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激光-電弧復合焊接及應用于車身制造的進展

2018-10-12

激光-電弧復合 焊接技術充分集成了 激光焊接和 電弧焊接兩種工藝的優點,是一種新型優質的焊接技術,具有良好的工業應用前景。介紹了激光-電弧復合焊接的特點和激光與電弧的相互作用機制;總結了常見激光-電弧復合焊接技術的研究進展; 最后對激光-電弧復合焊接技術在 汽車車身制造中的應用情況進行了概述。
引 言
激光 焊接設備一次性投入較大、接頭裝夾精度要求極高等問題,這也使得 激光焊接技術在推廣應用上受到一定限制。20 世紀 70 年代末,STEEN 和 EBOO 首先提出了激光與電弧復合焊接技術的概念,將CO 2 激光和鎢極氬弧焊( tungsten inert gas,TIG) 兩種熱源復合實現了激光-TIG 電弧復合焊接[1-2] 。
激光-電弧復合焊接技術充分集成了 激光焊接和電弧焊接的優點,具有工藝穩定性高、橋接間隙大、材料適應性廣等優勢,是一種新型優質的焊接技術。激光-電弧復合焊接技術也成為國內外學者的研究熱點之一[3-8] 。至今已發展為多種復合 焊接方法,包括激光-TIG、激光-熔化極氣體保護電弧焊( metal inert gas/metal active gas,MIG/MAG) 、激光-等離子弧焊( plasma arc welding,PAW) 和激光- 埋弧焊( submerged arc welding, SAW) 以及激光-雙電弧等,廣泛應用于汽車、船舶、航空、重型機械、石油管道、鋼鐵等國民經濟支柱產業 [9-11] 。
本文中結合國內外激光-電弧復合焊接的最新研究現狀,首先,對激光-電弧復合焊接的特點和激光與電弧的相互作用進行介紹,其次,對激光-電弧復合焊接技術及其在汽車車身制造中應用的最新研究進展進行概述。
1 激光-電弧復合焊接技術的特點
激光-電弧復合焊接過程示意圖1 所示,焊接時激光熱源和電弧熱源共同作用于同一位置,其中常用的激光束熱源包括 CO 2 、YAG、光纖、碟片和半導體激光等,電弧熱源包括 TIG,MIG/MAG,PAW和 SAW 等。相關研究發現[4-5,12] ,復合焊接不是激光束與電弧兩種熱源簡單的疊加,而是通過兩種熱源之間的相互作用和形成了一種新的復合熱源。   與激光或電弧單一熱源焊接相比,激光束與電弧之間的相互作用使得復合熱源的焊接特性較產生了顯著變化,如光致等離子體特征、小孔穩定性、電弧穩定性、弧柱面積等,最終表現在復合焊接接頭的焊縫成形、微觀組織和力學性能等特性不同于單一熱源焊接接頭。圖 2 為同等條件下電弧焊接、激光焊接和復合焊接焊縫截面圖。激光-電弧復合焊接比激光自熔焊接或電弧焊接具有更強的適應性,焊縫成型性更好[9] 。表 1 中列出了電弧焊接、激光焊接和激光-電弧復合 焊接工藝技術的主要特點差異。由表1 可知,激光-電弧復合焊接充分利用了激光和電弧兩種熱源的優勢,同時又彌補了兩種熱源的不足,產生了“1 +1 >2”的協同效益。 2 激光與電弧的相互作用
激光與電弧的相互作用是一個極其復雜的物理過程。高能量密度激光燒蝕材料形成的金屬蒸汽羽對電弧等離子體的導電率和導熱率以及弧柱行為影響很大。兩種熱源的相互作用對焊接接頭的性能具有重要影響[6,13] 。
通常地,激光-電弧復合焊接過程中高功率激光直接輻照材料表面,形成深熔小孔,激光能量通過激光束在小孔內部的多重反射進行吸收 [14] 。從而光致等離子體在高能量密度激光與金屬蒸汽和保護氣體相互作用下而形成。光致等離子體吸收部分激光能量[15] 。同時,電弧與周圍空氣之間的相互作用會產生電弧等離子體。激光束穿過電弧等離子體會發生能量衰減[5-6] 。
激光-電弧復合焊接過程中,電弧發生收縮,即電弧寬度幾乎與激光束直徑相同[2,6] 。這是由于光致等離子體的存在導致弧阻和半徑減小。圖 3 所示為激光存在時低弧阻和電弧穩定性的電弧電流和電壓變化曲線[2] 。圖 3a 所示為以 22. 5mm/s 速率焊接 3mm 厚碳鋼時弧阻變化曲線,顯然當激光存在時,弧阻逐漸減小,并穩定在一定數值。圖 3b 所示為 45mm/s 速率焊接 2mm 厚碳鋼時不穩定電弧的穩定過程。光致等離子體對電弧電阻率和穩定性的影響可從兩方面進行說明,一方面,電弧等離子體會
吸收少部分激光能量,使得電弧等離子體進一步電離,其電阻減?。?,16] 。另一方面,激光輻射的局部位置材料劇烈蒸發產生的金屬蒸汽,傳播到電弧等離子體中。然而,與保護氣體相比,金屬原子的電離能小很多,從而使得整個電弧等離子體的有效電離能減小,最后獲得導電性更好更穩定的等離子體通道。金屬蒸汽可以增強電流傳導并降低電弧電壓 [17] 。由于電弧路徑是沿著最小電阻的,所以電弧會發生彎曲,在很靠近小孔的位置形成弧根。從圖 3a 可以看出,當激光存在時,電弧電壓減小,這可能是由于激光輻照下產生的金屬蒸汽所致。
關于激光束與電弧等離子體相互作用: 一方面,電弧等離子體輻射光對母材產生預熱效果,從而增大材料對激光的吸收效率,對于波長較長的 CO 2 激光預熱作用更明顯; 另一方面,由于電弧等離子體消弱了光致電離等離子體,使得光致電離等離子體對入射激光的散焦效應減弱,從而入射激光可以增強電弧等離子體的穩定性 [2,6] 。
通常地,焊接電弧中心相對于環境的溫差越大,電弧收縮越強烈。因此,當激光和電弧距離較小時,電弧中心溫度大大增大,而環境溫度不變,從而可以改善弧焊焊接性能。同理,激光與焊接電弧的相互作用也可以改善激光焊接特性。對于高反材料,激光難以直接被吸收。然而,電弧可以對焊接工件表面進行加熱,從而使得激光束能量被工件吸收[18] 。激光-電弧復合焊接過程中,電弧對激光束的影響與激光波長有關,波長長,容易產生光致等離子體,反之,材料蒸發劇烈而產生金屬蒸汽。激光與電弧的相互作用機理與激光波長相關,加之兩者相互作用過程的復雜性,因此,關于激光與電弧相互作用的機理研究有待進一步研究。
3 激光-電弧復合焊接技術的研究進展
3. 1 激光-MIG/MAG 電弧復合焊接技術
相對于單一的激光焊接,激光-MIG/MAG 電弧復合焊接通過填充焊絲材料熔池增大,從而允許較大的裝配公差,減少待焊接頭加工和裝夾的精度要求,使得這一技術在實際工業生產中獲得良好的應用。近年來,由歐洲煤炭和鋼鐵研究基金資助,包括德國、丹麥和英國等國家的科研人員開展了結構鋼經(HYBLAS) 經濟和安全激光復合焊接項目,分別采用 20kW CO 2 激光器和 7. 2kW Nd∶YAG 激光器,運用激光-MAG 電弧復合焊接厚鋼板[19] 。WEBSTER等人[20] 采用20kW CO2 激光器實現了15mm-25mm厚板單道激光-MAG 電弧復合焊接,4 所示。同時研究了激光參量、送絲速率以及不同坡口形式等對焊接質量的影響。
德國聯邦材料試驗研究院 WESTIN 等人采用激光-GMAW 電弧復合焊接實現了 13. 5mm 厚雙相不銹鋼單道焊接連接,并對復合焊接接頭的顯微組織和力學性能進行了分析 [21] 。瑞典呂勒奧理工大學KAPLAN 教授所在的研究團隊對采用高速攝影技術對激光-MAG 電弧復合焊接咬邊缺陷的產生機理進行了研究,并對激光-MAG 電弧復合焊接 4mm 厚鋼板的穩定性和破口組合形狀對熔池流動和焊接質量的影響進行了研究[22-24] 。美國海軍采用激光-MIG電弧復合焊接船體結構件 [25] ,所需時間比傳統電弧焊接節省 2 ~3 倍,最大橋接間隙為 1. 14mm。2011年,美國 GE 公司開發了 20kW 光纖激光電弧復合焊接系統[26] 。激光電弧復合焊接可以一次焊接厚度超過 1. 27cm 的鋼板。相比過去傳統的焊接方法,使用激光電弧復合焊接技術焊接 USS Saratoga航母,可節省約 800t 焊接材料和 80% 焊接工時。GE公司正在積極探索將這一技術應用于油氣管道、發電、鐵路等基礎設施焊接制造[26]。ONO 等人研發了激光-MAG 電弧焊接系統,用于車用鍍鋅板激光搭接焊接[4]。SUGA 等人[27]采用激光-MAG 電弧復合焊接技術實現了6mm ~12mm 厚 HT780 鋼板的單道焊接連接,對激光與電弧的不同位置布置進行了研究。最近,日本 NADEX 激光研發中心材料加工研究實驗室采購了全球首臺 100kW 光纖激光器應用于 300mm 厚板復合焊接[28] 。
國內 LIN 研究團隊[29-31] 對激光熔化極電弧復合焊接技術進行了大量研究并在工程應用中得到推廣。ZENG 研究團隊[32-34] 對激光-MIG 電弧焊接的工藝和機理開展了大量研究,在兩種熱源相互作用機理、焊接工藝、接頭性能以及焊接質量控制等方面開展了研究,并提出了激光-電弧復合焊接熱源相互作用定量分析方法。WANG [35] 通過高速攝像和光譜分析手段,對光纖激光-MIG 復合焊接鋁合金時等離子體行為進行了研究,提出了一種復合等離子體模型,研究了光致等離子體與電弧的相互作用機理。LIU 研究團隊[36-37] 研究了低功率脈沖 YAG 激光-MAG 復合焊接。結果表明,在脈沖 YAG 激光作用下電弧形態發生了變化,電弧根部被吸引而壓縮現象顯著。LIU 等人[38-39] 對激光-MAG 復合焊接工藝參量對焊縫成形和熔滴過渡影響進行了研究。
3. 2 激光-TIG 電弧復合焊接技術
當年 STEEN 教授等人首次提出激光電弧復合焊接概念時采用的就是激光-TIG 電弧復合方式。激光-TIG 電弧同向復合焊接0.8mm 厚純鈦板時,焊接速率提 高 了 2 倍; 激 光-TIG 電 弧 反 向 復 合 焊 接0.2mm 馬口鐵時,焊接速率提高了4 倍[1-2] 。DILTHEY等人[40] 研究發現 TIG 電弧加熱區域,激光能量的吸收率增大。ARIAS 等人[41]采用激光-TIG 電弧復合焊接技術實現了0.4mm~0.8mm 不銹鋼板對接連接,速率高達15m/min。NAITO 等人[42] 采用 X 射線透射成像儀和高速相機研究了 YAG 激光-TIG 電弧復合焊接 304 不銹鋼電弧等離子體和光致等離子體的行為,并對保護氣氛對焊縫成形的影響,以及熔深特性和氣孔防止機理進行了較為系統的研究。
近年來,國內學者對激光-TIG 電弧復合焊接的進行了大量研究。CHEN 等人[43-44]較早對不銹鋼、鋁合金、鎂合金和鍍鋅板等材料的激光-TIG 電弧復合焊接激光與電弧相互作用機理和工藝技術進行了研究。LIU 等人[45-46] 對鎂合金及其與鋁合金和碳鋼異種材料激光-TIG 電弧復合焊接進行了研究,結果表明,復合焊接可以增大熔深,焊縫成形好且力學性能滿足要求。XIAO 等人[47] 系統研究了復合焊接時激光-TIG 電弧相互作用后的激光特性及電弧特性。GAO 和 YAN 等人[33-34] 對激光-TIG 電弧復合焊接超細晶粒鋼和不銹鋼進行了研究。
綜上所述,國外對激光-電弧復合焊接的研究投入較大,工業應用推廣效果顯著,國內近幾年對激光-電弧復合焊接的研究有所增多,在工業中的應用推廣需要進一步加強。近年來,隨著高功率高光束質量新型固體激光器( 光纖激光器、盤片激光器、半導體激光器等) 的面世,使得厚板激光電弧復合焊接成為可能,高功率( 萬瓦級) 固體激光-電弧復合焊接厚板過程中蘊含的新現象和新機理亟待研究。
4 激光-電弧復合焊接技術在汽車車身制造中的應用
現代社會對汽車節能減排的要求提高,汽車車身輕量化設計采用了更多的輕質材料如鍍鋅高強鋼板和鋁合金等。目前,車用鍍鋅高強鋼板和鋁合金材料主要采用激光焊接工藝。對于鍍鋅高強鋼激光對接焊接,要求對接坡口裝配間隙嚴格,難以在工業批量化生產,而激光搭接焊接存在鋅蒸發導致的焊接缺陷問題[48] 。由于鋁合金對激光反射率較高,需要較大的激光功率進行焊接,且伴隨強化元素的蒸發損失,而導致強度降低[49] 。另外,還存在設備成本高和前期準備工序要求嚴格等問題。激光-電弧復合焊接技術可以解決上述問題。
美國通用汽車公司中國科學研究院 YANG 采用激光-TIG 電弧復合焊接技術對鍍鋅高強鋼板搭接接頭實現了無間隙焊接,焊縫成型5a 焊縫所示[50] 。具體實施方式是,TIG 電弧在激光束前面對搭接鍍鋅高強鋼板進行預熱,使搭接層中的鋅層熔化,從而在緊隨的激光焊接過程中鋅蒸汽大大減少。圖中左側焊縫為單純激光搭接焊鍍鋅鋼板的成型效果,可以看出焊縫表面和內部明顯存在空洞,焊縫成型和性能大大降低。
   美國通用汽車公司中國科學研究院 YANG 采用激光-TIG 電弧復合焊接技術對鍍鋅高強鋼板搭接接頭實現了無間隙焊接,焊縫成型5a 焊縫所示[50] 。具體實施方式是,TIG 電弧在激光束前面對搭接鍍鋅高強鋼板進行預熱,使搭接層中的鋅層熔化,從而在緊隨的激光焊接過程中鋅蒸汽大大減少。圖中左側焊縫為單純激光搭接焊鍍鋅鋼板的成型效果,可以看出焊縫表面和內部明顯存在空洞,焊縫成型和性能大大降低。          另外,激光-MIG 電弧復合焊接技術還應用于全 鋁車身奧迪 A8 車型的制造,其車身側頂梁具體位置分析7 所示[9,51] 。整個車身激光-MIG 電弧復合焊接焊縫長度共計 4500mm。奧迪公司激光焊接技術中心的負責人 HELTEN 先生高度評價: “激光與電弧兩種焊接方法復合可以獲得更好的焊接性能,從生產效率、成本、焊接質量及安全性等各方面來看,激光電弧復合焊接技術都突破了熱連接工藝的局限” [52] 。 

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