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高效激光电弧复合焊在各重要行业“乘风而上”

2023-06-06

在当今的轨道交通、船舶制造等行业,中、大厚度的钢板焊接需求越来越多。近年来,为促进我国船舶工业发展,国家相继出台优先发展高技术船舶、高附加值船舶,加快船舶工业转型升级等政策,而且世界造船的趋势也向着大型化、多样、高档化发展。焊接技术是船舶加工制造以及船舶工业发展中的一项关键技术,焊接工时约占到建船总工时的30%~40%。焊接生产效率和焊接质量直接影响到船舶加工制造的生产周期、成本费用以及船体质量等。因此,高效优质的船舶焊接技术是实现我国船舶工业转型升级的重要影响因素,也是提高我国船企国际竞争力的重要因素。

另外,随着我国铁路列车行业的高速发展,列车的不断提速,作为轨道车辆重要部件的转向架承载了更大的动载荷,这对转向架技术提出了更高的要求,转向架构架在设计、材料、工艺上必须不断的发展进步以满足性能的要求,焊接接头的质量成为了保证转向架构架质量的重要环节之一,因此,更优化的焊接方法是必要条件。

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激光-电弧复合焊接应需而生

激光-电弧复合焊接作为一种新的焊接技术,它是利用激光和电弧作为双重热源,同时作用在同一熔池,形成激光引导并稳定电弧,电弧提高金属对激光吸收率,增强熔滴过渡桥接能力的一种焊接方法,充分发挥了激光焊和电弧焊的优势,又弥补了各自的不足。尤其是在中、大厚度的材料焊接方面,复合焊接技术具有更大的优势。因为传统的焊接方法会存在例如接头强度低、效率低、变形严重、焊材消耗量大等缺点;而且采用单激光焊接也存在一些不足,例如接头装配工艺要求高、焊接能力受激光功率的制约大、桥接能力差、焊缝咬边严重等。

激光-电弧复合焊作为一种新型的焊接方法,它具有以下三个显著特点:

(1)提高能量利用率,增加焊缝一次熔透深度、焊接速度;

(2)降低工件装配要求;

(3)提高焊缝质量,改善焊缝成型;

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激光-电弧复合焊接可实现11>2

激光-电弧复合焊接有多种形式,包括Laser-MIG复合焊接、Laser-TIG复合焊接、激光-等离子弧复合焊接等,其中现阶段常用的激光光源是光纤激光器和半导体激光器。

Laser-MIG复合焊接,有两个焊接热源,分别是激光和MIG电弧,单独作为热源焊接时均可形成有效熔池,但是熔池的特征不一样:激光焊接熔池的特征是“深而窄”,开口面积小,深度大,不利于焊缝成型;MIG电弧焊接熔池的特征是“浅而宽”,开口面积大,深度小,有利于焊缝成型,桥接能力强。

在Laser-MIG复合焊接过程中两个热源同时作用于母材,两个热源之间存在着相互影响,而且两个熔池之间也存在着相互影响,最终会形成一种新的复合熔池,该复合熔池同时具备激光熔池的“大深度”和电弧熔池的“大面积”,这种复合熔池的深度大、焊缝成型较好、桥接能力强,同时,因为MIG电弧焊接时有焊丝填充,并且焊丝种类可以选择,所以可以针对母材本身的性能缺陷,选择合适的焊丝添加到焊接过程中,从而在微观层面上对焊缝的抗裂性、抗疲劳性、耐蚀性、耐磨性等方面进行有目的性的改善。除此之外,在整个焊接过程中,有两个热源作用于母材,其间的相互影响是能够增大熔深,实现“1+1>2”的效果,因此激光-电弧复合焊接的单次熔透能力会显著提高。最后,激光-电弧复合焊接可以实现多道堆叠焊接,可以实现大厚度材料的焊接,并且因为电弧的原因上下焊道以及侧壁的熔合能力非常强。

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应用领域广泛

随着激光-电弧复合焊接技术的发展,其应用范围越来越广泛,尤其是在国外应用较多,而在国内应用极少,具有广阔的前景,其应用的主要领域有以下几个:

1、船舶制造

在船舶建造中,船体的焊接工时约占总建造工时的30%~40%,焊接所需成本约占船体建造所需总成本的30%~50%。其中,因为焊接热输入量而导致的焊接变形校正所需成本增长占有相当比例。早在1994年,德国Meyer造船厂就开始使用激光电弧复合焊来生产由扁钢制成的夹芯板,作为腹板用于豪华邮轮甲板的制造。近年来,美国海军将激光电弧复合焊应用于多个船体构件建造中,比较典型的包括舰船管路焊接、T形梁焊接等的应用研究。在国内,外高桥造船厂、招商重工船厂、广船国际等均引进了德国IPG公司的激光电弧复合焊接设备;渤海造船厂、沪东船厂等均建成了激光电弧复合焊接工作站,将激光电弧复合焊接技术引入到船体制造中。

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2、汽车工业

近年来随着汽车轻量化发展需求,车身结构由空间框架转向铝复合车体方向。汽车铝车身主要采用激光焊接工艺,由于激光束的焦点直径小,对装配间隙精度要求高,因此,在生产过程中存在设备成本高、工件准备工序要求严格等问题。这些问题可以通过激光电弧复合焊来解决,如大众汽车辉腾系列车型所有的车门都采用了激光电弧复合焊接工艺,德国奥迪汽车中全铝车身关键部位的焊接也采用了激光电弧复合焊。

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3、工程机械行业

低合金高强钢具有较好的机械性能、良好的加工性能、较高的耐腐蚀性和较好的低温性能,在工程机械行业得到广泛应用。臂架是履带起重机的主要承载及作业构件,起着支撑、辅助变幅等作用,在整机安全和作业能力方面起着至关重要的作用,其材质一般采用低合金钢;汽车起重机伸缩臂也是起重机的重要部件,其材质一般采用低合金超高强钢。目前徐工、三一重工等吊臂焊接均采用激光电弧复合焊接工艺。该工艺可以稳定、高效地实现起重机吊臂主焊缝单面焊双面成形,焊缝接头拉伸性能和冲击性能满足相关工程应用标准,且该工艺对吊臂焊缝接头的间隙、错边等实际工况适应能力强,在实际的工程应用中可实现无坡口焊接,焊接速度可达1.2m/min。

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4、轨道交通行业

铝合金材质的车体是现代轨道交通车辆的一个发展趋势。焊接作为铝合金材质车体制造的关键工艺,其焊接质量和稳定性直接影响车体的焊缝静力强度与抗疲劳强度,进而影响着车体的结构完整性和运行安全性,同时也是轨道交通车辆进一步提速的制约因素。目前,中国中车多个生产基地均引入了激光电弧复合焊设备,用于车体铝合金部件焊接。

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结论与展望

目前,对激光-电弧复合焊接缺陷的研究日益引发工业界和学者们的广泛关注,激光-电弧复合焊接相关研究将集中于以下几个方面;

(1)运用数值模拟手段对激光-电弧复合焊接缺陷加以分析与研究,突破缺陷检测方法的限制,为新工艺的开发提供坚实的理论依据。

(2)激光-电弧复合热源间等离子体的相互作用,需要在今后的试验探索中不断发掘,**掌握激光-电弧复合焊接的优良性能,对于充分发挥复合焊接的技术优势具有显著影响。

(3)随着厚板焊接的不断兴起,焊接过程中缺陷问题不可避免,对焊接参数的不断摸索对于复合焊接厚板领域的技术突破具有重要意义。


激光焊接从最初的热传导激光焊到现在多场耦合的激光焊接研究,使得激光的应用领域不断扩大。激光器的创新也在不断进行,比如半导体激光器在光电转换效率上有所提升,而且能耗更低、光斑更加集中,逐渐成为新的激光器的发展趋势,星链激光也在不停研究新的激光设备。随着新型激光装备不断突破创新,可以预见在不久的将来,激光焊接技术的应用领域将不断应用于更多材料加工终端领域,助力中国制造业的产业升级。

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