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铝合金激光-电弧双面焊接激光稳定、压缩电弧的机制分析--《机械工程学报》2013年04期
铝合金激光-电弧双面焊接激光稳定、压缩电弧的机制分析
【摘要】：为了阐释铝合金激光-电弧双面焊激光稳定、压缩电弧的物理机理,采用对比试验的研究方法和红外测温、电弧光谱分析的技术手段,分析激光对电弧作用的物理本质。结果表明,在激光匙孔未穿透条件下,激光形成的大梯度温度场为电弧提供阳极斑点是铝合金激光-电弧双面焊电弧稳定、收缩的根本原因,高能量密度的激光热源和高热导率的材料二者不可或缺;而在激光匙孔穿透条件下,光谱分析显示常规钨极惰性气体保护(Tungsten inert gas arc,TIG)焊电弧的Ar谱线强度最高,不锈钢激光-电弧双面焊电弧次之,而铝合金激光-电弧双面焊电弧Ar谱线最弱,这表明铝合金较高的饱和蒸汽压使得激光在匙孔底部产生较多的激光等离子体,为电弧提供了更加容易的导电通道,因而电弧弧根作用于此。
【作者单位】：
【关键词】：
【基金】：
【分类号】：TG456【正文快照】：
0前言1激光-电弧复合焊接是近年来激光焊接领域研究的热点问题[1-2],已有的研究结果表明在大电流条件下激光不再吸引、压缩电弧,激光、电弧协同增强效应消失,激光-电弧复合焊的熔深甚至小于相同条件的下的激光焊[3]。针对此问题,哈尔滨工业大学开展了激光-电弧双面焊接(Laser-
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激光电弧复合焊接技术
激光电弧复合焊接技术&&&&&&&& & & & 长期以来，和电弧焊接两种工艺由于能源传输的物理过程和能源流动的方式不同，都有其各自的特殊应用领域。激光焊接工艺的热影响区非常窄，焊缝的深宽比也很高，具有较高的焊接速度，但由于焦点直径很小，所以焊缝桥接能力很差。电弧焊工艺能源密度较低，但可以在表面形成较大的聚焦点，缺点是工艺速度较慢。&&&&如果将这两种工艺结合起来，结果会怎样呢？事实证明，两种工艺的混合焊接工艺可以获得非常好的综合效应，在焊接质量、生产工程和生产成本等方面都有明显的优势，因此在汽车工业中得到了广泛应用。开&发& & & & 早在20世纪70年代，将激光光束和焊接电弧融合到一起形成焊接工艺的方法就已经为人知晓，但是，此后很长一段时间，人们并没有对这种工艺进行进一步研发。不过，最近研究人员又开始把目光转向这种工艺，试图再将电弧焊接的优势与激光焊接的优势结合起来，形成一种混合型的焊接工艺。& & & & 在早些时候，激光器是否适合工业使用尚待证明，而今天，在许多生产企业里，激光器几乎已经成为一种标准设备。将激光焊接工艺与另外一种焊接工艺相结合，被称为“激光混合焊接工艺”，即激光束和电弧同时在一个焊接区域内起作用，二者相互影响、相互支持。& & & & 激光焊接不仅需要强大的激光功率，而且还需要高质量的激光束，这样才能获得理想的“深焊缝效应”。例如大众汽车公司目前正在进行的项目就使用灯泵浦固体激光器，激光光束的功率为4kW，激光通过水冷600mm玻璃纤维进行传输，激光束通过焦距为200mm/220mm的调焦模块投射到待焊工件上。& & & & 激光电弧混合焊接工艺是将激光焊与电弧焊这两种焊接工艺有机地结合起来，从而获得了优良的综合性能，提高了效率/成本比。如1.5mm+2.0mm&AlMgSi1接头激光混合焊接的焊接速度可以达到8.1m/min，并且只需使用4kW的固体激光源。& & & & 当利用激光混合焊接工艺焊接金属工件时，钕钇铝石榴石激光束进行聚焦后获得强度为106W/mm2&的光束。当激光束打到材料表面上时，照射点被加热到汽化温度，由于汽化金属逃逸，在焊缝金属上形成汽化空腔，焊缝接头突出的特点是极高的深宽比例，自由燃烧电弧的能量流动密度稍稍高于104W/mm2。除了来自电弧的热量以外，激光束将热量传输给接头顶部的焊缝金属。与顺序配置两种不同的焊接工艺先后连续起作用不同，混合焊接工艺可以看成两种焊接工艺结合起来同时在同一工艺区域内共同作用。根据所用的电弧或激光工艺种类以及工艺参数的不同，工艺之间相互影响的程度不同，产生影响的方式也不同。& & & & 把激光和电弧相结合，与将两种工艺单独使用相比，焊缝穿透深度和焊接速度都有所增加。从蒸汽空腔逃逸出来的金属蒸汽与电弧等离子作用，钕钇铝石榴石激光辐射吸收进入工艺等离子中数量微乎其微。根据两种工艺的功率输入比例，总体工艺特性主要决定于激光或电弧。工件表面温度会对激光辐射吸收产生实质性影响。在激光工艺开始之前，必须克服初始反射，特别是铝材表面上的反射，采用特殊启动程序启动焊接，可以起到克服初始反射的作用。& & & &在达到汽化温度之后，汽化空腔形成，这时几乎所有辐射能都可以作用在工件上，这时所需的能量取决于与温度有关的吸收情况和通过传导到工件其余部分而损耗能量的多少。在混合焊接工艺中，汽化不仅发生在工件表面，而且还发生在焊丝上，因此可以获得更多的金属蒸汽，反过来又利于激光辐射的输入，防止工艺参数的下降。&&&&&&&在激光混合焊接系统中，焊头（见图1）是最关键的部件，它包括MIG焊枪、激光光学系统、水冷系统及空气清洁系统。焊头的几何尺寸较小，以确保较好的焊接可达性，尤其是在焊接车身时更为明显，此外，焊头还具有良好的可拆卸性，便于安装到机器人上，同时在焊接过程中要求焦距和焊矩具有可调功能。
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