高能束流焊接技術的新進展

tags: 焊接技術    時間:2014-03-14 01:19:07
高能束流焊接技術的新進展簡介
    當前高能束流焊接被關注的主要領域是:①高能束流設備的大型化—功率大型化及可加工零件(乃至零件集成)的大型化。②新型設備的研製,諸如,脈衝工作……
高能束流焊接技術的新進展正文
   

當前高能束流焊接被關注的主要領域是:①高能束流設備的大型化—功率大型化及可加工零件(乃至零件集成)的大型化。②新型設備的研製,諸如,脈衝工作方式以及短波長激光器等。③設備的智能化以及加工的柔性化。④束流品質的提高及診斷。⑤束流、工件、工藝介質相互作用機制的研究。⑥束流的複合。⑦新材料的焊接。⑧應用領域的擴展。

激光焊接的最新進展

1 新型激光器
(1)直流板條式(DC Slab) CO2 激光器、(2) 二極體泵浦的 YAG 激光器、(3) CO 激光器、(4)半導體激光器、(5)準分子激光器。

2 激光器功率的大型化、脈衝方式以及高質量的光束模式
以美國 PRC 公司為例,幾年前,用於切割的 CO2 激光器功率主要是 1500~2000W ,而近期的主導產品是 4000~6000W , 6000W 可切割的不鏽鋼厚度、碳鋼厚度分別為 35mm 和 40mm。

3 設備的智能化及加工的柔性化
尤其是對 YAG 激光,由於可用光纖傳輸,給加工帶來了極大的方便。
其主要特點是:①一機多用。②採用一台激光機可進行多工位(可達 6 個)加工。③光纖長度最長可達 60m 。④開放式的控制介面。⑤具有遠距離診斷功能。

4 束流的複合
最主要的是激光-電弧複合。深熔焊接時,熔池上方產生等離子體,複合加工時,激光產生的等離子體有利於電弧的穩定;複合加工可提高加工效率;可提高焊接性差的材料諸如鋁合金、雙相鋼等的焊接性;可增加焊接的穩定性和可靠性;通常,激光加絲焊是很敏感的,通過與電弧的複合,則變的容易而可靠。
激光-電弧複合主要是激光與 TIG 、 Plasma 以及 GMA 。通過激光與電弧的相互影響,可克服每一種方法自身的不足,進而產生良好的複合效應。
GMA 成本低,使用填絲,適用性強,缺點是熔深淺、焊速低、工件承受熱載荷大。激光焊可形成深而窄的焊縫,焊速高、熱輸入低,但投資高,對工件製備精度要求高,對鋁等材料的適應性差。 Laser-GMA 的複合效應表現在:電弧增加了對間隙的橋接性,其原因有二:一是填充焊絲,二是電弧加熱範圍較寬;電弧功率決定焊縫頂部寬度;激光產生的等離子體減小了電弧引燃和維持的阻力,使電弧更穩定;激光功率決定了焊縫的深度;
從能量觀點看,激光電弧複合對焊接效率的提高十分顯著。這主要基於兩種效應,一是較高的能量密度導致了較高的焊接速度;二是兩熱源相互作用的疊加效應。
GMA 、激光加絲和激光電弧複合三種方法焊接時線能量、焊縫斷面以及能量利用率的比較。

Laser-TIG Hybrid 可顯著增加焊速,約為 TIG 焊接時的 2 倍;鎢極燒損也大大減小,壽命增加;坡口夾角亦減小焊縫面積與激光焊時相近。阿亨大學弗朗和費激光技術學院研製了一種激光雙弧複合焊接,與激光單弧複合焊相比,焊接速度可增加約 1/3 ,線能量減小 25% 。
英國 Conventry 大學現代連接中心亦有 Laser-plasma 複合焊接的報導。其優點是:提高焊接速度和熔深;由於電弧加熱,金屬溫度升高,降低了金屬對激光的反射率,增加了對光能的吸收。在小功率 CO2 激光試驗基礎上,還要在 12 000W CO2 激光以及光纖傳輸的 2kW YAG 激光器上進行,並為機器人進行 PALW 打基礎。

5 鋁合金的激光焊接
鋁合金由於比強度高、抗腐蝕性好而得以廣泛應用。 CO2 激光焊接鋁合金的困難主要在於高的反射率以及導熱性好,難以達到蒸發溫度、難於誘導小孔的形成(尤其是對 Mg 含量比較小時)以及容易產生氣孔。提高吸收率的措施除了表面化學改性(如陽極氧化)、表面鍍層、表面塗層等外,也有用激光- TIG 、激光- MIG 的報道,其中 MIG - DC electrode position 方法由於表面的清理作用強和加絲的合金化作用效果為好。
最近,比利時的 L Cretteur 和法國的 S Marya 對 6061 鋁合金進行了混合氣和焊劑的 CO2 激光焊。在給定的試驗條件下表明: 70%He+30%Ar 、氣流方向與焊接方向相反時效果為好;針對穿透焊接時焊縫背面容易產生下垂缺陷,採用 75% LiF+25%LiCl 的焊劑,起到了祛除氧化、改善熔化金屬與背面母材的接合,使背面焊縫具有 " 上翹 " 效應,在較寬的參數區間內形成了規整的焊道。對 6061 鋁合金的焊接表明,焊縫強度可達到母材的 90% 。

6 激光熔覆
激光熔覆與其它表面改性方法相比,加熱速度快、熱輸入少,變形極小;結合強度高;稀釋率低;改性層厚度可精確控制,定域性好、可達性好、生產效率高。
激光熔覆除用於民品外,英、美等國也已用於航空機發動機 Ni 基渦輪葉片的耐熱、耐磨層的熔覆及修復。
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