激光復(fù)合焊工藝在造船廠的應(yīng)用

    在金屬連接技術(shù)工藝?yán)镆环矫嬉�求焊接速度高變形小，另一方面要有很好的焊縫搭橋能力，而傳統(tǒng)單一的激光焊接工藝是不可能解決上述問題的。本文主要介紹激光--MIG復(fù)合焊相對與其他焊接技術(shù)的優(yōu)勢及其在船舶工業(yè)的應(yīng)用，這是一種高質(zhì)高效、新型的焊接方法。 
前言 
    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�求焊接速度高變形小，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題的。 
    毋庸質(zhì)疑激光焊和熔化極氣體保護焊工藝的開發(fā)應(yīng)用已經(jīng)有著很長的時間了并且它們在材料連接技術(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）有機的結(jié)合起來，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，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，并且這種技術(shù)的經(jīng)濟性也是非常誘人的。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：CO 2 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，進行長焊縫的焊接，被提到研究日程。 
1、簡介 
    優(yōu)質(zhì)高效，低變形和易實現(xiàn)自動化裝配，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，則對間隙較大時的焊接有著重大的意義。激光焊和熔化極氣體保護焊工藝的開發(fā)應(yīng)用已經(jīng)有著很長的時間了，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�的過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。 
    激光束焊通過光纖將能量從激光發(fā)射器傳輸?shù)焦ぜ�上。而電弧焊則利用大電流，通過電弧弧柱傳輸能量。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，而且焊接速度相對較低。激光復(fù)合焊就是將這兩種焊接技術(shù)有機的結(jié)合起來，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，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)用上成績斐然，同時在造船工業(yè)上這種技術(shù)的經(jīng)濟性也是非常誘人的：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的結(jié)合在一種工藝?yán)锸褂谩５珡哪且院�，在相�?dāng)長的一段時間內(nèi)，沒有再進行深入的研究。近來，人們再次將注意力轉(zhuǎn)向這一課題，嘗試開發(fā)了激光復(fù)合焊技術(shù)。當(dāng)然，這其中的一個原因是：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。一個典型的例子就是將CO 2 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。與先進的自動化弧焊一樣，對于大型工件的激光焊接來說離線編程，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到 0.4mm。在工業(yè)領(lǐng)域中已有使用12 kW的CO 2 激光源。此時激光的傳導(dǎo)通過鏡面進行。激光束以300mm聚焦距離通過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)在這項研究中。 
3、激光-MIG（LaserHybrid）復(fù)合焊  
   激光焊接金屬時的激光束聚集強度可達106W/cm2以上。當(dāng)激光束點擊在材料表面時，該點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，而是同時作用于焊接區(qū)域。激光和電弧同時影響焊接的性能。不同的電弧或激光工藝的使用及采用何種工藝參數(shù)都會對焊接工藝帶來不同的影響效果。 
激光復(fù)合焊提高了熔深和焊接速度，焊接過程中金屬蒸汽會揮發(fā)，并且反作用于等離子區(qū)，等離子區(qū)對激光有輕微吸收，但可以忽略不計。整個焊接過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)工件表面達到揮發(fā)溫度時，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)損失的能量來決定。在激光-MIG焊時，揮發(fā)不僅發(fā)生在工件的表面，同時也發(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。同時也保證了焊接過程的完整性。從而使激光的能量傳輸?shù)母�加容易。同時也保證了焊接過程的完整性。 
    而且在船舶制造中首先必須做到的是焊件間隙較大時有足夠的搭橋連接能力，這是研究的主要目標(biāo)。因為在焊接過程中，難免會出現(xiàn)間隙公差大小不一，于是在焊接時調(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比較 
CO 2 激光焊的研究 
    因為CO 2 激光具有很高的效率，效率因素達到20%，技術(shù)上的實現(xiàn)相對簡單和可測量性使得CO 2 激光成為工業(yè)金屬加工領(lǐng)域中最重要的激光源。CO 2 激光具有很高的輸出功率，其容量范圍達到50kW。 
FRONIUS公司已經(jīng)用全數(shù)字化電源TPS5000和12KW的CO 2 激光源有機的結(jié)合在一起。下表就是來自Meyer Werft的實驗數(shù)據(jù)，這是在4.5m×13m的實驗室里完成的，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級鋼材，焊接方式是對接和角接，焊接位置是平焊和橫焊，并且不用背面襯墊。實驗對比工藝為：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，焊接的板厚達到15mm，焊縫搭橋能力的間隙可達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0.4mm，板材厚度可達15mm。通過四種分別是5mm，8mm， 12mm，15mm的不同厚度材料的實驗來評估在最大容忍間隙下的焊接速度。氦氣和氬保護氣對激光-電弧焊工藝的影響由基礎(chǔ)研究來討論。保護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。 
表 激光復(fù)合焊與其他競爭工藝的比較 
    在造船工業(yè)，激光-GMAW-復(fù)合焊已被應(yīng)用德國Papenburg的Meyer船廠。這里甲板預(yù)制的全自動化生產(chǎn)就是以該種工藝開發(fā)的。因為這種工藝方法可高質(zhì)量的完成20倍于20米長區(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)，有兩個對接焊工作站。厚度在15mm以內(nèi)的板能達到3.0米/分鐘的焊接速度。另外，還有兩個角接焊接工作站，用于焊接直線尺寸長度在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制造工廠。其核心技術(shù)：獨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。因為其使得半導(dǎo)體激光器達到很長的工作壽命。其設(shè)備可能由摻鐿多包層光纖繞圈構(gòu)成，其工作波長為1.07至1.08微米。還可能是摻銩，波長為1.8至2.0微米或摻鉺，波長為1.54至1.56微米。半導(dǎo)體激光器泵浦能量通過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。激光通過被動單模光纖特有的直徑為6微米的纖芯進行傳導(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，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)。將各個光纖激光的輸出通過組合器組合為一束，成為單一的高質(zhì)量的激光束。例如，一個1000瓦的激光器會由10個單獨光纖激光組合而成。盡管此時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。 
    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眼的安全比CO 2 好的激光器將被生產(chǎn)出來。公司的單模CW系統(tǒng)能在脈沖周期短至10毫秒時，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 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。因為不需更換閃燈或半導(dǎo)體，它們在整個使用壽命里不需維護及維修。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。但這時大于1000瓦的光纖激光器的購入成本較高。然而，當(dāng)將所有的因素考慮進去—-占地面積，冷卻器，維護費用等等，光纖激光器比等功率的棒式Nd:YAG激光器要廉價得多。在最近半年內(nèi)，多臺幾千瓦級的光纖激光器正處于在歐洲工廠的第二測試版本的運行環(huán)境中。這些激光器在多班倒的工作強度下至今沒出任何問題，就其可靠性，達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測試版光纖激光器已經(jīng)在實驗室里焊接1.2mm的汽車鍍鋅板達到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，且無毛刺。最大的切割速度可達16m/min。 
    再來看看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)合焊實驗室里已能焊接8mm厚的低合金和高合金鋼板。圖3為實驗室里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4000瓦，再加上其操作簡單，如何將其技術(shù)工藝簡單的應(yīng)用到生產(chǎn)實際中被提上研究課題。我們先來看看所有目前已被使用的CO 2 和/或Nd:YAG激光器的應(yīng)用和研究。不利的是需對等離子體進行保護,這是由于僅為10.6μm的波長而且精細的激光束需通過結(jié)構(gòu)無彈性的光學(xué)鏡系統(tǒng)進行傳導(dǎo)，這些都使得CO 2 激光器在生產(chǎn)實際中不能涉足移動應(yīng)用領(lǐng)域。但這種機器人或移動應(yīng)用概念的實現(xiàn)對于Nd:YAG激光器來說顯得輕而易舉。在過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。由于它的波長只有1.06μm，激光束能被柔性的光纖所傳導(dǎo)，即便是長達70米傳導(dǎo)距離，這些都使得應(yīng)用機器人在三維空間里的自由的焊接工作成為可能。沒有了需對等離子體保護的影響，于是在氣體保護焊工藝中就能使用最恰當(dāng)?shù)谋Ｗo氣優(yōu)化電弧穩(wěn)定性，熔滴過渡，無飛濺金屬熔接以及對熱影響區(qū)的保護。多工位激光系統(tǒng)只需用一個激光源供給能量。這樣優(yōu)化了激光源由于啟動運行本身所需的成本。大功率的Nd:YAG激光器的激光源在市場推出的時間較短，所以其價格(?/kW)相應(yīng)比CO2 激光源要高。但是其輸出功率較高，能高達6000瓦。在日本已完成了對10 000瓦級的激光器的嘗試。不要忽視激光發(fā)射光的危害，即使是相隔數(shù)米的距離也會對未加保護的眼睛造成傷害。 
    歐盟的DockLaser計劃是通過研發(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)致焊接變形和對工件油漆表面及舾裝部件的損壞。該計劃詳細說明了船塢作業(yè)區(qū)的激光工藝的應(yīng)用實例，需求和目標(biāo)，來開發(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。接近于最終用戶那兒的檢測實際要求和生產(chǎn)原型，將幫助實際生產(chǎn)條件下的效益評估和適用性的實現(xiàn)。 
3個主要的應(yīng)用領(lǐng)域為： 
利用行走機構(gòu)來焊接長直角焊縫； 
完成自動化焊接大型工件的定位焊； 
在船舶舾裝作業(yè)中應(yīng)用手持操縱激光焊接和切割。 
    DockLaser計劃從準(zhǔn)確鎖定需求階段開始，包括詳細的調(diào)查造船廠需求以及現(xiàn)有被正式承認(rèn)且操作安全的技術(shù)。在接下來的研發(fā)階段將創(chuàng)立3種應(yīng)用領(lǐng)域（長直角焊縫，定位焊和舾裝作業(yè)）的解決方案。任務(wù)點2將針對實驗室開發(fā)工藝，任務(wù)點3將開發(fā)出之前設(shè)想設(shè)備所需零部件，任務(wù)點4將在實驗室集成和測試設(shè)備，任務(wù)點5將重點放在認(rèn)證和使用安全上。最終評估階段將把整套系統(tǒng)投入最終用戶，在生產(chǎn)實踐中進行檢驗和評估。起先每一個最終用戶承擔(dān)一個應(yīng)用領(lǐng)域。任務(wù)7是與工業(yè)聯(lián)合會一道將其作為主要生產(chǎn)手段進行推廣。任務(wù)8是對此項充滿挑戰(zhàn)性的工程進行技術(shù)方面和行政管理的完善。 
    來自5個歐盟國家，一個合眾國的12 個力量雄厚的盟友共同承擔(dān)這個計劃的實施，這個聯(lián)盟包括5個制造工程師協(xié)會另外加上3個最終用戶，4個焊接學(xué)會，1個專業(yè)級協(xié)會和4個設(shè)備制造商。他們有著極其豐富的激光工藝技術(shù)的經(jīng)驗。對實踐應(yīng)用的反饋和傳達的協(xié)調(diào)任務(wù)由工業(yè)聯(lián)合會負(fù)責(zé)。龍門架系統(tǒng)最大的缺點就是沉重和方向依賴性強。給定系統(tǒng)的工作方向必需大致沿焊縫方向。6軸機器人焊接系統(tǒng)的局限性是最長的焊接長度只到2米。 
    最終，開發(fā)的裝有LaserHybrid 焊頭的移動牽引車是所有這些問題的解決方案，手工操作便能實現(xiàn)方位轉(zhuǎn)換。操作所需范圍比龍門架系統(tǒng)要小得多得多。減少光學(xué)元件移動的結(jié)果是保護激光光纖不受機械應(yīng)力的損壞。工藝參數(shù)的調(diào)節(jié)最好需在焊接電源上調(diào)節(jié)，因為氣體保護電弧焊的特性并不十分適合復(fù)合焊工藝。它能對激光束和焊頭焊縫跟蹤系統(tǒng)進行非常精確的調(diào)節(jié)。如果使用特殊的激光光學(xué)元件，還可用改裝的移動牽引車焊接角焊縫。為了保護光纖抵御來自焊接作業(yè)區(qū)的反射，激光束的軸線需向焊接方向傾斜一個角度。而焊接效果不會因此受到影響。 
結(jié)論 
    Laser-GMAW復(fù)合焊是一種全新的工藝，它在造船工業(yè)有著廣泛的用途，尤其是一些激光焊不可能達到或從經(jīng)濟成本上來考慮不能滿足其所需的裝配公差的場合。如此廣泛的應(yīng)用范圍和高性能的復(fù)合焊工藝使得在當(dāng)前利潤日漸萎縮的形勢下競爭力極大的提高，制造時間減少，生產(chǎn)成本降低且生產(chǎn)力提高。激光復(fù)合焊最大的優(yōu)點就是焊接變形小并且減小了焊后處理的工作量。 
當(dāng)前的研究表明大功率CO2 -、YAG-、或光纖激光器與GMA 相結(jié)合的LaserHybrid激光復(fù)合焊工藝可應(yīng)用于各種板厚的焊接。復(fù)合焊工藝的優(yōu)勢在于其優(yōu)良的焊縫搭橋能力和非常低的線能量。與激光填絲焊相比，激光復(fù)合焊工藝（LaserHybrid）可將焊接速度提高兩倍。在板厚不超過15mm時，其最大焊縫搭橋能力為1mm的間隙。