng)為1.54至1.56微米。半導體激光器泵浦能量通過(guò)被疊成多包層線(xiàn)卷的多組態(tài)光纖傳導到活性介質(zhì)中。在活性光纖里直接生成了激光諧振腔。激光通過(guò)被動(dòng)單模光纖特有的直徑為6微米的纖芯進(jìn)行傳導。最終激光束的衍射基本上被限制住,并且當配備有內置校準器時(shí),產(chǎn)生的光束極其平行。例如,100瓦的單模光纖激光當聚焦直徑為5毫米時(shí)在半角具有的全角發(fā)散角為0.13毫弧度。
工業(yè)用單模IPG光纖激光器的最大功率通常為200瓦。更高功率的激光器的生產(chǎn)需用光纖激光組束技術(shù)。將各個(gè)光纖激光的輸出通過(guò)組合器組合為一束,成為單一的高質(zhì)量的激光束。例如,一個(gè)1000瓦的激光器會(huì )由10個(gè)單獨光纖激光組合而成。盡管此時(shí)的激光束已不再是單模的,但其光模質(zhì)量因子M2為7~10,比大功率的固態(tài)激光器要好。300微米光纖可傳輸7千瓦的光纖激光。多種不同形狀包括產(chǎn)生近似矩形截面光束的光纖都能被生產(chǎn)出來(lái)。
摻鐿光纖激光器的效率是16~20%。摻鉺和摻銩光纖激光器的效率稍低,但仍比典型的YAG激光器高得多。獲得最好的波長(cháng)選擇是其必然的應用。由于工業(yè)生產(chǎn)的需要,具有Nd:YAG激光器的性能并且對眼的安全比CO2好的激光器將被生產(chǎn)出來(lái)。公司的單模CW系統能在脈沖周期短至10毫秒時(shí),被調制到5000Hz。脈沖周期短至1納秒或在100納秒脈沖內脈沖能量不超過(guò)1毫焦耳的三種疊加脈沖激光器和功率從300瓦到10千瓦的多模CW激光器已面市。
光纖激光技術(shù)為工業(yè)用戶(hù)提供了諸多益處。不需冷卻器的光模質(zhì)量因子為0.5M2的4千瓦光纖激光器比之傳統的11M2的氣體放電燈泵浦的Nd:YAG固體激光器自有著(zhù)天淵之別。因為不需更換閃燈或半導體,它們在整個(gè)使用壽命里不需維護及維修。極高的用電效率大大的減少了使用成本。更好的激光束質(zhì)量讓用戶(hù)可以享用比傳統激光器的大影響區和/或長(cháng)的工作距離優(yōu)越很多的直徑極小的光斑(1千瓦激光能被4英寸透鏡聚焦成50微米)。
光纖激光技術(shù)的成本呢?低于1000瓦輸出功率的光纖激光器比燈泵浦的YAG激光器低或與之差不多。但這時(shí)大于
1000瓦的光纖激光器的購入成本較高。然而,當將所有的因素考慮進(jìn)去—-占地面積,冷卻器,維護費用等等,光纖激光器比等功率的棒式Nd:YAG激光器要廉價(jià)得多。在最近半年內,多臺幾千瓦級的光纖激光器正處于在歐洲工廠(chǎng)的第二測試版本的運行環(huán)境中。這些激光器在多班倒的工作強度下至今沒(méi)出任何問(wèn)題,就其可靠性,達到相同的效果以往只能是用功率大得多的激光器。2千瓦的Beta測試版光纖激光器已經(jīng)在實(shí)驗室里焊接1.2mm的汽車(chē)鍍鋅板達到5m/min的焊接速度。而其質(zhì)量和性能堪比使用4千瓦的燈泵浦Nd:YAG激光器。末端光纖直徑為300微米的2千瓦光纖激光器能以10m/min的速度切割4mm厚的帶鍍層板,且無(wú)毛刺。最大的切割速度可達16m/min。
再來(lái)看看7000瓦的光纖激光器與弧焊工藝相結合的情況,在Fronius(福尼斯)-Wels總部研發(fā)部的LaserHybrid激光復合焊實(shí)驗室里已能焊接8mm厚的低合金和高合金鋼板。圖3為實(shí)驗室里L(fēng)aserHybrid與IPG的光纖激光器相組合焊接的配置情況。
圖3:LaserHybrid 與光纖激光器(PI:6.5kW,板厚:8mm,母材:S235JR,焊絲:G3Si1)
4000瓦燈泵浦固體激光器的工件焊接研究:
由于目前Nd:YAG激光器的輸出功率已超過(guò)4000瓦,再加上其操作簡(jiǎn)單,如何將其技術(shù)工藝簡(jiǎn)單的應用到生產(chǎn)實(shí)際中被提上研究課題。我們先來(lái)看看所有目前已被使用的CO2 和/或Nd:YAG激光器的應用和研究。不利的是需對等離子體進(jìn)行保護,這是由于僅為10.6μm的波長(cháng)而且精細的激光束需通過(guò)結構無(wú)彈性的光學(xué)鏡系統進(jìn)行傳導,這些都使得CO2激光器在生產(chǎn)實(shí)際中不能涉足移動(dòng)應用領(lǐng)域。但這種機器人或移動(dòng)應用概念的實(shí)現對于Nd:YAG激光器來(lái)說(shuō)顯得輕而易舉。在過(guò)去的十年中這種類(lèi)型的固態(tài)激光器在工業(yè)的重要領(lǐng)域上獲利頗豐。由于它的波長(cháng)只有1.06μm,激光束能被柔性的光纖所傳導,即便是長(cháng)達70米傳導距離,這些都使得應用機器人在三維空間里的自由的焊接工作成為可能。沒(méi)有了需對等離子體保護的影響,于是在氣體保護焊工藝中就能使用最恰當的保護氣優(yōu)化電弧穩定性,熔滴過(guò)渡,無(wú)飛濺金屬熔接以及對熱影響區的保護。多工位激光系統只需用一個(gè)激光源供給能量。這樣優(yōu)化了激光源由于啟動(dòng)運行本身所需的成本。大功率的Nd:YAG激光器的激光源在市場(chǎng)推出的時(shí)間較短,所以其價(jià)格(€/kW)相應比CO2激光源要高。但是其輸出功率較高,能高達6000瓦。在日本已完成了對10 000瓦級的激光器的嘗試。不要忽視激光發(fā)射光的危害,即使是相隔數米的距離也會(huì )對未加保護的眼睛造成傷害。
歐盟的DockLaser計劃是通過(guò)研發(fā)用于船舶建造和維修的裝配作業(yè)區域的激光工藝技術(shù)和設備,達到提高生產(chǎn)力和生產(chǎn)質(zhì)量,改善作業(yè)的靈活性和生產(chǎn)工作條件的目的。這些區域的共有特征是焊接工藝的效率低、熱輸入量大,從而導致焊接變形和對工件油漆表面及舾裝部件的損壞。該計劃詳細說(shuō)明了船塢作業(yè)區的激光工藝的應用實(shí)例,需求和目標,來(lái)開(kāi)發(fā)焊接/切割工藝和設備。操作安全和規范是整套設備工藝的著(zhù)重點(diǎn)。接近于最終用戶(hù)那兒的檢測實(shí)際要求和生產(chǎn)原型,將幫助實(shí)際生產(chǎn)條件下的效益評估和適用性的實(shí)現。
3 個(gè)主要的應用領(lǐng)域為:
·利用行走機構來(lái)焊接長(cháng)直角焊縫
·完成自動(dòng)化焊接大型工件的定位焊
·在船舶舾裝作業(yè)中應用手持操縱激光焊接和切割
DockLaser計劃從準確鎖定需求階段開(kāi)始,包括詳細的調查造船廠(chǎng)需求以及現有被正式承認且操作安全的技術(shù)。在接下來(lái)的研發(fā)階段將創(chuàng )立3種應用領(lǐng)域(長(cháng)直角焊縫,定位焊和舾裝作業(yè))的解決方案。任務(wù)點(diǎn)2將針對實(shí)驗室開(kāi)發(fā)工藝,任務(wù)點(diǎn)3將開(kāi)發(fā)出之前設想設備所需零部件,任務(wù)點(diǎn)4將在實(shí)驗室集成和測試設備,任務(wù)點(diǎn)5將重點(diǎn)放在認證和使用安全上。最終評估階段將把整套系統投入最終用戶(hù),在生產(chǎn)實(shí)踐中進(jìn)行檢驗和評估。起先每一個(gè)最終用戶(hù)承擔一個(gè)應用領(lǐng)域。任務(wù)7是與工業(yè)聯(lián)合會(huì )一道將其作為主要生產(chǎn)手段進(jìn)行推廣。任務(wù)8是對此項充滿(mǎn)挑戰性的工程進(jìn)行技術(shù)方面和行政管理的完善。
圖4 小車(chē)長(cháng)直焊縫對接焊示意圖
圖5 雙面角接焊,板厚:8厘米 Nd-YAG-激光器,功率4.2 kW 焊接速度2m/min
來(lái)自5個(gè)歐盟國家,一個(gè)合眾國的12 個(gè)力量雄厚的盟友共同承擔這個(gè)計劃的實(shí)施,這個(gè)聯(lián)盟包括5個(gè)制造工程師協(xié)會(huì )另外加上3個(gè)最終用戶(hù),4個(gè)焊接學(xué)會(huì ),1個(gè)專(zhuān)業(yè)級協(xié)會(huì )和4個(gè)設備制造商。他們有著(zhù)極其豐富的激光工藝技術(shù)的經(jīng)驗。對實(shí)踐應用的反饋和傳達的協(xié)調任務(wù)由工業(yè)聯(lián)合會(huì )負責。龍門(mén)架系統最大的缺點(diǎn)就是沉重和方向依賴(lài)性強。給定系統的工作方向必需大致沿焊縫方向。6軸機器人焊接系統的局限性是最長(cháng)的焊接長(cháng)度只到2米。
最終,開(kāi)發(fā)的裝有LaserHybrid 焊頭的移動(dòng)牽引車(chē)是所有這些問(wèn)題的解決方案,手工操作便能實(shí)現方位轉換。操作所需范圍比龍門(mén)架系統要小得多得多。減少光學(xué)元件移動(dòng)的結果是保護激光光纖不受機械應力的損壞。工藝參數的調節最好需在焊接電源上調節,因為氣體保護電弧焊的特性并不十分適合復合焊工藝。它能對激光束和焊頭焊縫跟蹤系統進(jìn)行非常精確的調節。如果使用特殊的激光光學(xué)元件,還可用改裝的移動(dòng)牽引車(chē)焊接角焊縫。為了保護光纖抵御來(lái)自焊接作業(yè)區的反射,激光束的軸線(xiàn)需向焊接方向傾斜一個(gè)角度。而焊接效果不會(huì )因此受到影響。
結論
Laser-GMAW復合焊是一種全新的工藝,它在造船工業(yè)有著(zhù)廣泛的用途,尤其是一些激光焊不可能達到或從經(jīng)濟成本上來(lái)考慮不能滿(mǎn)足其所需的裝配公差的場(chǎng)合。如此廣泛的應用范圍和高性能的復合焊工藝使得在當前利潤日漸萎縮的形勢下競爭力極大的提高,制造時(shí)間減少,生產(chǎn)成本降低且生產(chǎn)力提高。激光復合焊最大的優(yōu)點(diǎn)就是焊接變形小并且減小了焊后處理的工作量。
當前的研究表明大功率CO2-、YAG-、或光纖激光器與GMA 相結合的LaserHybrid激光復合焊工藝可應用于各種板厚的焊接。復合焊工藝的優(yōu)勢在于其優(yōu)良的焊縫搭橋能力和非常低的線(xiàn)能量。與激光填絲焊相比,激光復合焊工藝(LaserHybrid)可將焊接速度提高兩倍。在板厚不超過(guò)15mm時(shí),其最大焊縫搭橋能力為1mm的間隙。
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