项目名称 激光-电弧复合热源焊接
服务单位 现代焊接生产技术国家重点实验室激光加工基础与工程研究室
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项目简介
激光焊接的优势已经是众所共知,但就目前来说,激光焊接的成本仍然较高,因此以激光为中心的复合热源焊接技术孕育而生。研究最多、应用最为广泛的要属激光-电弧复合热源焊接技术,有时也称电弧辅助激光焊接技术,主要目的是有效的利用电弧热源,以减小激光的应用成本、降低激光焊接的装配精度。
激光-TIG同轴、旁轴复合焊接特性
与激光焊接一样,无论是旁轴复合,还是同轴复合,激光-TIG电弧复合焊接也存在深熔焊和热导焊两种焊接机制。由于激光焊接的匙孔效应,电弧被稳定地吸引在匙孔上方,弧根被显著压缩,使电弧电流密度显著提高,有效提高热源的能量效率,焊缝呈明显深熔焊特征;当电流大到一定程度时,由于电弧对激光能量的损耗增大,难以维持稳定的匙孔,无法实现对电弧的吸引与压缩,电弧在吸收激光能量后膨胀,电流密度迅速降低,焊缝熔深大大减小,表现为热导焊特征。其电弧形态如图1所示。
 
 
图1 激光-电弧复合焊接的电弧图像
某一特殊情况下,由于气体等离子体被电离,激光-TIG复合热源焊接过程中也会出现与激光焊接同样的的激光维持燃烧波现象。激光维持燃烧波的出现大大降低了工件对激光能量的吸收,焊缝熔深明显显著下降。如图2所示为复合电弧与电弧撤离瞬间的激光等离子体形态、焊缝形貌。
 
 
图2 复合电弧与电弧撤离瞬间的激光等离子体形态、焊缝形貌
激光与电弧的复合作用,可以在获得更大焊接熔深的同时,增加原有激光焊接对焊缝条件的适应性。图3所示为激光-TIG复合热源焊接的方法在有间隙、未对中、错边条件下的焊接情况。
 
 
图3 激光-TIG复合焊接对焊缝的适应性(2mm板厚,800W,1m/min)
电弧对激光能量的吸收、折射
激光穿过电弧等离子体时,在等离子体的吸收与折射作用下,激光能量会降低,改变激光原有的聚焦位置,对入射到工件的激光能量密度有很大影响。
由于有机玻璃对CO2激光完全吸收,采用激光入射透明有机玻璃产生烧蚀的方法,可以在一定程度上测量激光穿过电弧空间时电弧对激光的吸收与折射规律,试验原理如图4所示。
随电弧电流的增大,电弧对激光能量的吸收增大,折射作用增强,可以看出有机玻璃上的烧蚀深度明显减小,烧蚀宽度增大,如图5所示。激光穿过电弧后,能量密度的衰减特性不仅与焊接电流有关,还与激光入射电弧的位置有关。越靠近电弧中心,电弧对激光能量的影响越大,激光峰值能量密度衰减非常严重,当激光从电弧边缘位置穿过时,峰值能量密度的衰减率仅为从电弧中心区穿过时的1/4或1/5左右。
 
图4 电弧等离子体对激光的吸收与散焦测量方法
 
 
图5 电弧对激光的吸收与散焦
激光-TIG电弧复合热源焊接的传热特性
根据CO2激光-TIG复合热源能量作用特性,建立了适合复合热源能量特性的能量衰减式点-线热源模型,并对复合焊接过程的传热特性进行了数值模拟,通过对温度场和熔池形状的计算、分析,进一步研究了复合热源焊接过程中激光与电弧能量相互作用的物理机制,预测复合热源焊接能量有效增强的电弧与激光能量匹配的临界值。
 
 
图6 不同电流下激光-TIG复合热源焊接的温度场和焊缝形
 
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