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激光焊接技术的发展与应用

来源:至德钢业 日期:2018-07-18 18:28:59 人气:1066

由于激光焊接能量密度高,可精确控制,穿透能力强,焊缝的深宽比大,热输入量低,焊接变形小,可在大气中焊接等优点,被认为是21世纪的焊接新热源。但是由于激光聚焦后的光斑直径小,约0.2mm~0.6mm,对被焊不锈钢焊管的装配间隙要求很严。根据不同板厚,对接的最大允许间隙一般在0.25mm~0.4mm之间,这对较大型的不锈钢焊管,如船体结构,很难达到。另外,激光焊大多是不填丝的,由于光斑小填丝比较困难,还会影响效率。然而,不填丝的激光焊,对于某些材料,如铝合金,不能改变焊缝金属的成份,不利于消除裂缝、气孔和改善接头性能。为了解决这个问题,近年来兴起激光-电弧复合热源焊接。电弧焊是一种便宜的能源,可以填充金属,搭桥能力好,对间隙不敏感等优点,刚好和激光焊互补。发展激光-电弧复合热源焊接,可以充分发挥激光和电弧的优点,相互弥补对方的不足,使1+1大于2。图9为不同焊接方法在相同焊接速度和相同熔深条件下,焊接参数和焊缝成型的对比。哈尔滨焊接研究所对激光-电弧复合热源焊接进行了研究,采用2000W CWNd:YAG激光器和全数字化的直流脉冲焊接电源,对8mmLF6铝合金进行熔深对比试验。发现单独MIG焊的熔深小于相同速度的2kW激光焊的熔深,在这些较小焊接电流范围内,电弧与激光复合进行焊接,无论电弧功率的大小,复合焊的熔深都大于单独MIG焊的熔深,而且焊接速度都比MIG快。在这范围内(2000W激光电弧电流小于180A)激光对熔深起主导作用,如图10所示。例如2000W的激光与80A的电弧复合,其熔深和160AMIG焊相当,而焊接速度快,线能量低;当复合焊的电弧电流与MIG焊相同,如均为120A,在熔深相同条件下,复合焊的速度为MIG焊的3倍多,线能量只有MIG焊的49%,变形小。当单独MIG焊的熔深大于同等速度的激光焊缝的熔深,在这些电流范围内,激光与电弧复合焊,其电弧的电流必须与单独MIG焊的电流相等或更大,才能使熔深大于单独MIG焊,但是焊接速度要比单独MIG焊快得多,焊接线能量低很多,可明显降低焊接变形量。在这范围内(2000W激光电弧电流大于180A)电弧对熔深起主导作用,但是激光能量的加入可提高焊接速度、降低线能量,如图11所示。可见,当两个电弧都是240A时,复合焊与MIG焊的熔深一样,但复合焊的焊接速度为MIG焊的3倍,而线能量减少50%以上。还必须指出,在这个范围内,由于激光对熔深并不起主导作用,激光光斑的直径大小对熔深没有决定性的影响,只是加入相应的热量,因此可以选用体积小的半导体激光器,如图12所示。这种激光器的光斑直径较大,一般在2mm左右,但是设备的体积小,有利于和电弧的复合,方便与焊接机械化/自动化设备的连接。

半导体激光器是将几千个毫瓦级的小激光二极管所发出的激光集合成大功率输出的激光器,所以又称为集束二极管激光器。体积虽小,但目前的价格仍偏高,预计价格会迅速下降。因此我们应加紧研究开发,并注意这方面技术的发展。

激光-电弧复合焊接技术已经引起各国船厂的重视,纷纷开展研究。欧洲成立联合攻关项目组,DockLaser由德国Meyer船厂牵头,各国的船厂、研究所、设备制造厂和船级社参加,形成企业为主导的产学研的结合。Meyer船厂已经在生产中试用激光电弧复合焊接方法,为其他船厂做示范。

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