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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12 kW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。4 kW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Meyer Werft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(€/kW)相应比CO2激光源要高。但是其输出功率较高，能高达6000瓦。在日本已完成了对10 000瓦级的激光器的尝试。不要忽视激光发射光的危害，即使是相隔数米的距离也会对未加保护的眼睛造成伤害。
欧盟的DockLaser计划是通过研发用于船舶建造和维修的装配作业区域的激光工艺技术和设备，达到提高生产力和生产质量，改善作业的灵活性和生产工作条件的目的。这些区域的共有特征是焊接工艺的效率低、热输入量大，从而导致焊接变形和对工件油漆表面及舾装部件的损坏。该计划详细说明了船坞作业区的激光工艺的应用实例，需求和目标，来开发焊接/切割工艺和设备。操作安全和规范是整套设备工艺的着重点。接近于最终用户那儿的检测实际要求和生产原型，将帮助实际生产条件下的效益评估和适用性的实现。
3 个主要的应用领域为：
·利用行走机构来焊接长直角焊缝
·完成自动化焊接大型工件的定位焊
·在船舶舾装作业中应用手持操纵激光焊接和切割
DockLaser计划从准确锁定需求阶段开始，包括详细的调查造船厂需求以及现有被正式承认且操作安全的技术。在接下来的研发阶段将创立3种应用领域（长直角焊缝，定位焊和舾装作业）的解决方案。任务点2将针对实验室开发工艺，任务点3将开发出之前设想设备所需零部件，任务点4将在实验室集成和测试设备，任务点5将重点放在认证和使用安全上。最终评估阶段将把整套系统投入最终用户，在生产实践中进行检验和评估。起先每一个最终用户承担一个应用领域。任务7是与工业联合会一道将其作为主要生产手段进行推广。任务8是对此项充满挑战性的工程进行技术方面和行政管理的完善。
来自5个欧盟国家，一个合众国的12 个力量雄厚的盟友共同承担这个计划的实施，这个联盟包括5个制造工程师协会另外加上3个最终用户，4个焊接学会，1个专业级协会和4个设备制造商。他们有着极其丰富的激光工艺技术的经验。对实践应用的反馈和传达的协调任务由工业联合会负责。龙门架系统最大的缺点就是沉重和方向依赖性强。给定系统的工作方向必需大致沿焊缝方向。6轴机器人焊接系统的局限性是最长的焊接长度只到2米。
最终，开发的装有LaserHybrid 焊头的移动牵引车是所有这些问题的解决方案，手工操作便能实现方位转换。操作所需范围比龙门架系统要小得多得多。减少光学元件移动的结果是保护激光光纤不受机械应力的损坏。工艺参数的调节最好需在焊接电源上调节，因为气体保护电弧焊的特性并不十分适合复合焊工艺。它能对激光束和焊头焊缝跟踪系统进行非常精确的调节。如果使用特殊的激光光学元件，还可用改装的移动牵引车焊接角焊缝。为了保护光纤抵御来自焊接作业区的反射，激光束的轴线需向焊接方向倾斜一个角度。而焊接效果不会因此受到影响。
结论
Laser-GMAW复合焊是一种全新的工艺，它在造船工业有着广泛的用途，尤其是一些激光焊不可能达到或从经济成本上来考虑不能满足其所需的装配公差的场合。如此广泛的应用范围和高性能的复合焊工艺使得在当前利润日渐萎缩的形势下竞争力极大的提高，制造时间减少，生产成本降低且生产力提高。激光复合焊最大的优点就是焊接变形小并且减小了焊后处理的工作量。
当前的研究表明大功率CO2-、YAG-、或光纤激光器与GMA 相结合的LaserHybrid激光复合焊工艺可应用于各种板厚的焊接。复合焊工艺的优势在于其优良的焊缝搭桥能力和非常低的线能量。与激光填丝焊相比，激光复合焊工艺（LaserHybrid）可将焊接速度提高两倍。在板厚不超过15mm时，其最大焊缝搭桥能力为1mm的间隙。(end)
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(3/23/2006) |
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