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薄、中厚板中,高功率光纤激光的焊接应用需区别对待

来源:www.rofin.com

  发布:星之球科技

关键词:激光焊接 激光技术 光纤激光器

2017-12-13

在工业焊接领域,激光焊接由于其独特的优势日益引起各国的重视。随着激光器的快速发展,光纤激光器不仅在焊接质量和经济性上超越了其他的传统焊接加工方式,且在经济性上也能得到很大的提升,焊接金属和合金能够获得更多的新功能和更高的灵活性,应用越来越广泛。高功率光纤激光器稳定性好,光束质量高,而且使用方法简便,可实现免维护,在汽车、船舶和航空等制造行业已经得到成功应用,有迅速替代传统的YAG和CO2 激光器的趋势。
 
目前,高功率光纤激光器已成功应用于低碳钢、低合金高强钢、不锈钢、铝合金、镁合金、钛合金、镍基合金等黑色和有色金属材料的焊接, 取得了丰富的研究成果。光纤激光器作为一种新型激光焊接设备,具有更高光束质量和输出功率,其焊接行为和焊接特征与气体激光器差别较大,还有待进一步深入研究。本文重点介绍高功率光纤激光焊接特点、国内外研究现状、存在问题及发展趋势。
 
高功率光纤激光焊的特征及优势
 
光纤激光以光纤作为工作介质,其激光波长为1.07 μm,目前,掺镱光纤激光器最高输出功率可达100 kW。由于光纤激光波长为CO2 激光的1/10,焦点光斑直径也较小,因此,光纤激光与CO2激光的焊接特性呈现多方面差异, 有资料表明这种差异与不同波长激光和材料间的耦合特性相关,具体表现在等离子体和匙孔行为及其耦合作用、材料对激光能量的吸收、焊缝成形及焊接缺陷等。
 
一方面,由于材料对激光的吸收与材料种类和激光的波长有关,辐射激光波长越短、材料导电性越差,金属对入射激光的吸收率越高。特别是铝合金激光焊接深熔阈值与激光器波长及光束质量密切相关,光束质量越好,激光波长越短,则激光深熔阈值越小,因而针对同种合金,相比于CO2 激光,采用光纤激光更易获得大的熔深。
 
徐国建等对比研究了光纤激光器和CO2激光器的焊接特性,发现当焊接速度和输出功率相同时,光纤激光比CO2激光焊接可获得更大的熔深及更窄的熔宽;在负离焦条件下,CO2 激光焊接的熔深减小比率大于光纤激光焊接。另外,有研究学者也发现两种激光器焊接的熔化效率均随焊接速度先增加后减小,分析表明两种激光焊接熔化效率的差异与激光能量耦合的固有规律不同有关。因此,从焊接效率上考虑,光纤激光器更适合于高速焊接,而 CO2激光器更适合于低速焊接。
 
Gresev和 Kawahito 等分别对CO2 激光和光纤激光焊接过程孔外金属蒸汽 / 等离子体形貌进行了观察,结果如图 1 所示。光纤激光焊接过程孔外金属蒸汽 / 等离子体温度场、形态、面积等特征参数与CO2 激光不同,导致光纤激光焊接过程匙孔和等离子体的动态行为及物理特性必与气体激光区别较大。
 
图1 不同激光焊接金属蒸汽/等离子体形貌
 
高功率光纤激光相对于其他类型的激光器具有在极高功率下保证良好的光束质量的特点, 能够实现更大熔深的焊接,且利用光纤传输能够实现远程柔性加工,在焊接工程领域应用越来越广泛,日益引起各国的重视。然而,光纤激光焊接特性与其他激光不同,目前对光纤激光焊接过程相关机理的研究和认识还不够深入,仍需相关研究人员围绕光纤激光焊接特性进行相关的研究工作。
 
薄板的高功率光纤激光焊接
 
光纤激光焊接具有高的光束质量和焊接效率,较易实现钢和铝合金等薄板的焊接,焊接过程稳定,且焊接质量较好,已在汽车等行业获得广泛应用。由于薄钢板激光焊接工艺较为成熟,焊接难度不大,目前,对薄板光纤激光焊接的研究主要集中在对激光反射较大的铝合金和钛合金等有色金属材料上。
 
CuiLi等采用光纤激光-MIG 复合焊接技术焊接了1.5 mm厚工业纯钛,发现电流、焊接速度、丝光距、离焦量等工艺参数对焊缝表面形貌、熔宽和接头伸长率有重要影响,而对其抗拉强度影响不大。另有研究发现,光纤激光焊TC4 钛合金薄板的焊缝背宽比常常大于 YAG激光焊缝,焊接接头的强度和塑性均高于YAG激光焊接接头。
 
VSchultz等利用 IPGYLR-1000SM激光器采用填丝焊的方法焊接了1 mm厚铝合金,发现对接间隙小于板厚时,工艺选择范围较宽,且能获得高质量焊缝;通过调整工艺,间隙为板厚度的315%时,能够实现搭接,对接板搭桥能力受所焊材料和焊丝成分的影响较大。
 
GCasalino等采用光纤激光 -MIG 复合焊接进行3 mm厚AA5754 铝合金焊接,发现高的激光功率有利于焊接过程的稳定性并能够获得良好焊缝的结构和几何性能,而低的电流和电压在热影响区能获得更低的残余应力。
 
与其他类型的激光器相比,光纤激光焊接具有能量更为集中、焊接变形更小和柔性更高等优点,与其他热源进行复合或填丝能大大降低对接焊时的间隙裕度,减少焊接缺陷,提高接头性能等,能较好地保证薄板的焊接质量。对轻量化要求较高的航空航天领域利用激光焊接轻质材料薄板具有更大的优势,其中,铝合金等薄板材料的光纤激光焊接已成为各国航空界研究的焦点。因此,随着薄板材料光纤激光焊接技术的成熟,光纤激光在薄板焊接中的应用将会获得更大的发展空间。
 
中厚板的高功率光纤激光焊接
 
多年来,焊接研究者一直在探索利用激光焊接厚板,但是严格的装配要求、焊缝力学性能以及大功率激光器的高成本限制了厚板激光焊的应用。与传统CO2 激光焊接工艺相比,光纤激光厚板焊接工艺具有明显的优势,这主要得益于金属材料对波长为1070 nm光纤激光的反射系数更低,特别在焊接铝、铜等高反射系数金属材料时的优势尤其明显。光纤激光的高亮度特性可以显著降低焊接过程对焦点位置的敏感性,从而降低了实现高质量焊接的难度。另外,光纤激光与电弧复合焊接厚板能够显著降低工件热变形现象,改善焊缝外观并增加熔深。
 
光纤激光深熔焊接中厚板材料时,极高的激光功率和极快的焊接速度,使得材料在极短的时间内被加热、升温、熔化并发生剧烈的气化,焊接区域温度梯度的变化、加热和冷却速率极快,即焊接热循环特性与其他焊接方法和低功率激光焊接不尽相同,使得焊接接头组织特征和性能都将发生变化,必将影响焊接结构件的力学性能及失效行为。中厚板的光纤激光焊接国内外已取得了一定的研究成果,但还处在应用初期,焊接过程仍存在较多的问题没有解决,如焊接过程稳定性和缺陷抑制等,仍需开展系统深入的研究。
 
Mikhail Sokolov 等利用 IPGYLR 15000激光器对接焊20 mm厚低合金高强钢,发现焊缝熔深和接头侧面粗糙度紧密相关,当表面粗糙度 Ra=6.3 μm时,能够获得最大熔深。
 
MGrupp等利用 IPT YLR-30000 激光器实现了大于30 mm熔深的304不锈钢焊接,焊缝形貌和电子束焊接相差不大,但激光焊接不需要真空环境,没有焊缝尺寸的限制。并预测激光输出功率达到50 kW,就能获得超过60 mm熔深。
 
SeijiKatayama等利用 IPTYLR-30000 激光器进行304不锈钢和5052铝合金焊接,发现在高速下激光功率密度对熔深的影响较大,而在低速下只有更高的激光功率才能获得更大的熔深。焊接过程等离子体的动态行为与焊缝熔深的变化及飞溅、未熔合、气孔和驼峰等缺陷的产生密切相关。
 
ZhangMingjun 等采用IPGYLS-10000 光纤激光器进行12 mm厚304不锈钢板焊接,发现离焦量是万瓦级光纤激光深熔焊接厚板过程中一个关键工艺参数。
 
飞溅产生的主要驱动力是小孔内蒸发蒸汽反冲压力和高速喷射的金属蒸汽 / 等离子体对小孔壁的摩擦力。图2为12 mm厚不锈钢光纤激光熔透焊焊缝形貌(焊缝背面驼峰缺陷),只有采用辅助手段渊强制背面快速冷却冤才能避免此类缺陷,如背面保护措施。
 
Cao等利用光纤激光 -MAG 焊接方法进行了低合金高强钢厚板焊接,能够获得窄的焊缝和热影响区,且焊接残余应力和变形较小,复合焊接的热输入大于激光焊而小于 MAG焊接,MAG电弧的加入有利于增加焊缝熔深和提高焊接速度的。这种复合焊接方法已被成功用于焊接9.3 mm厚低合金高强钢板。
 
Zhang 等研究了10 kW光纤激光焊接厚板过程焊接参数对焊缝成形的影响。试验发现,采用特殊的侧吹保护,在激光功率和焊接速度分别为10 kW和0.3m/min时,可以使得焊缝熔深从18.2 mm 增大到24.5 mm。 随后开设双面Y型坡口,先后采用激光自熔焊对接打底,然后多道激光填丝焊接工艺,实现50 mm不锈钢板的良好连接。
 
高功率光纤激光焊接的问题及发展趋势
 
光纤激光器是焊接领域实现高速、大熔深焊接最合适的热源之一。然而,大型工程项目焊接对于激光焊接质量的可靠性和稳定性要求越来越高。为了从根本上保证焊接接头质量,必须对光纤激光焊接机理进行完整、透彻的理解及相关焊接辅助设备的开发。目前,高功率光纤激光焊接的研究主要存在以下几方面的问题:
 
●中厚板光纤激光焊接过程易出现飞溅、表面塌陷与底部驼峰和钉子头焊缝、焊缝表面成形一致性差等缺陷,焊接稳定工艺窗口较窄,焊接质量的稳定性和焊缝成形的可靠性仍有待提高, 相关机理及解决措施仍需完善。
 
●不同专业需求领域的专用配套大型精密控制光纤激光焊接设备缺失,配套技术缺乏,特别是激光加工外围装置,如导光系统,过程实时监测和控制、喷嘴、浮动装置。
 
●光纤激光焊接相关的工艺研究及焊接过程参数监测及材料和控制技术研究仍不足,多数都停留在试验室阶段,离工业化应用较远。
 
●光纤激光-电弧复合焊在提高焊接灵活程度的同时也增加了工艺的复杂程度,控制和调节影响焊接接头质量的参数就非常关键,这需要大量系统的工艺试验建立数据库和专家系统。
 
虽然高功率激光焊接技术存在上述问题,但其优势明显,体积小、质量轻,可直接搭载机器人进行焊接,也可用光纤传送焊接,具有更高的加工精度和加工速度,同时能够焊接的材料种类将逐步增多,焊接厚度将进一步增加。另外,其输出功率控制特性好,结构极为紧凑,维护简单,这些特点使光纤激光器在自动化的激光焊接系统中显示出巨大的生命力,必将成为激光焊接的重要发展方向。
 
结语  
大功率光纤激光焊接技术能够满足高适应性、高效率和低成本的现代激光焊接发展要求,已成为国内外研究、应用的热点。光纤激光焊接技术已经在汽车、船舶、航空航天等领域应用,并随着研究的深入,高效、优质、高适应性的光纤激光焊接技术将会在工业焊接领域扮演越来越重要的角色。
 
参考文献:凌纯,孟威.高功率光纤激光焊接研究现状及展望[J].热加工工艺,2017,46:15-18
封面图片来源:www.rofin.com