日前，由中國船舶集團有限公司旗下第七一六研究所與第七二五研究所聯(lián)合打造的國內(nèi)首套大功率龍門式激光電弧復合焊接系統(tǒng)完成工藝試驗及小批生產(chǎn)，并正式投入生產(chǎn)使用。
龍門式激光電弧復合焊接系統(tǒng)在國內(nèi)首次實現(xiàn)了18毫米鈦合金激光自熔焊焊接技術應用，單面焊雙面成型，工件熱變形量小、成型美觀；在國內(nèi)首次實現(xiàn)了跨度6米，長20米以上的大型構件的大功率激光對稱焊接及大功率激光電弧復合的對稱焊接，解決了大型構件非對稱焊接變形的難題，該技術達到了國內(nèi)領先水平。
該系統(tǒng)可以實現(xiàn)20千瓦激光深熔焊，激光填絲焊及激光電弧復合焊，焊接跨度、激光功率、焊接方式等方面在國內(nèi)處于領先水平。
該項目經(jīng)過調試及工藝優(yōu)化，激光填絲焊接工藝已成功應用于某船用重要產(chǎn)品，成型及焊接質量明顯優(yōu)于傳統(tǒng)焊接，焊接變形降低60%，焊接效率提高300%，目前已經(jīng)完成小批試生產(chǎn)，開始進入正式規(guī)模生產(chǎn)階段，后續(xù)可在大型中厚板鈦合金焊接加工領域推廣。
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激光電弧復合焊接示意圖
激光-電弧復合焊結合了激光和電弧兩個獨立熱源各自的優(yōu)點：激光熱源具有高的能量密度，而電弧等離子體具有高的熱-電轉化效率、低廉的設備成本的運行成本；又在很大程度上避免了二者的缺點，如金屬材料對激光的高反射率造成的激光能量損失、電弧熱源較低的能量密度、高速移動時放電穩(wěn)定性差等。二者的有機結合形成了其突出的優(yōu)勢：高的能量密度、高的能量利用率、高的電弧穩(wěn)定性等，使之成為具有極大應用前景的新型焊接技術。
激光-電弧復合焊的基本原理是：焊接過程中激光束與電弧同時作用于金屬表面同一位置，因激光作用而產(chǎn)生光致等離子體云會降低激光能量利用率，外加電弧后，電弧等離子體會使激光致等離子體稀釋，使激光能量傳輸效率得以提高；同時電弧使母材溫度升高，母材對激光的吸收率也得以提高。同時，激光熔化金屬為電弧提供自由電子，降低了電弧通道的電阻，使得電弧的能量利用率也提高，從而使總的能量利用率提高。激光束對電弧還有聚焦引導作用，使焊接過程中的電弧更加穩(wěn)定。
大量試驗結果表明，在同樣焊接規(guī)范下，相對于傳統(tǒng)單一熱源焊接，激光-電弧復合焊可以明顯增大熔深，由于可在較小的激光功率下獲得同樣的效果，故在一定程度上降低了成本。激光-電弧復合焊還能夠減少氣孔、裂紋、咬邊等焊接缺陷的產(chǎn)生，改善熔化金屬與固態(tài)母材的潤濕性、消除焊縫咬邊現(xiàn)象，減少對焊縫的加工、裝配勞動量，提高了生產(chǎn)效率。
特別值得指出的是，焊接變形是船舶制造業(yè)中需要解決的主要問題之一。在船體制造過程中，焊接工時和焊接成本占船體建造總工時和總成本的很大一部分，其中焊接變形導致的成本增長占有相當比例。激光-電弧復合焊接變形量非常小，焊后的修整工作量大為減少，進一步降低的船舶制造的成本，節(jié)約了時間，提高了效率。目前歐美及日本的一些造船廠已經(jīng)采用激光-電弧復合焊技術，例如德國的Meyer造船廠已經(jīng)全部采用激光-電弧復合焊接方法進行輪船的焊接。研究證實，厚度≤15毫米、長度≤20米鋼板的焊接速度能夠達到每分鐘3米。
激光電弧復合焊接 模擬圖
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