隨著焊接技術(shù)的不斷研究和創(chuàng)新，一種高質(zhì)高效的焊接技術(shù)在船舶工業(yè)的制造的領(lǐng)域中得到不斷的應(yīng)用，這是一種新型的，特殊的焊接方法--激光 --MIG復(fù)合焊。我們知道在金屬連接技術(shù)工藝?yán)镆环矫嬉蠛附铀俣雀咦冃涡?，另一方面要有很好的焊縫搭橋能力。大家知道傳統(tǒng)單一的激光焊接工藝是不可能 解決上述問(wèn)題的。

        毋庸質(zhì)疑激光焊和熔化極氣體保護(hù)焊工藝的開(kāi)發(fā)應(yīng)用已經(jīng)有著很長(zhǎng)的時(shí)間了并且它們?cè)诓牧线B接技術(shù)里有著廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。激 光復(fù)合焊就是將這兩種焊接技術(shù)（激光焊接和電弧焊接）有機(jī)的結(jié)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(fù)合焊已在船舶工業(yè)上取得了令人矚目的成績(jī)，并且這種技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性也是非常誘人的。尤其重要的是，激光復(fù)合焊的焊接精度高，可以獲得非常好的機(jī) 械/工藝性能。復(fù)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(fù)合。怎樣使用焊縫跟蹤系 統(tǒng)的激光復(fù)合焊小車，進(jìn)行長(zhǎng)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(xiàn)自動(dòng)化裝配，激光焊在鋼結(jié)構(gòu)件的焊 接上具有廣闊的前景。激光電弧復(fù)合焊接技術(shù)可提高焊縫搭橋能力，則對(duì)間隙較大時(shí)的焊接有著重大的意義。激光焊和熔化極氣體保護(hù)焊工藝的開(kāi)發(fā)應(yīng)用已經(jīng)有著很 長(zhǎng)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(yīng)用，兩種焊接方法因能量傳輸?shù)焦ぜ倪^(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(yīng)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?shù)焦ぜ?。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(qū)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(duì)較低。激光復(fù)合焊就是將這兩種焊接技術(shù)有機(jī)的結(jié)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(fù)合焊已在汽車工業(yè)的應(yīng)用上成績(jī)斐然，同時(shí)在造船工業(yè)上這種技術(shù)的經(jīng)濟(jì)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(jī)械/工藝性能。

       早在20 世紀(jì)70年代，人們就已經(jīng)知道如何把激光和電弧有機(jī)的結(jié)合在一種工藝?yán)锸褂谩５珡哪且院?，在相?dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)，沒(méi)有再進(jìn)行深入的研究。近來(lái)，人們?cè)俅螌?注意力轉(zhuǎn)向這一課題，嘗試開(kāi)發(fā)了激光復(fù)合焊技術(shù)。當(dāng)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(yīng)用，而現(xiàn)在激光器已成為許多工廠的標(biāo)準(zhǔn) 設(shè)備。

激光焊與另一種焊接方法相結(jié)合的焊接技術(shù)稱為激光復(fù)合焊，激光束和電弧同時(shí)作用于焊接區(qū)，互相影響和支持?，F(xiàn)在的研究方向是探求這 種工藝特性更廣，更深的焊接應(yīng)用領(lǐng)域。一個(gè)典型的例子就是將CO2激光GMA復(fù)合焊工藝應(yīng)用在造船工業(yè)上。在此我們將示證和討論應(yīng)用于這種應(yīng)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(xiàn)更小的聚焦直徑或更大的焦距。線能量極低，變形量顯著減小。與先進(jìn)的自動(dòng)化弧焊一樣，對(duì)于大型工 件的激光焊接來(lái)說(shuō)離線編程，焊縫跟蹤及其它必要的焊接控制系統(tǒng)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(dá)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(dǎo)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(xiàn)在這項(xiàng)研究中。

3. 激光-MIG（LaserHybrid）復(fù)合焊

       激光焊接金屬時(shí)的激光束聚集強(qiáng)度可達(dá)106W/cm2以上。當(dāng)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。

       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(fù)合焊不是兩種焊接方法依次作用于焊接區(qū)域，而是同時(shí)作用于焊接區(qū)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(shù)都會(huì)對(duì)焊接工藝帶來(lái)不同的影響效果。

      激光復(fù)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(qū)，等離子區(qū)對(duì)激光有輕微吸收，但可以忽略不計(jì)。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能量的吸收，當(dāng)工件表面達(dá)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(dǎo)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?shù)母尤菀住Ｍ瑫r(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(biāo)。因?yàn)樵诤附舆^(guò)程中，難免會(huì)出現(xiàn)間隙公差大小不一，于是在焊接時(shí)調(diào)節(jié)的參數(shù)就比較多，如：激光功率，焊接速度，送絲速度及角度的調(diào)整。

4.Laserhybrid ：激光——MIG焊接和其它焊接方法的試驗(yàn)比較

CO2激光焊的研究

        因?yàn)镃O2激光具有很高的效率，效率因素達(dá)到20%，技術(shù)上的實(shí)現(xiàn)相對(duì)簡(jiǎn)單和可測(cè)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(dá)到50kW。

       FRONIUS 公司已經(jīng)用全數(shù)字化電源TPS5000和12KW的CO2激光源有機(jī)的結(jié)合在一起。下表就是來(lái)自Meyer Werft的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，這是在4.5m×13m的實(shí)驗(yàn)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(jí)鋼 材，焊接方式是對(duì)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(yàn)對(duì)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(dá)到15mm，焊縫搭橋能力的間隙可達(dá)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(dá)0.4mm,板材厚度可達(dá)15mm.通過(guò)四種分別是 5mm,8mm,12mm,15mm的不同厚度材料的實(shí)驗(yàn)來(lái)評(píng)估在最大容忍間隙下的焊接速度。氦氣和氬保護(hù)氣對(duì)激光-電弧焊工藝的影響由基礎(chǔ)研究來(lái)討論。 保護(hù)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。#p#分頁(yè)標(biāo)題#e#

表 激光復(fù)合焊與其他競(jìng)爭(zhēng)工藝的比較

焊接工藝              埋弧焊      激光復(fù)合焊    激光填絲焊
相對(duì)速度           100%           300%       150%
焊件厚度           < 12 m      < 15 m    < 15 m
接頭間隙           2-5mm       0-1mm      0-4mm
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(qiáng)度試驗(yàn)     好     極好       臨界狀態(tài)

       在 造船工業(yè)，激光-GMAW-復(fù)合焊已被應(yīng)用德國(guó)Papenburg的Meyer船廠。這里甲板預(yù)制的全自動(dòng)化生產(chǎn)就是以該種工藝開(kāi)發(fā)的。因?yàn)檫@種工藝方法 可高質(zhì)量的完成20倍于20米長(zhǎng)區(qū)段的焊接生產(chǎn)，而不需要將板翻面。在甲板預(yù)制區(qū)內(nèi)，有兩個(gè)對(duì)接焊工作站。厚度在15mm以內(nèi)的板能達(dá)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，用于焊接直線尺寸長(zhǎng)度在20米以內(nèi)，厚度在12毫米的甲板或墻板。焊接前，焊接接頭用角磨機(jī)械加工保證良好的部 件精度。

光纖激光的研究

I       PG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10千瓦以內(nèi)，其工廠和總部設(shè)在牛津，另外在歐洲還有另外兩個(gè)制造工廠。其核心技術(shù)：獨(dú)有的活性光纖和獲得專利的泵浦技術(shù)使多 組態(tài)半導(dǎo)體激光器比線性陣列半導(dǎo)體激光器有著更廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域。因?yàn)槠涫沟冒雽?dǎo)體激光器達(dá)到很長(zhǎng)的工作壽命。其設(shè)備可能由摻鐿多包層光纖繞圈構(gòu)成，其工作 波長(zhǎng)為1.07至1.08微米。還可能是摻銩，波長(zhǎng)為1.8至2.0微米或摻鉺，波長(zhǎng)為1.54至1.56微米。半導(dǎo)體激光器泵浦能量通過(guò)被疊成多包層線 卷的多組態(tài)光纖傳導(dǎo)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(dǎo)。最終激光束的衍射基本上被 限制住，并且當(dāng)配備有內(nèi)置校準(zhǔn)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(dāng)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(dú)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(zhǎng)選擇是其必然的應(yīng)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(duì)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(tǒng)能在脈沖周期短至10毫秒時(shí)，被調(diào)制到 5000Hz。脈沖周期短至1納秒或在100納秒脈沖內(nèi)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(tǒng)的11M2的氣體放電燈泵浦的 Nd:YAG固體激光器自有著天淵之別。因?yàn)椴恍韪鼡Q閃燈或半導(dǎo)體，它們?cè)谡麄€(gè)使用壽命里不需維護(hù)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)量讓用戶可以享用比傳統(tǒng)激光器的大影響區(qū)和/或長(zhǎng)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(gòu)入成本較高。然 而，當(dāng)將所有的因素考慮進(jìn)去—-占地面積，冷卻器，維護(hù)費(fèi)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(nèi)，多臺(tái)幾千瓦級(jí)的 光纖激光器正處于在歐洲工廠的第二測(cè)試版本的運(yùn)行環(huán)境中。這些激光器在多班倒的工作強(qiáng)度下至今沒(méi)出任何問(wèn)題，就其可靠性，達(dá)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(cè)試版光纖激光器已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室里焊接1.2mm的汽車鍍鋅板達(dá)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(dá)16m/min。

再來(lái)看看7000瓦的光纖激光器與弧焊工藝相結(jié)合的情況，在Fronius（福尼斯）-Wels總部研發(fā)部的 LaserHybrid激光復(fù)合焊實(shí)驗(yàn)室里已能焊接8mm厚的低合金和高合金鋼板。圖3為實(shí)驗(yàn)室里L(fēng)aserHybrid與IPG的光纖激光器相組合焊接 的配置情況。

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(yīng)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(yīng)用和研究。不利的是需對(duì)等離子體進(jìn)行保護(hù),這是由于僅為10.6μm的波長(zhǎng)而且精細(xì)的激光束需通過(guò)結(jié)構(gòu)無(wú)彈性的光學(xué)鏡系統(tǒng)進(jìn) 行傳導(dǎo)，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(yīng)用領(lǐng)域。但這種機(jī)器人或移動(dòng)應(yīng)用概念的實(shí)現(xiàn)對(duì)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(zhǎng)只有1.06μm，激光束能被柔性的光纖所傳導(dǎo)，即便是長(zhǎng)達(dá)70米傳導(dǎo)距離，這些都 使得應(yīng)用機(jī)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(duì)等離子體保護(hù)的影響，于是在氣體保護(hù)焊工藝中就能使用最恰當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)氣優(yōu)化電弧穩(wěn)定性，熔 滴過(guò)渡，無(wú)飛濺金屬熔接以及對(duì)熱影響區(qū)的保護(hù)。多工位激光系統(tǒng)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(yùn)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(yīng)比CO2激光源要高。但是其輸出功率較高，能高達(dá)6000瓦。在日本已完成 了對(duì)10 000瓦級(jí)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(shù)米的距離也會(huì)對(duì)未加保護(hù)的眼睛造成傷害。

         歐盟的 DockLaser計(jì)劃是通過(guò)研發(fā)用于船舶建造和維修的裝配作業(yè)區(qū)域的激光工藝技術(shù)和設(shè)備，達(dá)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(qū)域的共有特征是焊接工藝的效率低、熱輸入量大，從而導(dǎo)致焊接變形和對(duì)工件油漆表面及舾裝部件的損壞。該計(jì)劃詳細(xì)說(shuō)明了船塢作業(yè)區(qū)的激光工藝的 應(yīng)用實(shí)例，需求和目標(biāo)，來(lái)開(kāi)發(fā)焊接/切割工藝和設(shè)備。操作安全和規(guī)范是整套設(shè)備工藝的著重點(diǎn)。接近于最終用戶那兒的檢測(cè)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(píng)估和適用性的實(shí)現(xiàn)。#p#分頁(yè)標(biāo)題#e#

3 個(gè)主要的應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)椋?/u>