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          激光混合焊接工藝

          2018-08-20 14:30:00
          陸啟蒙
          原創(chuàng )
          8014

          長(cháng)期以來(lái),激光焊接電弧焊接兩種工藝由于能源傳輸的物理過(guò)程和能源活動(dòng)的方式不同,都有其各自的特殊應用領(lǐng)域。激光焊接工藝的熱影響區非常窄,焊縫的深寬比也很高,具有較高的焊接速度,但由于焦點(diǎn)直徑很小,所以焊縫橋接能力很差。電弧焊工藝能源密度較低,但可以在表面形成較大的聚焦點(diǎn),缺點(diǎn)是工藝速度較慢。

          假如將這兩種工藝結合起來(lái),結果會(huì )怎樣呢?事實(shí)證實(shí),兩種工藝的混合焊接工藝可以獲得非常好的綜合效應,在焊接質(zhì)量、生產(chǎn)工程和生產(chǎn)本錢(qián)等方面都有明顯的上風(fēng),因此在汽車(chē)產(chǎn)業(yè)中得到了廣泛應用。

          開(kāi)發(fā)

          早在20世紀70年代,將激光光束和焊接電弧融合到一起形成焊接工藝的方法就已經(jīng)為人知曉,但是,此后很長(cháng)一段時(shí)間,人們并沒(méi)有對這種工藝進(jìn)行進(jìn)一步研發(fā)。不過(guò),最近研究職員又開(kāi)始把目光轉向這種工藝,試圖再將電弧焊接的上風(fēng)與激光焊接的上風(fēng)結合起來(lái),形成一種混合型的焊接工藝。

          在早些時(shí)候,激光器是否適合產(chǎn)業(yè)使用尚待證實(shí),而今天,在很多生產(chǎn)企業(yè)里,激光器幾乎已經(jīng)成為一種標準設備。將激光焊接工藝與另外一種焊接工藝相結合,被稱(chēng)為“激光混合焊接工藝”,即激光束和電弧同時(shí)在一個(gè)焊接區域內起作用,二者相互影響、相互支持。

          激光焊接不僅需要強大的激光功率,而且還需要高質(zhì)量的激光束,這樣才能獲得理想的“深焊縫效應”。例如大眾汽車(chē)公司目前正在進(jìn)行的項目就使用燈泵浦固體激光器,激光光束的功率為4kW,激光通過(guò)水冷600mm玻璃纖維進(jìn)行傳輸,激光束通過(guò)焦距為200mm/220mm的調焦模塊投射到待焊工件上。

          激光電弧混合焊接工藝是將激光焊與電弧焊這兩種焊接工藝有機地結合起來(lái),從而獲得了優(yōu)良的綜合性能,進(jìn)步了效率/本錢(qián)比。如1.5mm+2.0mm AlMgSi1接頭激光混合焊接的焊接速度可以達到8.1m/min,并且只需使用4kW的固體激光源。

          當利用激光混合焊接工藝焊接金屬工件時(shí),釹釔鋁石榴石激光束進(jìn)行聚焦后獲得強度為106W/mm2 的光束。當激光束打到材料表面上時(shí),照射點(diǎn)被加熱到汽化溫度,由于汽化金屬逃逸,在焊縫金屬上形成汽化空腔,焊縫接頭突出的特點(diǎn)是極高的深寬比例,自由燃燒電弧的能量活動(dòng)密度稍稍高于104W/mm2。除了來(lái)自電弧的熱量以外,激光束將熱量傳輸給接頭頂部的焊縫金屬。與順序配置兩種不同的焊接工藝先后連續起作用不同,混合焊接工藝可以看成兩種焊接工藝結合起來(lái)同時(shí)在同一工藝區域內共同作用。根據所用的電弧或激光工藝種類(lèi)以及工藝參數的不同,工藝之間相互影響的程度不同,產(chǎn)生影響的方式也不同。

          把激光和電弧相結合,與將兩種工藝單獨使用相比,焊縫穿透深度和焊接速度都有所增加。從蒸汽空腔逃逸出來(lái)的金屬蒸汽與電弧等離子作用,釹釔鋁石榴石激光輻射吸收進(jìn)進(jìn)工藝等離子中數目微乎其微。根據兩種工藝的功率輸進(jìn)比例,總體工藝特性主要決定于激光或電弧。工件表面溫度會(huì )對激光輻射吸收產(chǎn)生實(shí)質(zhì)性影響。在激光工藝開(kāi)始之前,必須克服初始反射,特別是鋁材表面上的反射,采用特殊啟動(dòng)程序啟動(dòng)焊接,可以起到克服初始反射的作用。在達到汽化溫度之后,汽化空腔形成,這時(shí)幾乎所有輻射能都可以作用在工件上,這時(shí)所需的能量取決于與溫度有關(guān)的吸收情況和通過(guò)傳導到工件其余部分而損耗能量的多少。在混合焊接工藝中,汽化不僅發(fā)生在工件表面,而且還發(fā)生在焊絲上,因此可以獲得更多的金屬蒸汽,反過(guò)來(lái)又利于激光輻射的輸進(jìn),防止工藝參數的下降。

          在激光混合焊接系統中,焊頭(見(jiàn)圖1)是最關(guān)鍵的部件,它包括MIG焊槍、激光光學(xué)系統、水冷系統及空氣清潔系統。焊頭的幾何尺寸較小,以確保較好的焊接可達性,尤其是在焊接車(chē)身時(shí)更為明顯,此外,焊頭還具有良好的可拆卸性,便于安裝到機器人上,同時(shí)在焊接過(guò)程中要求焦距和焊矩具有可調功能。

          激光混合焊接工藝

          圖1 激光混合焊接焊頭

          如何防止焊接過(guò)程中的飛濺污染激光頭的防護玻璃是激光混合焊接工藝的一個(gè)重要困難。隨著(zhù)焊接過(guò)程中的飛濺對玻璃片的污染程度的增加,會(huì )導致作用在工件上的激光能量逐漸減少,甚至可能降低90%。為了解決飛濺污染題目,奧地利Fronius公司在防護玻璃前安裝了“Cross jet”系統,可將飛濺轉向90°,避免了飛濺沾觸防護玻璃,使激光混合焊頭不受煙塵和飛濺的污染,長(cháng)時(shí)間保持清潔。激光混合焊頭帶雙循環(huán)水冷冷卻系統,焊槍設計的負載為250A 100%(指MIG焊)和4kW的激光能源。

          上風(fēng)

          電弧焊接的特點(diǎn)是有廉價(jià)的能量來(lái)源,激光焊接工藝容許大的焊接深度、高的焊接速度、低的熱負荷以及狹窄的焊縫接頭,在一定密度下,激光光束會(huì )在金屬材料中產(chǎn)生“深焊縫效應”,只要激光功率足夠大,就可以焊接壁厚較大的零件。因此,激光混合焊接容許采用更高的焊接速度,由于電弧和激光束之間的相互作用,工藝穩定性很好,增加了熱效率以及改進(jìn)了工件公差。此外,熔池也比金屬極氣保護焊接要小一些,熱輸進(jìn)較小,熱影響區也較小,使得焊接結構變形就比較小,減少了焊后后續校直的工作量。由于有兩個(gè)不同的焊接熔池,隨后來(lái)自電弧的熱輸進(jìn)會(huì )給激光束焊接區域(特別是鋼鐵)進(jìn)行回火處理,將硬度值更加均勻地分配到接頭的各個(gè)部分。

          與激光焊接工藝相比,激光混合焊接工藝所需要的投資用度可以大為減少,其上風(fēng)主要體現在更高的工藝穩定性、更高的橋接能力、更深的穿透性和更大的韌性以及不需要在焊接機頭上使用壓力輪,明顯改進(jìn)了焊接的可及性。與金屬極氣保護焊接工藝相比,激光混合焊接工藝的優(yōu)點(diǎn)為焊接速度更高、當焊接速度更高時(shí)穿透性更大、熱輸進(jìn)值較低、拉伸強度更高、焊縫接頭較狹窄等。

          使用激光混合焊接工藝,由于降低了激光束功率,因此可大大減少激光光源的能量消耗,由于激光束設備的效率只有3%。換言之,作用于工件上的激光束功率每降低1kW,則從電網(wǎng)上消耗的功率就大約要降低35kW。激光設備的本錢(qián)是1kW激光功率為12萬(wàn)美元。當利用混合工藝后,可以使用3kW的激光器,而不需要用4kW的激光器,于是就可以節省12萬(wàn)美元的投資。另外只需要6.5萬(wàn)美元購置額外的MSG設備和焊接機頭。

          當焊接速度為2.4m/min時(shí),采用激光焊接時(shí)焊縫不可能布滿(mǎn),會(huì )產(chǎn)生咬邊,母材上的滲透也只有很少一點(diǎn),焊道寬度非常小,因此,拉伸強度低。在激光混合焊接中,額外材料被運送到熔池中,咬邊處被金屬極氣保護焊的焊絲填滿(mǎn),節約了部分激光能量。節約下來(lái)的激光能量可用于增加對母材的滲透深度,焊道寬度比材料厚度更大,這對于優(yōu)化機械性能是很必要的。

          應用

          大眾汽車(chē)公司的策略是在汽車(chē)行業(yè)里盡量多地使用激光焊接工藝。在被稱(chēng)為“D1概念車(chē)”的Phaeton型汽車(chē)(見(jiàn)圖2)上,所有的車(chē)門(mén)都是激光混合工藝焊接的。大眾汽車(chē)公司對車(chē)門(mén)結構的剛性具有很高的要求,假如沒(méi)有激光混合焊接工藝,則必須使用大的重型鑄鋁材料。為了與車(chē)身完美配合,要求幾何公差必須非常小,這樣,汽車(chē)在行駛中來(lái)自風(fēng)阻的噪音等級會(huì )很低。為了生產(chǎn)具有這種剛性的車(chē)門(mén),必須很好地混合使用板材、鑄件和沖壓件。要獲得較輕的重量,低密度的鋁材是一種完美的實(shí)用性材料。

          激光混合焊接工藝

          圖2 在大眾汽車(chē)公司的Phaeton汽車(chē)上,所有車(chē)門(mén)均采用激光混合焊接工藝來(lái)焊接

          Phaeton型汽車(chē)車(chē)門(mén)的焊接由7個(gè)氣體金屬電弧焊縫、11個(gè)激光焊縫和48個(gè)激光混合焊縫組成,車(chē)門(mén)焊縫的總長(cháng)度是4980mm,采用兩個(gè)鋁鑄件的激光混合焊接接頭,焊絲為AlSi12,直徑為1.6mm,保護氣體為氬氣。增加激光功率,可以獲得更高的焊接速度。與單純激光束焊接工藝相比,將激光束與電弧結合,可以產(chǎn)生更大的焊接熔池,可以對焊根間隙較寬的零件進(jìn)行焊接。焊接速度范圍為1.2~4.8m/min,但是,工藝優(yōu)化速度為4.2 m/min,送絲速度為6.5m/min、激光功率為2.9kW。

          在汽車(chē)行業(yè)里,很多地方應用搭接焊,而不進(jìn)行接頭坡口預備。當前,這種焊接工作最為先進(jìn)的工藝是采用冷焊絲激光焊接。當焊絲焊接接頭時(shí),多數的激光能量都損失在熔化焊絲上。在帶有焊絲的激光焊接里,為了獲得所需的公差,必須使用壓力輪。由于焊接機頭尺寸比較高,在可及性方面有一定的局限性。這種工藝的典型參數是:焊接速度為2.8m/min、激光功率為4kW、送絲速度為6.6m/min。

          在德國Neckarsulm市奧迪公司系列汽車(chē)的生產(chǎn)中,激光混合焊接工藝被應用到最關(guān)鍵的全鋁車(chē)身的焊接中。該汽車(chē)車(chē)身是第二代豪華奧迪A8系列的車(chē)身,在設計上追求沖擊安全性和抗扭曲變形。激光混合焊接的焊縫符合所有的要求,表現出強韌性、高強度和大熔深的特點(diǎn)。為了滿(mǎn)足客戶(hù)對這款車(chē)的高期看值,每一個(gè)細節都要精益求精,確保汽車(chē)的制造質(zhì)量。激光混合焊接的窄焊縫可以滿(mǎn)足對外觀(guān)要求較高的工件,那么車(chē)身框架頂部的邊角處就不必再用塑料條帶填塞。在輕型汽車(chē)制造領(lǐng)域,所有上面提到的要求以及一些特殊的條件都必須得到滿(mǎn)足,而全鋁車(chē)身的制造過(guò)程對這些要求更為嚴格。

          奧迪A8車(chē)體的負載結構是由一個(gè)空間框架構成。這個(gè)框架結構是由鋁板擠壓成形的,這個(gè)結構的可靠性已在第一代奧迪A8的身上得到充分證實(shí),該框架結構是由不同規格的鋁板連接而成。最新一代奧迪A8框架的頂部因焊接程度密集而變得格外重要,Fronius公司的激光混合焊機因其優(yōu)異的性能而承擔了這項艱巨的任務(wù),在整個(gè)焊接過(guò)程中有65條焊縫,焊縫總長(cháng)度為5m,單個(gè)焊縫的長(cháng)度30~260mm。圖3中紅線(xiàn)部分為使用激光混合焊進(jìn)行焊接的奧迪A8框架頂側梁的焊縫。

          激光混合焊接工藝

          此外,激光混合焊接工藝還適用于動(dòng)力傳動(dòng)系同一、容器、傳動(dòng)橋和車(chē)身等。

          總結

          激光混合焊接是一種新的工藝技術(shù),在汽車(chē)行業(yè)里有著(zhù)廣泛的用途,特別是在采用激光焊接無(wú)法實(shí)現零件公差或不夠經(jīng)濟時(shí),激光混合焊接工藝的上風(fēng)更加明顯。這種功能強大的焊接工藝,可以達到減少投資、降低制造本錢(qián)、進(jìn)步生產(chǎn)率的目的,從而進(jìn)步綜合競爭能力。

          激光混合焊接工藝給鋁材焊接開(kāi)辟了一條新途徑。近來(lái)固體激光器輸出功率的進(jìn)步,使這種工藝的穩定性成為可能。在混合焊接工藝里,激光焊接和電弧焊接被理解為只有一個(gè)單一的工藝區(等離子和焊劑)。選擇正確的工藝參數,就可以有選擇性地影響焊縫性能,如幾何外形、結構組成等。增加填充金屬,電弧焊接工藝就可以進(jìn)步橋接能力,同時(shí)也可以確定焊縫寬度,減少工件焊接坡口的預備工作量。

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