高能束及特种焊接技术的发展

作者：西北工业大学 刘金合

欢迎访问e展厅 展厅 9 焊接设备/切割机展厅 交流电焊机, 直流电焊机, 气体保护焊机, 埋弧焊机, 高频焊接机, ... 前言 高能束流焊接的功率密度（Power Density）可达到105W/cm‑­2以上。束流可由单一的电子、光子、电子和离子或二种以上的粒子组合而成。目前，用在焊接领域的高能束流主要是等离子弧、电子束和激光束。TIG（Activating—Flux TIG）焊亦具有高能束流焊接的特点。爆炸焊能将相同的、特别是不同的金属组合，简单、迅速、和牢固的焊接在一起，其最大用途是制造大面积的不同形状、不同尺寸、不同用途的双金属及多金属复合材料。 1 高能束流焊接当前被关注的领域特点 当前高能束流焊接被关注的主要领域是： ⑴高能束流设备的大型化 — 功率大型化及可加工零件（乃至零件集成）的大型化。 ⑵新型设备的研制，诸如，脉冲工作方式以及短波长激光器等。 ⑶设备的智能化以及加工的柔性化。 ⑷束流品质的提高及诊断。 ⑸束流、工件、工艺介质相互作用机制的研究。 ⑹束流的复合。 ⑺新材料的焊接 ⑻应用领域的扩展。 2 激光焊接的最新进展 2.1 新型激光器 1) 直流板条式（DC Slab）CO2激光器，这种激光器被誉为CO2激光器新的里程碑，光束质量极好（k > 0.8）,消耗气体少（0.3L / h），运行可靠、免维修，运行费用低，商品型的已达3500W 。 2）二极管泵浦的YAG激光器， 二极管泵浦可以使用近20000小时，而LAMP泵浦时，500小时左右就要更换泵浦灯，该类激光器商品型的已达5000W。 3）CO激光器， 波长5.3μm ，是CO2激光的一半，发散角也为CO2激光的一半，同样的条件下，PD 为CO2的4倍 。 4）半导体激光器， 波长0.85～1.65μm ，可用光纤传输，体积小，输出功率已达3 kW。 5) 准分子激光器， 波长处于紫外波段，范围193～351nm ，约是YAG激光器的1/5和CO2激光的1/50 ，单光子能量比大部分分子的化学键能都高，能深入材料分子内部进行加工，加工基理是基于光化学作用，在非放热效应下进行，因此，材料变形极小。准分子激光器还可调谐，功率水平在实验室已达千瓦级。 2.2 激光器功率的大型化、脉冲方式以及高质量的光束模式 以美国PRC(Penn Research Corporation)公司（北美最大的快速轴流CO2激光器制造厂家）为例，几年前，用于切割的CO2激光器功率主要是1500～2000W，而近期的主导产品是4000～6000W，6000W可切割的不锈钢厚度、碳钢厚度分别为35mm和40mm 。 PRC激光器有三种脉冲方式。切割金属板开始要打孔时，采用超脉冲可使金属立即被蒸发而形成穿孔；切割时使用门脉冲可减小热影响区，割缝窄，切割面光洁度高；采用超强脉冲（Hyperpulse）焊接反射性极强的Al 、Cu时，脉冲尖峰先将材料表面温度升高甚至熔化，以提高材料对激光能量的吸收，使连续波焊接稳定进行；对于表面镀锌材料，超强脉冲的尖峰可将其蒸发，以利于连续波激光焊接的进行；切割时采用超强脉冲，能减少甚至消除挂渣现象。不同功率范围的激光，用于不同目的时，对光束模式的要求也不同。 2.3 设备的智能化及加工的柔性化 尤其是对YAG激光，由于可用光纤传输，给加工带来了极大的方便。瑞士LASAG公司的FLS 系列YAG固体激光机颇在这方面有代表性。其主要特点是： ⑴一机多用，一台激光机同时具有焊接、切割、打孔和剥离（Laser Ablation）等功能。 ⑵采用一台激光机可进行多工位（可达6个）加工。既可进行不同工位的分时加工，也可进行几个（多至6个）工位的同时加工（能量多工位分配）。 ⑶光纤长度（从激光加工机到工位的距离）最长可达60m 。 ⑷开放式的控制接口，可与CNC、PLC、PC等直接相连。 ⑸具有远距离诊断功能。 2.4 束流的复合 最主要的是激光 — 电弧复合（Laser Arc Hybrid）。复合加工时，激光产生的等离子体有利于电弧的稳定；复合加工可提高加工效率；可提高焊接性差的材料诸如铝合金、双相钢等的焊接性；可增加焊接的稳定性和可靠性；通常，激光加丝焊是很敏感的，通过与电弧的复合，则变的容易而可靠。 激光 — 电弧复合主要是激光与TIG、Plasma以及GMA。通过激光与电弧的相互影响，可克服每一种方法自身的不足，进而产生良好的复合效应。 GMA (GAS Metal Arc)成本低，使用填丝，适用性强，缺点是熔深浅、焊速低、工件承受热载荷大。激光焊可形成深而窄的焊缝，焊速高、热输入低，但投资高，对工件制备精度要求高，对铝等材料的适应性差。Laser-GMA的复合效应表现在：电弧增加了对间隙的桥接性（Ability of gap bridging），其原因有二：一是填充焊丝，二是电弧加热范围较宽；电弧功率决定焊缝顶部宽度；激光产生的等离子体减小了电弧引燃和维持的阻力，使电弧更稳定；激光功率决定了焊缝的深度；更进一步讲，复合导致了效率增加以及焊接适应性的增强。 激光 — 电弧复合在1970年就已提出，然而，稳定的加工直至近几年才出现，这主要得益于激光技术以及弧焊设备的发展，尤其是激光功率和电流控制技术的提高。 激光电弧复合对焊接效率的提高十分显著。这主要基于两种效应，一是较高的能量密度导致了较高的焊接速度，工件对流损失减小；二是两热源相互作用的叠加效应。焊接钢时，激光等离子体使电弧更稳定，同时，电弧也进入熔池小孔，减小了能量的损失；焊接铝时，由于叠加效应几乎与激光波长无关，其物理机制和特性尚待进一步研究。 Laser-TIG Hybrid可显著增加焊速，约为TIG焊接时的2倍；钨极烧损也大大减小，寿命增加；坡口夹角亦减小焊缝面积与激光焊时相近。阿亨大学弗朗和费激光技术学院研制了—种激光双弧复合焊接（HyDRA－Hybrid Welding With Double Rapid Arc），与激光单弧复合焊相比，焊接速度可增加约三分之一，线能量减小25% 。 英国Conventry大学现代连接中心（Centre f Advanced Joining）亦有Laser-plasma复合焊接的报导（PALW－Plasma Arc augmented Laser Welding）。其优点是：提高焊接速度和熔深；由于电弧加热，金属温度升高，降低了金属对激光的反射率，增加了对光能的吸收。在小功率CO2激光试验基础上，还要在12000W CO2激光以及光纤传输的2kW YAG激光器上进行，并为机器人进行PALW打基础。 2.5 激光、工件与保护气体相互作用的研究 激光、工件、保护气体相互作用与离焦量关系密切，在一定离焦范围内为深熔焊接，产生显著的等离子体，超过一定的离焦范围，则为热传导焊接，等离子体的影响比较小。 等离子体对入射激光具有折射、吸收、散焦以及屏蔽作用，这是激光焊接中的一个重要问题。 法国A · Poueyo－Verwaerde等诊断了CO2激光焊接等离子体。热电探测器用于记录反射的激光，可见光光电管用于收集等离子体辐射；通过多通道光谱仪进行光谱分析；用高速摄影机记录等离子体的图像。经过分析，得到了电子温度、电子密度与工件表面距离的关系以及反射率与等离子体亮度的关系。 德国Stuttgart大学进行了CO2激光深熔焊时激光焊接等离子体对激光聚焦性影响的研究。提出了焦平面上有效功率密度分布的概念 ，焦平面上功率密度减小是由于等离子体对激光吸收以及折射引起，等离子体折射情况取决于等离子体尺寸、位置和温度；采用He-Ar混合气比采用单一气体可更有效地抑制等离子体的负面效应。 Helmut Schmalenstroth等人用1kW的Nd：YAG进行激光焊接研究时，使用的气体有Ar 、He 、N2 以及Ar + O2 、Ar + CO2 、Ar + CO2 +O2 ，适当的混合气可增加熔深和焊速，降低成本， 在激光焊接过程控制方面，有使用电容传感系统测量和控制焦点位置报道，其机理是基于传感器的振荡频率由于焦点变化扰动而不是常数。当金属蒸气和保护气的电离密度和程度变化时，喷嘴电极和工件之间介质的介电常数发生变化。德国的Hillerich博士指出，电离原子和电离分子对介电常数ε的影响可用Drudench公式表示。 基于相同的原理，电容传感系统也可用于焊接速度和焊接缺陷的检测与控制。 在CO2激光焊接焊缝质量的磁流体力学控制方面，德国Stuttgart大学的М•Kern提出加磁激光焊接（MSLBW―Magnetically Supported Laser beam Welding），见图5。实验表明，这种方法可抑制焊道凸起,改善焊道顶部质量和焊缝断面形状，减少飞溅，使熔池上方的等离子体更趋于稳定，增加过程的稳定性。这个方法的作用与磁场的方向有关，前提是有电流存在，研究表明，电流除了由母材和熔化金属间的热电压引起外，同时还由凝固的焊缝和熔化金属间的热电压引起。 在激光焊接熔池动力学的研究方面，美国田纳西大学的V·Semak等将低功率的氩离子激光聚焦在熔池上，通过窄带干涉滤色镜除去等离子体发射的光，再经光电倍增管，用高速摄影记录熔池的形貌。研究表明，熔池内的反冲力远远超过表面张力和静压力，因而，围绕小孔边缘产生了高振幅的熔化金属凸起。高的反冲力使熔化金属组成的小孔壁离开激光束，而后，表面张力又将 小孔壁向光束靠近，由于反冲力的脉动性导致了熔池内，高振幅、低频率的体积振荡，同时也导致了熔池开口形状的显著变化，进而影响蒸气的运动方向，产生高频的声信号。研究还表明；激光点焊时，在熔池凝固期间，熔池的振荡频率在增加。 在激光焊接的熔化模型研究方面， 美国国家实验室的J·O Milewski采用计算机以窄V型坡口为模型，分析了激光能量在其中的传播和吸收，该模型较好地说明了在小孔内，光线反射频率和入射角随熔深而增加以及能量被吸收的峰值在小孔底部。 在激光焊接模拟方面，由于这是一个高阶、非线性、具有自由表面的三维问题，因而要精确计算和模拟有许多边界条件和参数都必需确定，但由于模拟对结果预测、工程设计以及物理本质揭示显示出的重要作用，相关的研究一直未中断。 2.6 铝合金的激光焊接 CO2激光焊接铝合金的困难主要在于高的反射率以及导热性好，难以达到蒸发温度、难于诱导小孔的形成（尤其是对Mg含量比较小时）以及容易产生气孔。提高吸收率的措施除了表面化学改性（如阳极氧化）、表面镀层、表面涂层等外，也有用激光—TIG、激光—MIG的报道，其中MIG—DC electrode position (DCEP)方法由于表面的清理作用强和加丝的合金化作用效果较好。 最近，比利时的L·Cretteur和法国的S·Marya 对6061铝合金进行了混合气和焊剂的CO2激光焊。在给定的试验条件下表明：70%He +30%Ar 、气流方向与焊接方向相反时效果为好；针对穿透焊接时焊缝背面容易产生下垂缺陷，采用75% LiF+25%LiCl的焊剂，起到了祛除氧化、改善熔化金属与背面母材的接合，使背面焊缝具有“上翘”效应，在较宽的参数区间内形成了规整的焊道。对6061铝合金的焊接表明，焊缝强度可达到母材的90% 。 2.7 激光熔覆 激光熔覆与其它表面改性方法相比，加热速度快、热输入少，变形极小；结合强度高；稀释率低；改性层厚度可精确控制，定域性好、可达性好、生产效率高。 激光熔覆除用于民品外，英、美等国也已用于航空机发动机Ni基涡轮叶片的耐热、耐磨层的熔覆及修复。 3 电子束焊接和等离子弧焊接的最新进展 国外电子束焊接发展可归结为：超高能密度装置研制、设备智能化柔性化、电子束流特性诊断、束流与物质作用机制研究以及非真空电子束焊设备及工艺的研究.等。 在日本，加速电压600kV、功率300kW的超高压电子束焊机已问世，一次可焊200mm的不锈钢，深宽比达70∶1 。 日、俄、德开展了双枪及填丝电子束焊技术的研究。在对大厚度板第一次焊接的基础上，通过第二次填丝来弥补顶部下凹或咬边缺陷；日本采用双抢实现了薄板的超高速焊接，反面无飞溅，成形良好。 法国研制成功的双金属和三金属薄带材电子束焊接也颇引人关注。 关于非真空电子束焊接，德国实现了母材为Al Mg0.4 Si1.2的旋转件的填丝焊接，加丝材料为AlMg4.5Mn ，送丝速度35m / min ，焊接速度高达60m / min 。该研究在斯图加特大学的25kW电子束焊机上完成。 非真空电子束焊接（EBW—NV）在汽车制造领域一直倍受重视。例如，手动变速器中同步环与齿轮的非真空电子束焊接，生产率已超过500件/小时。 最近，德国和波兰的学者共同研制了真空电子束焊接时安装于真空室中的非接触测温装置，测量点最小直径1.8 mm，主要用于陶瓷和硬质合金的钎焊，该装置可排除随机的热流的干扰，测量精度高。 在等离子弧焊接方面，变极性等离子弧焊以及铝合金穿孔等离子立焊是关注点之一 . 4 国内高能束流焊接现状 在国内，高能束流焊接越来越引起更多相关人士诸如焊接、物理、激光、材料、机床、计算机等工作者的关注。国内在设备水平上，与国外有一定差距，但在工艺研究上，水平则较为接近，甚至在某些方面还有自己的特色。 4.1 激光焊接 在设备生产与研究上，主要有华工的气体激光加工国家工程中心、电子部11所的固体激光加工国家工程中心、中国大恒激光工程公司、上海团结百超数控激光设备有限公司等，主要生产千瓦级的CO2激光设备和1千瓦以下的固体YAG激光设备。 国内对激光焊接研究主要集中在激光焊接等离子体形成机理、特性分析、检测、控制、深熔激光焊接模拟、激光—电弧复合热源的应用、激光堆焊、超级钢焊接、水下激光焊接、宽板激光拼焊（Tailored Blank Laser Welding）、填丝激光焊、铝合金激光焊、激光切割质量控制等。从事激光焊接研究比较多的主要有华中理工大学、国家产学研激光技术中心、清华大学、哈尔滨焊接研究所、北京航空工艺研究所、哈尔滨工业大学、西北工业大学等。清华大学从声和电的角度，分析了熔透状态的声信号，提出了激光焊接等离子体的等效电路及电特性数学模型；在抑制等离子体的负面效应方面，清华大学张旭东、陈武柱等提出了侧吸法；国家产学研激光技术中心的肖荣诗、左铁钏提出了双层内外圆管吹送异种气体法；西北工业大学的刘金合提出了外加磁场法。哈尔滨焊接研究所引进德国HAAS公司生产的2kW Nd：YAG激光发生器，建立了大功率固体激光加工中心，开展了材料为碳钢、不锈钢、铝合金、钛合金等多种材料的大功率固体激光焊接工艺研究以及激光—电弧复合热源焊接技术研究。 4.2 电子束焊接 我国自行研制电子束焊机始于60年代，至今已研制生产出不同类型和功能的电子束焊机上百台，并形成了一支研制生产的技术队伍，能为国内市场提供小功率的电子束焊机。 近年来，出现了关键部件（电子枪，高压电源等）引进、其它部件国内配套的引进方式，这种方式的优点是：设备既保持了较高的技术水平，又能大大降低成本，同时还能对用户提供较完善的售后服务。北京航空工艺研究所以此方式为某航空厂实施设备的总体设计和总成，实现了某重要构件的真空电子束焊接；桂林电器科学研究所也通过这种方式开发了HDG(Z)-6型双金属带材高压电子束连续自动焊接生产线，该机加速电压120kV、束流0～50mA、电子束功率6kW，带材运行速度0～15m/min，从而使我国挤身于世界上能生产这种生产线的几个国家之一。北京中科电气高技术公司近期为上海通用汽车公司研制成功自动变速车液力扭变器涡轮组件电子束焊机，70 s内可完成两条端面圆焊缝的焊接，并已投入商业化生产。 目前，以科学院电工所的EBW系列为代表的汽车齿轮专用电子束焊机占据了国内汽车齿轮电子束焊接的主要市场份额；我国的中小功率电子束焊机已接近或赶上国外同类产品的先进水平，而价格仅为国外同类产品的1/4左右，有明显的性能价格比优势。 在机理及工艺研究上，北京航空工艺研究所、北京航空航天大学、天津大学、上海交通大学、西北工业大学、中国科学电工所、桂林电器科学研究所、西安航空发动机公司、航天材料及工艺研究所、哈尔滨焊接研究所开展的工作涉及熔池小孔动力学、电子束钎焊、接头疲劳裂纹扩展行为、接头残余应力、填丝焊接、局部真空焊接时的焊缝轨迹示教等。 4.3 等离子弧焊接 在等离子弧焊设备方面，西北工业大学的李京龙、白钢等开展了脉动等离子喷焊技术研究，通过在工件和喷枪阳极（喷嘴）间接入高频的IGBT无触点开关，成功地实现了转移弧和非转移弧的高频交替工作，实现了单一电源下的等离子喷焊。西安交通大学的王雅生等开展了适宜于AI、Mg及其合金的变极性等离子弧焊设备的研究，主弧的正、负半波分别由两台直流电源供电，对工件（铝）实现了变极性焊接，它不仅使电弧稳定，而且还有可靠的阴极清理作用。北京航空工艺研究所开展了脉冲等离子弧焊的“一脉一孔”的工艺研究；在穿孔等离子弧焊小孔特征及行为检测方面，哈尔滨工业大学、北京航空工艺研究所以及清华大学分别通过光谱信息、电弧电压和电流的频谱分析，检测小孔的建立、闭合以及小孔尺寸；天津大学的王惜宝、张文钺分析了等离子弧粉末堆焊时粉末在转移弧中的输运行为及其主要影响因素，计算了铁基合金粉末和碳化硼粉末、不同参数下在弧柱中的输运速度分布及沿弧柱横截面上的粉通量分布。在重要的应用方面，西安航空发动机公司利用自制的电源设备配以进口的等离子焊枪，实现了某航空发动机工艺的改进。 5 特种焊接的新进展 目前，国内从事爆炸焊接研究的单位主要有西北有色金属研究院、大连理工大学、太原钢铁集团有限公司、大连造船厂、中船总725所等。新近，中南大学出版了由郑远谋编著的“爆炸焊接和金属复合材料及其工程应用”一书，详尽的介绍了爆炸焊接的原理及工艺，全书达152万字。 太原钢铁集团有限公司钢研所的李国平、王立新等针对爆炸焊接00Cr22Ni5Mo3N + Q345C不锈钢复合板的热处理工艺进行了研究，并已应用于长江三峡水利枢纽工程建设；武钢技术中心的李荣锋开展了爆炸预处理对14MnNiDR低温压力容器用钢焊接冷裂纹敏感性的影响进行了研究，结果表明：爆炸预处理在提高焊接接头韧性的同时，对降低焊接接头冷裂纹敏感性有显著效果，爆炸预处理可免除焊前预热或降低预热温度，为大型焊接结构的施工带来极大方便。 A—TIG焊接在输入功率不变的情况下可使熔深显著增加，焊缝截面具有高能束流焊接的特征，在国内，哈尔滨工业大学、北京航空制造工程研究所、西北工业大学等单位均给与了很大关注，且北京航空制造工程研究所已开发出了活性焊剂系列产品。 洛阳工学院的张柯柯、杨蕴林等对异种钢恒温超塑性固相焊接接头的变形特点进行了研究，结果表明：恒温超塑性固相焊接接头的变形主要表现为应变的时间积累。 抚顺石油学院的宋天民等开展了振动埋弧焊对焊件疲劳寿命的影响及其机理究，结果表明：机械振动焊接可降低焊接残余应力、细化焊缝和热影响区的金相组织、提高焊件疲劳寿命。在给定的实验条件下，纵向残余应力降低43 % ，横向残余应力降低25 % ，试样的疲劳寿命提高35 % 。 参考文献 1．第十次全国焊接会议论文集，第一册，第二册，黑龙江人民出版社，2001 2．U · Dilfhey et al , Prospects by combining and coupling laser beam and arc welding process, Welding in the world, Vo.l44, No.3 2000 3．M · Kern, P. Berger and H. Hügel, Magneto-Fluid dynamic control of seam quality in CO2 laser beam welding, welding research supplement, March, 2000 4．郑远谋著，爆炸焊接和金属复合材料及其工程应用，中南大学出版社，2002 5．应用激光，Vol.22 No.2. 2002 *刘金合，焊接学会高能束及特种焊接专业委员会主任，西北工业大学教授(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (5/31/2005)