1+1>2的焊接工藝——激光-電弧復合焊特點及應用

來源:銳科激光    關鍵詞:激光電弧復合焊接, , 船舶制造,    發布時間:2019-06-17

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在當今的軌道交通、船舶制造等行業,中、大厚度的鋼板焊接需求越來越多。近年來,為促進我國船舶工業發展,國家相繼出臺優先發展高技術船舶、高附加值船舶,加快船舶工業轉型升級等政策,而且世界造船的趨勢也向著大型化、多樣、高檔化發展。焊接技術是船舶加工制造以及船舶工業發展中的一項關鍵技術,焊接工時約占到建船總工時的30%~40%。焊接生產效率和焊接質量直接影響到船舶加工制造的生產周期、成本費用以及船體質量等。因此,高效優質的船舶焊接技術是實現我國船舶工業轉型升級的重要影響因素,也是提高我國船企國際競爭力的重要因素。


另外,隨著我國鐵路列車行業的高速發展,列車的不斷提速,作為軌道車輛重要部件的轉向架承載了更大的動載荷,這對轉向架技術提出了更高的要求,轉向架構架在設計、材料、工藝上必須不斷的發展進步以滿足性能的要求,焊接接頭的質量成為了保證轉向架構架質量的重要環節之一,因此,更優化的焊接方法是必要條件。

 

激光-電弧復合焊接應需而生

激光-電弧復合焊接作為一種新的焊接技術,它是利用激光和電弧作為雙重熱源,同時作用在同一熔池,形成激光引導并穩定電弧,電弧提高金屬對激光吸收率,增強熔滴過渡橋接能力的一種焊接方法,充分發揮了激光焊和電弧焊的優勢,又彌補了各自的不足。尤其是在中、大厚度的材料焊接方面,復合焊接技術具有更大的優勢。因為傳統的焊接方法會存在諸如接頭強度低、效率低、變形嚴重、焊材消耗量大等缺點;而且采用單激光焊接也存在一些不足,諸如接頭裝配工藝要求高、焊接能力受激光功率的制約大、橋接能力差、焊縫咬邊嚴重等。


激光-電弧復合焊作為一種新型的焊接方法,它具有以下三個顯著特點:

1)提高能量利用率,增加焊縫一次熔透深度、焊接速度;

2)降低工件裝配要求;

3)提高焊縫質量,改善焊縫成型;

 

激光-電弧復合焊接可實現1+1>2

激光-電弧復合焊接有多種形式,包括Laser-MAG/MIG復合焊接、Laser-TIG復合焊接、激光-等離子弧復合焊接等,其中現階段常用的激光光源是光纖激光器和半導體激光器。例如銳科連續光纖激光器4000W、6000W及光纖輸出半導體激光器4000W。

 

 

銳科高功率光纖激光器

 

銳科高功率半導體激光器

 

Laser-MAG復合焊接,有兩個焊接熱源,分別是激光和MAG電弧,單獨作為熱源焊接時均可形成有效熔池,但是熔池的特征不一樣:激光焊接熔池的特征是“深而窄”,開口面積小,深度大,不利于焊縫成型;MAG電弧焊接熔池的特征是“淺而寬”,開口面積大,深度小,有利于焊縫成型,橋接能力強。在Laser-MAG復合焊接過程中兩個熱源同時作用于母材,兩個熱源之間存在著相互影響,而且兩個熔池之間也存在著相互影響,最終會形成一種新的復合熔池,該復合熔池同時具備激光熔池的“大深度”和電弧熔池的“大面積”,這種復合熔池的深度大、焊縫成型較好、橋接能力強,同時,因為MAG電弧焊接時有焊絲填充,并且焊絲種類可以選擇,所以可以針對母材本身的性能缺陷,選擇合適的焊絲添加到焊接過程中,從而在微觀層面上對焊縫的抗裂性、抗疲勞性、耐蝕性、耐磨性等方面進行有目的性的改善。除此之外,在整個焊接過程中,有兩個熱源作用于母材,其間的相互影響是能夠增大熔深,實現“1+1>2”的效果,因此激光-電弧復合焊接的單次熔透能力會顯著提高。最后,激光-電弧復合焊接可以實現多道堆疊焊接,可以實現大厚度材料的焊接,并且因為電弧的原因上下焊道以及側壁的熔合能力非常強。

 

應用領域廣泛

隨著激光-電弧復合焊接技術的發展,其應用范圍越來越廣泛,尤其是在國外應用較多,而在國內應用極少,具有廣闊的前景,其應用的主要領域有以下幾個:


1)船舶制造

在所有制造業中,造船業是激光-電弧復合焊接技術最大的受益者。歐洲的一些船廠為了維持其在高附加值造船業上的優勢,廣泛采用激光-電弧復合焊這一技術,在厚板焊接應用中,極大的提高了焊接質量和生產效率。具有典型代表意義的是德國的Meyer造船廠已經全部采用激光-電弧復合焊接方法進行輪船的焊接。


2)汽車工業

德國率先將激光-電弧復合焊接技術應用于汽車的車門、側圍等部件的連接制造,學者Graf T等人在汽車焊接國際論壇上的報告《激光復合焊在大眾和奧迪汽車上的應用[C]》中有介紹稱在大眾輝騰轎車的前門上共有66條焊縫,焊縫總長度達4.98m,其中有48條激光-電弧復合焊縫;奧迪A8轎車的車體框架總復合焊接長度達到了4.5m。


新能源汽車正在蓬勃發展,其動力核心是動力電池,為了降低整體車重,動力電池的托盤一般都選擇使用鋁合金制造,托盤是拼裝焊接,每個托盤的焊縫多達數十條焊縫,而且焊縫強度要求高,焊接效率要求高,傳統弧焊及常規的激光焊接很難滿足要求,而激光-電弧復合焊接是非常符合需求的連接方法。


3)石油化工工業

據石油運輸管道的激光-MAG電弧復合焊接工藝研究發現,焊后與單獨使用激光作為熱源進行對比,采用激光-電弧復合焊可增加20%的熔深,焊接過程更加穩定,有少量飛濺,焊縫成型較好,具有良好熔寬比,無咬邊、未融合等焊接缺陷,焊后經X射線探傷氣孔控制在一定范圍內,不影響焊接接頭質量,滿足工程要求。


采用Laser-MIG復合焊對油罐進行焊接,由于激光的加入使焊縫熔深得到了很大的提高,從而可以進行單面焊,避免了雙面焊給操作帶來的不便。不僅在焊縫質量得到了提高,還在提高焊接效率及生產能力方面取的巨大的突破。目前,激光-電弧復合焊已廣泛應用于德國油罐制造業中。


4)航空航天領域

在航天領域,在中厚板高強鋼的焊接中也開始采用激光-MIG/MAG電弧復合焊接技術,實現了7mm厚3CrMnSiA無預熱激光-MAG電弧復合焊接,大幅度地降低了工人勞動強度和提高了焊接生產效率。

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