激光-電弧復(fù)合焊接技術(shù)及其應(yīng)用

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1、哈爾濱工業(yè)大學(xué)激光-電弧復(fù)合焊接技術(shù)及其應(yīng)用學(xué)生：XXX學(xué)號(hào)：XXXXXX班級(jí)：XXXXXX2013年月日10摘要：結(jié)合國(guó)內(nèi)外激光-電弧復(fù)合焊的研究現(xiàn)狀，概括了激光-電弧復(fù)合焊的特點(diǎn)、激光電弧復(fù)合方式。介紹了激光-電弧復(fù)合焊接技術(shù)特點(diǎn)、闡述了此技術(shù)的原理、優(yōu)勢(shì)及其應(yīng)用前景。關(guān)鍵詞：激光-電弧復(fù)合；焊接；應(yīng)用激光焊接以其能量密度高、焊接速度快、變形小、熔深大和易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于各種結(jié)構(gòu)件的焊接。但是，與其他焊接熱源一樣，激光焊也有其缺點(diǎn)：設(shè)備投資大，能量利用率低，焊前的準(zhǔn)備工作要求高，接頭中易產(chǎn)生氣孔、裂紋、咬邊等缺陷。為避免單獨(dú)激光焊所存在的問題，激光-電弧復(fù)合焊是最

2、好的選擇。激光-電弧復(fù)合焊將激光焊和電弧焊兩種工藝相結(jié)合，取長(zhǎng)補(bǔ)短發(fā)揮各自優(yōu)勢(shì)，不僅能獲得好的焊接質(zhì)量和生產(chǎn)效益，而且還能降低成本，實(shí)現(xiàn)高效、優(yōu)質(zhì)的焊接[1]。0背景及基本原理激光電弧復(fù)合焊接始于20世紀(jì)70年代末，由英國(guó)倫敦帝國(guó)大學(xué)學(xué)者W.M.Steen首先提出，但直到最近幾年，由于工業(yè)生產(chǎn)的需要，才逐步成為國(guó)際焊接界的關(guān)注焦點(diǎn)，并得到了廣泛重視。目前，作為一種新興焊接技術(shù)，在德國(guó)、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家已先后進(jìn)入了工業(yè)化應(yīng)用階段。激光-電弧復(fù)合焊接的原理如圖1所示，激光與電弧同時(shí)作用于金屬表面同一位置，焊縫上方因激光作用而產(chǎn)生光致等離子體云，等離子云對(duì)入射激光的吸收和散射會(huì)降低激光能量

3、利用率，外加電弧后，低溫低密度的電弧等離子體使激光致等離子體被稀釋，激光能量傳輸效率提高；同時(shí)電弧對(duì)母材進(jìn)行加熱，使母材溫度升高，母材對(duì)激光的吸收率提高，焊接熔深增加。另外，激光熔化金屬，為電弧提供自由電子，降低了電弧通道的電阻，電弧的能量利用率也提高，從而使總的能量利用率提高，熔深進(jìn)一步增加[6]。激光束對(duì)電弧還有聚焦、引導(dǎo)作用，使焊接過程中的電弧更加穩(wěn)定[2]。10圖2.工業(yè)用復(fù)合焊炬產(chǎn)品圖1.激光-電弧復(fù)合焊接原理多年的復(fù)合熱源焊接基礎(chǔ)研究，證明了激光-電弧復(fù)合焊接熱源的優(yōu)勢(shì)和工業(yè)應(yīng)用的可行性，國(guó)內(nèi)外多家研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)同時(shí)開展了專用設(shè)備的研制。哈工大的陳彥斌教授研制了一種利用

4、空心鎢極尖端產(chǎn)生電弧，激光從空心鎢極中間穿過環(huán)狀電弧到達(dá)工件表面的CO2激光-TIG同軸復(fù)合焊炬；蘭州理工大學(xué)的樊丁與日本大阪大學(xué)的中田一博等人聯(lián)合設(shè)計(jì)YAG激光-脈沖MIG電弧復(fù)合焊炬[8]；清華大學(xué)的張旭東、陳武柱申請(qǐng)了激光-電弧同軸復(fù)合焊炬的專利。但國(guó)內(nèi)還沒有出現(xiàn)商業(yè)化的激光-電弧復(fù)合焊接設(shè)備。國(guó)外從事這方面的研究機(jī)構(gòu)較多，如德國(guó)的Fruanhofer激光技術(shù)研究院(ILT);、英國(guó)的焊接研究所（TWI）、烏克蘭巴頓焊接研究所（Paton）、日本三菱重工等。在日本及歐美一些發(fā)達(dá)國(guó)家，由于工業(yè)上的需求，各式的實(shí)用復(fù)合焊炬已應(yīng)運(yùn)而生，比較著名的激光-電弧復(fù)合焊專用設(shè)備的生產(chǎn)廠家有

5、HIGHYAG和Fronius。其典型復(fù)合焊炬產(chǎn)品如圖2所示。1激光-電弧復(fù)合熱源焊接的特點(diǎn)激光-電弧復(fù)合熱源焊接是將電弧與較小功率的激光配合一起從而獲得大熔深的焊接方法。它是將兩種物理性質(zhì)、能量傳輸機(jī)制截然不同的熱源復(fù)合在一起，10共同作用于工件表面，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)工件進(jìn)行加熱完成焊接的過程。采用激光與電弧的復(fù)合方式可以充分地發(fā)揮兩種熱源的優(yōu)勢(shì)，彌補(bǔ)雙方的不足，是一種新型、優(yōu)質(zhì)、高效、節(jié)能的焊接方法。在同等條件下，激光-電弧復(fù)合焊比單一的激光焊或電弧焊具有更強(qiáng)的適應(yīng)性，焊縫的成型性更好。其優(yōu)點(diǎn)如下[3]：(1)提高了焊接接頭的適應(yīng)性。由于電弧的作用降低了激光對(duì)接頭間隙的裝配精度的要求

6、，因此可以在較大的接頭間隙下實(shí)現(xiàn)焊接。(2)增加了焊縫的熔深。在激光的作用下電弧可以到達(dá)焊縫的深處，使得熔深增加。其次由于電弧的作用會(huì)增大金屬對(duì)激光的吸收率也是熔深增大的原因。(3)改善焊縫質(zhì)量，減少焊接缺陷。激光的作用使得焊縫的加熱時(shí)間變短，不易產(chǎn)生晶粒過大而且使熱影響區(qū)減小，改善焊縫組織性能。由于在電弧的作用下復(fù)合熱源能夠減緩熔池的凝固時(shí)間，使得熔池的相變充分的進(jìn)行，而且有利于氣體的溢出，能夠有效地減少氣孔、裂紋、咬邊等焊接缺陷。(4)增加焊接過程的穩(wěn)定性。由于激光的作用在熔池中會(huì)形成匙孔，它對(duì)電弧有吸引作用，從而增加了焊接的穩(wěn)定性。而且匙孔會(huì)使電弧的根部壓縮，從而增大電弧能量

7、的利用率。(5)提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本。激光與電弧的相互作用會(huì)提高焊接速度，由于電弧的作用使得用較小功率的激光器就能達(dá)到很好的焊接效果，與激光焊相比可以降低設(shè)備成本。2激光-電弧的復(fù)合方式激光-電弧復(fù)合熱源使用的激光器一般有CO2激光器和Nd:YAG激光器。根據(jù)激光與電弧的相對(duì)位置不同可分為[3]：同軸復(fù)合，即激光與電弧處于同軸共同作用于工件的同一位置；旁軸復(fù)合，即激光束與電弧以一定的角度共同作用于工件的同一位置。激光與電弧的旁軸復(fù)合根據(jù)不同情況又可分為激光在電弧