激光复合焊工艺在造船厂的应用

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前言：随着焊接技术的不断研究和创新，一种高质高效的焊接技术在船舶工业的制造的领域中得到不断的应用，这是一种新型的，特殊的焊接方法--激光--MIG复合焊。我们知道在金属连接技术工艺里一方面要求焊接速度高变形小，另一方面要有很好的焊缝搭桥能力。大家知道传统单一的激光焊接工艺是不可能解决上述问题的。
毋庸质疑激光焊和熔化极气体保护焊工艺的开发应用已经有着很长的时间了并且它们在材料连接技术里有着广泛的应用领域。激光复合焊就是将这两种焊接技术（激光焊接和电弧焊接）有机的结合起来，从而获得了优良的综合性能，在提高焊接质量和生产工艺性的同时，改善了成本效益比。目前，激光复合焊已在船舶工业上取得了令人瞩目的成绩，并且这种技术的经济性也是非常诱人的。尤其重要的是，激光复合焊的焊接精度高，可以获得非常好的机械/工艺性能。复合焊的激光电源可以选配不同的激光源，目前主要研究的是将：CO2激光，YAG激光，光纤激光与GMAW工艺的复合。怎样使用焊缝跟踪系统的激光复合焊小车，进行长焊缝的焊接，被提到研究日程。
1.简介
优质高效，低变形和易实现自动化装配，激光焊在钢结构件的焊接上具有广阔的前景。激光电弧复合焊接技术可提高焊缝搭桥能力，则对间隙较大时的焊接有着重大的意义。激光焊和熔化极气体保护焊工艺的开发应用已经有着很长的时间了，在工业领域和材料连接技术领域已被广泛的应用，两种焊接方法因能量传输到工件的过程和能流的形成都有有所不同，使其形成了各自特定的应用领域。
激光束焊通过光纤将能量从激光发射器传输到工件上。而电弧焊则利用大电流，通过电弧弧柱传输能量。激光焊的焊接热影响区非常窄，焊缝的纵横比很高。由于它的聚焦直径很小，激光束焊的焊缝搭桥能力很差。但另一方面，激光束焊的焊接速度非常高。
电弧焊的能量密度比较低，因而在工件表面的聚焦的直径比较大，而且焊接速度相对较低。激光复合焊就是将这两种焊接技术有机的结合起来，从而获得了优良的综合性能，在提高焊接质量和生产工艺性的同时，改善了成本效率比。目前，激光-复合焊已在汽车工业的应用上成绩斐然，同时在造船工业上这种技术的经济性也是非常诱人的：更高的连接速度，并且可以获得非常好的机械/工艺性能。
早在20世纪70年代，人们就已经知道如何把激光和电弧有机的结合在一种工艺里使用。但从那以后，在相当长的一段时间内，没有再进行深入的研究。近来，人们再次将注意力转向这一课题，尝试开发了激光复合焊技术。当然，这其中的一个原因是：在早期，激光器尚未在工业上得到普遍应用，而现在激光器已成为许多工厂的标准设备。
激光焊与另一种焊接方法相结合的焊接技术称为激光复合焊，激光束和电弧同时作用于焊接区，互相影响和支持。现在的研究方向是探求这种工艺特性更广，更深的焊接应用领域。一个典型的例子就是将CO2激光GMA复合焊工艺应用在造船工业上。在此我们将示证和讨论应用于这种应用领域的可能性。
2.激光焊接工艺
激光焊不仅需要很好的激光源，而且需要高质量的激光束，以确保能够获得期望的“深熔深焊接”。高质量的激光束可以实现更小的聚焦直径或更大的焦距。线能量极低，变形量显著减小。与先进的自动化弧焊一样，对于大型工件的激光焊接来说离线编程，焊缝跟踪及其它必要的焊接控制系统也是必需的。
如果单纯的用激光焊接，其焊缝接头的间隙最大为0.1至0.2mm,然而更宽的间隙需要我们加入填充金属，通常填充金属的加入可使焊缝搭桥能力达到0.4mm。在工业领域中已有使用12kW的CO2激光源。此时激光的传导通过镜面进行。激光束以300mm聚焦距离通过聚焦装置作用在工件上。4kW的灯浦YAG激光和7KW的光纤激光也出现在这项研究中。
3.激光-MIG（LaserHybrid）复合焊
激光焊接金属时的激光束聚集强度可达106W/cm2以上。当激光束点击在材料表面时，该点的温度迅速升高到挥发温度，并由于金属蒸汽的挥发形成挥发孔。焊缝最显著的特征是具有很高的深宽比。MIG电弧焊接自由燃烧的电弧能量密度稍高于104W/cm2。
激光束在焊缝顶部向其输入热量，同时电弧也向焊缝输入热量。激光-MIG复合焊不是两种焊接方法依次作用于焊接区域，而是同时作用于焊接区域。激光和电弧同时影响焊接的性能。不同的电弧或激光工艺的使用及采用何种工艺参数都会对焊接工艺带来不同的影响效果。激光复合焊提高了熔深和焊接速度，焊接过程中金属蒸汽会挥发，并且反作用于等离子区，等离子区对激光有轻微吸收，但可以忽略不计。整个焊接过程的特性取决于选择的激光和电弧输入能量的比例。
工件表面的温度极大的影响了激光射线能量的吸收，当工件表面达到挥发温度时，就形成了挥发孔，这样几乎所有的能量就可以传到工件上。焊接所需要的能量由随温度变化的表面吸收率和由工件传导损失的能量来决定。在激光-MIG焊时，挥发不仅发生在工件的表面，同时也发生在填充焊丝的表面上，这意味着更多的金属挥发量，从而使激光的能量传输更加容易。同时也保证了焊接过程的完整性。从而使激光的能量传输的更加容易。同时也保证了焊接过程的完整性。
而且在船舶制造中首先必须做到的是焊件间隙较大时有足够的搭桥连接能力，这是研究的主要目标。因为在焊接过程中，难免会出现间隙公差大小不一，于是在焊接时调节的参数就比较多，如：激光功率，焊接速度，送丝速度及角度的调整。
4.Laserhybrid：激光——MIG焊接和其它焊接方法的试验比较
CO2激光焊的研究
因为CO2激光具有很高的效率，效率因素达到20%，技术上的实现相对简单和可测量性使得CO2激光成为工业金属加工领域中最重要的激光源。CO2激光具有很高的输出功率，其容量范围达到50kW。
FRONIUS公司已经用全数字化电源TPS5000和12KW的CO2激光源有机的结合在一起。下表就是来自MeyerWerft的实验数据，这是在4.5m×13m的实验室里完成的，工装夹具适用于2000mm×300mm的试件，使用的材料是船舶制造中的普通a级钢材，焊接方式是对接和角接，焊接位置是平焊和横焊，并且不用背面衬垫。实验对比工艺为：埋弧焊、LaserHybrid：激光-MIG焊和激光填丝焊。埋弧焊的焊缝搭桥能力为2mm至5mm，板厚至12mm。而激光-MIG焊时，焊接的板厚达到15mm，焊缝搭桥能力的间隙可达1mm，，但焊接速度是埋弧焊接的3倍，是激光填丝焊的2倍。还有一种激光脉冲填丝的焊接方法，间隙的可达0.4mm,板材厚度可达15mm.通过四种分别是5mm,8mm,12mm,15mm的不同厚度材料的实验来评估在最大容忍间隙下的焊接速度。氦气和氩保护气对激光-电弧焊工艺的影响由基础研究来讨论。保护气中加少量的氦气在用大功率CO2激光器的焊接中十分必要。
表激光复合焊与其他竞争工艺的比较
在造船工业，激光-GMAW-复合焊已被应用德国Papenburg的Meyer船厂。这里甲板预制的全自动化生产就是以该种工艺开发的。因为这种工艺方法可高质量的完成20倍于20米长区段的焊接生产，而不需要将板翻面。在甲板预制区内，有两个对接焊工作站。厚度在15mm以内的板能达到3.0米/分钟的焊接速度。另外，还有两个角接焊接工作站，用于焊接直线尺寸长度在20米以内，厚度在12毫米的甲板或墙板。焊接前，焊接接头用角磨机械加工保证良好的部件精度。
光纤激光的研究
IPG光子公司在金属加工领域出售的绝大部分的大功率光纤激光器的功率在10千瓦以内，其工厂和总部设在牛津，另外在欧洲还有另外两个制造工厂。其核心技术：独有的活性光纤和获得专利的泵浦技术使多组态半导体激光器比线性阵列半导体激光器有着更广阔的应用领域。因为其使得半导体激光器达到很长的工作寿命。其设备可能由掺镱多包层光纤绕圈构成，其工作波长为1.07至1.08微米。还可能是掺铥，波长为1.8至2.0微米或掺铒，波长为1.54至1.56微米。半导体激光器泵浦能量通过被叠成多包层线卷的多组态光纤传导到活性介质中。在活性光纤里直接生成了激光谐振腔。激光通过被动单模光纤特有的直径为6微米的纤芯进行传导。最终激光束的衍射基本上被限制住，并且当配备有内置校准器时，产生的光束极其平行。例如，100瓦的单模光纤激光当聚焦直径为5毫米时在半角具有的全角发散角为0.13毫弧度。
工业用单模IPG光纤激光器的最大功率通常为200瓦。更高功率的激光器的生产需用光纤激光组束技术。将各个光纤激光的输出通过组合器组合为一束，成为单一的高质量的激光束。例如，一个1000瓦的激光器会由10个单独光纤激光组合而成。尽管此时的激光束已不再是单模的，但其光模质量因子M2为7~10，比大功率的固态激光器要好。300微米光纤可传输7千瓦的光纤激光。多种不同形状包括产生近似矩形截面光束的光纤都能被生产出来。掺镱光纤激光器的效率是16~20%。掺铒和掺铥光纤激光器的效率稍低，但仍比典型的YAG激光器高得多。获得最好的波长选择是其必然的应用。由于工业生产的需要，具有Nd:YAG激光器的性能并且对眼的安全比CO2好的激光器将被生产出来。公司的单模CW系统能在脉冲周期短至10毫秒时，被调制到5000Hz。脉冲周期短至1纳秒或在100纳秒脉冲内脉冲能量不超过1毫焦耳的三种叠加脉冲激光器和功率从300瓦到10千瓦的多模CW激光器已面市。
光纤激光技术为工业用户提供了诸多益处。不需冷却器的光模质量因子为0.5M2的4千瓦光纤激光器比之传统的11M2的气体放电灯泵浦的Nd:YAG固体激光器自有着天渊之别。因为不需更换闪灯或半导体，它们在整个使用寿命里不需维护及维修。极高的用电效率大大的减少了使用成本。更好的激光束质量让用户可以享用比传统激光器的大影响区和/或长的工作距离优越很多的直径极小的光斑（1千瓦激光能被4英寸透镜聚焦成50微米）。
光纤激光技术的成本呢？低于1000瓦输出功率的光纤激光器比灯泵浦的YAG激光器低或与之差不多。但这时大于1000瓦的光纤激光器的购入成本较高。然而，当将所有的因素考虑进去—-占地面积，冷却器，维护费用等等，光纤激光器比等功率的棒式Nd:YAG激光器要廉价得多。在最近半年内，多台几千瓦级的光纤激光器正处于在欧洲工厂的第二测试版本的运行环境中。这些激光器在多班倒的工作强度下至今没出任何问题，就其可靠性，达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测试版光纤激光器已经在实验室里焊接1.2mm的汽车镀锌板达到5m/min的焊接速度。而其质量和性能堪比使用4千瓦的灯泵浦Nd:YAG激光器。末端光纤直径为300微米的2千瓦光纤激光器能以10m/min的速度切割4mm厚的带镀层板，且无毛刺。最大的切割速度可达16m/min。
再来看看7000瓦的光纤激光器与弧焊工艺相结合的情况，在Fronius（福尼斯）-Wels总部研发部的LaserHybrid激光复合焊实验室里已能焊接8mm厚的低合金和高合金钢板。图3为实验室里LaserHybrid与IPG的光纤激光器相组合焊接的配置情况。
4000瓦灯泵浦固体激光器的工件焊接研究：
由于目前Nd:YAG激光器的输出功率已超过4000瓦，再加上其操作简单，如何将其技术工艺简单的应用到生产实际中被提上研究课题。我们先来看看所有目前已被使用的CO2和/或Nd:YAG激光器的应用和研究。不利的是需对等离子体进行保护,这是由于仅为10.6μm的波长而且精细的激光束需通过结构无弹性的光学镜系统进行传导，这些都使得CO2激光器在生产实际中不能涉足移动应用领域。但这种机器人或移动应用概念的实现对于Nd:YAG激光器来说显得轻而易举。在过去的十年中这种类型的固态激光器在工业的重要领域上获利颇丰。由于它的波长只有1.06μm，激光束能被柔性的光纤所传导，即便是长达70米传导距离，这些都使得应用机器人在三维空间里的自由的焊接工作成为可能。没有了需对等离子体保护的影响，于是在气体保护焊工艺中就能使用最恰当的保护气优化电弧稳定性，熔滴过渡，无飞溅金属熔接以及对热影响区的保护。多工位激光系统只需用一个激光源供给能量。这样优化了激光源由于启动运行本身所需的成本。大功率的Nd:YAG激光器的激光源在市场推出的时间较短，所以其价格(