長期以來，激光焊接和電弧焊接兩種工藝由于能源傳輸?shù)奈锢磉^程和能源流動(dòng)的方式不同，都有其各自的特殊應(yīng)用領(lǐng)域。激光焊接工藝的熱影響區(qū)非常窄，焊縫的深寬比也很高，具有較高的焊接速度，但由于焦點(diǎn)直徑很小，所以焊縫橋接能力很差。電弧焊工藝能源密度較低，但可以在表面形成較大的聚焦點(diǎn)，缺點(diǎn)是工藝速度較慢。
如果將這兩種工藝結(jié)合起來，結(jié)果會(huì)怎樣呢？事實(shí)證明，兩種工藝的混合焊接工藝可以獲得非常好的綜合效應(yīng)，在焊接質(zhì)量、生產(chǎn)工程和生產(chǎn)成本等方面都有明顯的優(yōu)勢，因此在汽車工業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用。
開 發(fā)
早在20世紀(jì)70年代，將激光光束和焊接電弧融合到一起形成焊接工藝的方法就已經(jīng)為人知曉，但是，此后很長一段時(shí)間，人們并沒有對這種工藝進(jìn)行進(jìn)一步研發(fā)。不過，最近研究人員又開始把目光轉(zhuǎn)向這種工藝，試圖再將電弧焊接的優(yōu)勢與激光焊接的優(yōu)勢結(jié)合起來，形成一種混合型的焊接工藝。
在早些時(shí)候，激光器是否適合工業(yè)使用尚待證明，而今天，在許多生產(chǎn)企業(yè)里，激光器幾乎已經(jīng)成為一種標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備。將激光焊接工藝與另外一種焊接工藝相結(jié)合，被稱為“激光混合焊接工藝”，即激光束和電弧同時(shí)在一個(gè)焊接區(qū)域內(nèi)起作用，二者相互影響、相互支持。
激光焊接不僅需要強(qiáng)大的激光功率，而且還需要高質(zhì)量的激光束，這樣才能獲得理想的“深焊縫效應(yīng)”。例如大眾汽車公司目前正在進(jìn)行的項(xiàng)目就使用燈泵浦固體激光器，激光光束的功率為4kW，激光通過水冷600mm玻璃纖維進(jìn)行傳輸，激光束通過焦距為200mm/220mm的調(diào)焦模塊投射到待焊工件上。
激光電弧混合焊接工藝是將激光焊與電弧焊這兩種焊接工藝有機(jī)地結(jié)合起來，從而獲得了優(yōu)良的綜合性能，提高了效率/成本比。如1.5mm+2.0mm AlMgSi1接頭激光混合焊接的焊接速度可以達(dá)到8.1m/min，并且只需使用4kW的固體激光源。
當(dāng)利用激光混合焊接工藝焊接金屬工件時(shí)，釹釔鋁石榴石激光束進(jìn)行聚焦后獲得強(qiáng)度為106W/mm2 的光束。當(dāng)激光束打到材料表面上時(shí)，照射點(diǎn)被加熱到汽化溫度，由于汽化金屬逃逸，在焊縫金屬上形成汽化空腔，焊縫接頭突出的特點(diǎn)是極高的深寬比例，自由燃燒電弧的能量流動(dòng)密度稍稍高于104W/mm2。除了來自電弧的熱量以外，激光束將熱量傳輸給接頭頂部的焊縫金屬。與順序配置兩種不同的焊接工藝先后連續(xù)起作用不同，混合焊接工藝可以看成兩種焊接工藝結(jié)合起來同時(shí)在同一工藝區(qū)域內(nèi)共同作用。根據(jù)所用的電弧或激光工藝種類以及工藝參數(shù)的不同，工藝之間相互影響的程度不同，產(chǎn)生影響的方式也不同。
把激光和電弧相結(jié)合，與將兩種工藝單獨(dú)使用相比，焊縫穿透深度和焊接速度都有所增加。從蒸汽空腔逃逸出來的金屬蒸汽與電弧等離子作用，釹釔鋁石榴石激光輻射吸收進(jìn)入工藝等離子中數(shù)量微乎其微。根據(jù)兩種工藝的功率輸入比例，總體工藝特性主要決定于激光或電弧。工件表面溫度會(huì)對激光輻射吸收產(chǎn)生實(shí)質(zhì)性影響。在激光工藝開始之前，必須克服初始反射，特別是鋁材表面上的反射，采用特殊啟動(dòng)程序啟動(dòng)焊接，可以起到克服初始反射的作用。在達(dá)到汽化溫度之后，汽化空腔形成，這時(shí)幾乎所有輻射能都可以作用在工件上，這時(shí)所需的能量取決于與溫度有關(guān)的吸收情況和通過傳導(dǎo)到工件其余部分而損耗能量的多少。在混合焊接工藝中，汽化不僅發(fā)生在工件表面，而且還發(fā)生在焊絲上，因此可以獲得更多的金屬蒸汽，反過來又利于激光輻射的輸入，防止工藝參數(shù)的下降。
在激光混合焊接系統(tǒng)中，焊頭（見圖1）是最關(guān)鍵的部件，它包括MIG焊槍、激光光學(xué)系統(tǒng)、水冷系統(tǒng)及空氣清潔系統(tǒng)。焊頭的幾何尺寸較小，以確保較好的焊接可達(dá)性，尤其是在焊接車身時(shí)更為明顯，此外，焊頭還具有良好的可拆卸性，便于安裝到機(jī)器人上，同時(shí)在焊接過程中要求焦距和焊矩具有可調(diào)功能。
圖1 激光混合焊接焊頭
如何防止焊接過程中的飛濺污染激光頭的防護(hù)玻璃是激光混合焊接工藝的一個(gè)重要難題。隨著焊接過程中的飛濺對玻璃片的污染程度的增加，會(huì)導(dǎo)致作用在工件上的激光能量逐漸減少，甚至可能降低90%。為了解決飛濺污染問題，奧地利Fronius公司在防護(hù)玻璃前安裝了“Cross jet”系統(tǒng)，可將飛濺轉(zhuǎn)向90°，避免了飛濺沾觸防護(hù)玻璃，使激光混合焊頭不受煙塵和飛濺的污染，長時(shí)間保持清潔。激光混合焊頭帶雙循環(huán)水冷冷卻系統(tǒng)，焊槍設(shè)計(jì)的負(fù)載為250A 100%（指MIG焊）和4kW的激光能源。
優(yōu) 勢
電弧焊接的特點(diǎn)是有廉價(jià)的能量來源，激光焊接工藝容許大的焊接深度、高的焊接速度、低的熱負(fù)荷以及狹窄的焊縫接頭，在一定密度下，激光光束會(huì)在金屬材料中產(chǎn)生“深焊縫效應(yīng)”，只要激光功率足夠大，就可以焊接壁厚較大的零件。因此，激光混合焊接容許采用更高的焊接速度，由于電弧和激光束之間的相互作用，工藝穩(wěn)定性很好，增加了熱效率以及改進(jìn)了工件公差。此外，熔池也比金屬極氣保護(hù)焊接要小一些，熱輸入較小，熱影響區(qū)也較小，使得焊接結(jié)構(gòu)變形就比較小，減少了焊后后續(xù)校直的工作量。因?yàn)橛袃蓚€(gè)不同的焊接熔池，隨后來自電弧的熱輸入會(huì)給激光束焊接區(qū)域（特別是鋼鐵）進(jìn)行回火處理，將硬度值更加均勻地分配到接頭的各個(gè)部分。
與激光焊接工藝相比，激光混合焊接工藝所需要的投資費(fèi)用可以大為減少，其優(yōu)勢主要體現(xiàn)在更高的工藝穩(wěn)定性、更高的橋接能力、更深的穿透性和更大的韌性以及不需要在焊接機(jī)頭上使用壓力輪，顯著改進(jìn)了焊接的可及性。與金屬極氣保護(hù)焊接工藝相比，激光混合焊接工藝的優(yōu)點(diǎn)為焊接速度更高、當(dāng)焊接速度更高時(shí)穿透性更大、熱輸入值較低、拉伸強(qiáng)度更高、焊縫接頭較狹窄等。
使用激光混合焊接工藝，由于降低了激光束功率，因此可大大減少激光光源的能量消耗，因?yàn)榧す馐O(shè)備的效率只有3%。換言之，作用于工件上的激光束功率每降低1kW，則從電網(wǎng)上消耗的功率就大約要降低35kW。激光設(shè)備的成本是1kW激光功率為12萬美元。當(dāng)利用混合工藝后，可以使用3kW的激光器，而不需要用4kW的激光器，于是就可以節(jié)省12萬美元的投資。另外只需要6.5萬美元購置額外的MSG設(shè)備和焊接機(jī)頭。
當(dāng)焊接速度為2.4m/min時(shí)，采用激光焊接時(shí)焊縫不可能充滿，會(huì)產(chǎn)生咬邊，母材上的滲透也只有很少一點(diǎn)，焊道寬度非常小，因此，拉伸強(qiáng)度低。在激光混合焊接中，額外材料被運(yùn)送到熔池中，咬邊處被金屬極氣保護(hù)焊的焊絲填滿，節(jié)約了部分激光能量。節(jié)約下來的激光能量可用于增加對母材的滲透深度，焊道寬度比材料厚度更大，這對于優(yōu)化機(jī)械性能是很必要的。
應(yīng) 用
大眾汽車公司的策略是在汽車行業(yè)里盡量多地使用激光焊接工藝。在被稱為“D1概念車”的Phaeton型汽車（見圖2）上，所有的車門都是激光混合工藝焊接的。大眾汽車公司對車門結(jié)構(gòu)的剛性具有很高的要求，如果沒有激光混合焊接工藝，則必須使用大的重型鑄鋁材料。為了與車身完美配合，要求幾何公差必須非常小，這樣，汽車在行駛中來自風(fēng)阻的噪音等級(jí)會(huì)很低。為了生產(chǎn)具有這種剛性的車門，必須很好地混合使用板材、鑄件和沖壓件。要獲得較輕的重量，低密度的鋁材是一種完美的實(shí)用性材料。#p#分頁標(biāo)題#e#
圖2 在大眾汽車公司的Phaeton汽車上，所有車門均采用激光混合焊接工藝來焊接
Phaeton型汽車車門的焊接由7個(gè)氣體金屬電弧焊縫、11個(gè)激光焊縫和48個(gè)激光混合焊縫組成，車門焊縫的總長度是4980mm，采用兩個(gè)鋁鑄件的激光混合焊接接頭，焊絲為AlSi12，直徑為1.6mm，保護(hù)氣體為氬氣。增加激光功率，可以獲得更高的焊接速度。與單純激光束焊接工藝相比，將激光束與電弧結(jié)合，可以產(chǎn)生更大的焊接熔池，可以對焊根間隙較寬的零件進(jìn)行焊接。焊接速度范圍為1.2～4.8m/min，但是，工藝優(yōu)化速度為4.2 m/min，送絲速度為6.5m/min、激光功率為2.9kW。
在汽車行業(yè)里，許多地方應(yīng)用搭接焊，而不進(jìn)行接頭坡口準(zhǔn)備。當(dāng)前，這種焊接工作最為先進(jìn)的工藝是采用冷焊絲激光焊接。當(dāng)焊絲焊接接頭時(shí)，多數(shù)的激光能量都損失在熔化焊絲上。在帶有焊絲的激光焊接里，為了獲得所需的公差，必須使用壓力輪。因?yàn)楹附訖C(jī)頭尺寸比較高，在可及性方面有一定的局限性。這種工藝的典型參數(shù)是：焊接速度為2.8m/min、激光功率為4kW、送絲速度為6.6m/min。
在德國Neckarsulm市奧迪公司系列汽車的生產(chǎn)中，激光混合焊接工藝被應(yīng)用到最關(guān)鍵的全鋁車身的焊接中。該汽車車身是第二代豪華奧迪A8系列的車身，在設(shè)計(jì)上追求沖擊安全性和抗扭曲變形。激光混合焊接的焊縫符合所有的要求，表現(xiàn)出強(qiáng)韌性、高強(qiáng)度和大熔深的特點(diǎn)。為了滿足客戶對這款車的高期望值，每一個(gè)細(xì)節(jié)都要精益求精，確保汽車的制造質(zhì)量。激光混合焊接的窄焊縫可以滿足對外觀要求較高的工件，那么車身框架頂部的邊角處就不必再用塑料條帶填塞。在輕型汽車制造領(lǐng)域，所有上面提到的要求以及一些特殊的條件都必須得到滿足，而全鋁車身的制造過程對這些要求更為嚴(yán)格。
奧迪A8車體的負(fù)載結(jié)構(gòu)是由一個(gè)空間框架構(gòu)成。這個(gè)框架結(jié)構(gòu)是由鋁板擠壓成形的，這個(gè)結(jié)構(gòu)的可靠性已在第一代奧迪A8的身上得到充分證明，該框架結(jié)構(gòu)是由不同規(guī)格的鋁板連接而成。最新一代奧迪A8框架的頂部因焊接程度密集而變得格外重要，F(xiàn)ronius公司的激光混合焊機(jī)因其優(yōu)異的性能而承擔(dān)了這項(xiàng)艱巨的任務(wù)，在整個(gè)焊接過程中有65條焊縫，焊縫總長度為5m，單個(gè)焊縫的長度30～260mm。圖3中紅線部分為使用激光混合焊進(jìn)行焊接的奧迪A8框架頂側(cè)梁的焊縫。
圖3 紅色部分為使用激光混合焊接工藝的奧迪A8框架頂側(cè)梁的焊縫
此外，激光混合焊接工藝還適用于動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)一、容器、傳動(dòng)橋和車身等。
總 結(jié)
激光混合焊接是一種新的工藝技術(shù)，在汽車行業(yè)里有著廣泛的用途，特別是在采用激光焊接無法實(shí)現(xiàn)零件公差或不夠經(jīng)濟(jì)時(shí)，激光混合焊接工藝的優(yōu)勢更加明顯。這種功能強(qiáng)大的焊接工藝，可以達(dá)到減少投資、降低制造成本、提高生產(chǎn)率的目的，從而提高綜合競爭能力。
激光混合焊接工藝給鋁材焊接開辟了一條新途徑。近來固體激光器輸出功率的提高，使這種工藝的穩(wěn)定性成為可能。在混合焊接工藝?yán)铮す夂附雍碗娀『附颖焕斫鉃橹挥幸粋€(gè)單一的工藝區(qū)（等離子和焊劑）。選擇正確的工藝參數(shù)，就可以有選擇性地影響焊縫性能，如幾何形狀、結(jié)構(gòu)組成等。增加填充金屬，電弧焊接工藝就可以提高橋接能力，同時(shí)也可以確定焊縫寬度，減少工件焊接坡口的準(zhǔn)備工作量。
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