激光復合焊在船廠的應用
- 2016-07-12 17:12:00
- sawchina 原創
- 8232
毋庸質疑激光焊和熔化極氣體保護焊工藝的開發應用已經有著很長的時間了并且它們在材料連接技術里有著廣泛的應用領域。激光復合焊就是將這兩種焊接技術（激光焊接和電弧焊接）有機的結合起來，從而獲得了優良的綜合性能，在提高焊接質量和生產工藝性的同時，改善了成本效益比。目前，激光復合焊已在船舶工業上取得了令人矚目的成績，并且這種技術的經濟性也是非常誘人的。尤其重要的是，激光復合焊的焊接精度高，可以獲得非常好的機械/工藝性能。復合焊的激光電源可以選配不同的激光源，目前主要研究的是將：CO2激光，YAG激光，光纖激光與GMAW工藝的復合。怎樣使用焊縫跟蹤系統的激光復合焊小車，進行長焊縫的焊接，被提到研究日程。
1. 簡介
優質高效，低變形和易實現自動化裝配，激光焊在鋼結構件的焊接上具有廣闊的前景。激光電弧復合焊接技術可提高焊縫搭橋能力，則對間隙較大時的焊接有著重大的意義。激光焊和熔化極氣體保護焊工藝的開發應用已經有著很長的時間了，在工業領域和材料連接技術領域已被廣泛的應用，兩種焊接方法因能量傳輸到工件的過程和能流的形成都有有所不同，使其形成了各自特定的應用領域。
激光束焊通過光纖將能量從激光發射器傳輸到工件上。而電弧焊則利用大電流，通過電弧弧柱傳輸能量。激光焊的焊接熱影響區非常窄，焊縫的縱橫比很高。由于它的聚焦直徑很小，激光束焊的焊縫搭橋能力很差。但另一方面，激光束焊的焊接速度非常高。
電弧焊的能量密度比較低，因而在工件表面的聚焦的直徑比較大，而且焊接速度相對較低。激光復合焊就是將這兩種焊接技術有機的結合起來，從而獲得了優良的綜合性能，在提高焊接質量和生產工藝性的同時，改善了成本效率比。目前，激光-復合焊已在汽車工業的應用上成績斐然，同時在造船工業上這種技術的經濟性也是非常誘人的：更高的連接速度，并且可以獲得非常好的機械/工藝性能。
早在20 世紀70年代，人們就已經知道如何把激光和電弧有機的結合在一種工藝里使用。但從那以后，在相當長的一段時間內，沒有再進行深入的研究。近來，人們再次將注意力轉向這一課題，嘗試開發了激光復合焊技術。當然，這其中的一個原因是：在早期，激光器尚未在工業上得到普遍應用，而現在激光器已成為許多工廠的標準設備。
激光焊與另一種焊接方法相結合的焊接技術稱為激光復合焊，激光束和電弧同時作用于焊接區，互相影響和支持?，F在的研究方向是探求這種工藝特性更廣，更深的焊接應用領域。一個典型的例子就是將CO2激光GMA復合焊工藝應用在造船工業上。在此我們將示證和討論應用于這種應用領域的可能性。
2. 激光焊接工藝
激光焊不僅需要很好的激光源，而且需要高質量的激光束，以確保能夠獲得期望的“深熔深焊接”。高質量的激光束可以實現更小的聚焦直徑或更大的焦距。線能量極低，變形量顯著減小。與先進的自動化弧焊一樣，對于大型工件的激光焊接來說離線編程，焊縫跟蹤及其它必要的焊接控制系統也是必需的。
如果單純的用激光焊接，其焊縫接頭的間隙最大為0.1至0.2mm,然而更寬的間隙需要我們加入填充金屬，通常填充金屬的加入可使焊縫搭橋能力達到0.4mm。在工業領域中已有使用12 kW的CO2激光源。此時激光的傳導通過鏡面進行。激光束以300mm聚焦距離通過聚焦裝置作用在工件上。4 kW的燈浦YAG激光和7KW的光纖激光也出現在這項研究中。
3. 激光-MIG（LaserHybrid）復合焊
激光焊接金屬時的激光束聚集強度可達106W/cm2以上。當激光束點擊在材料表面時，該點的溫度迅速升高到揮發溫度，并由于金屬蒸汽的揮發形成揮發孔。焊縫最顯著的特征是具有很高的深寬比。MIG電弧焊接自由燃燒的電弧能量密度稍高于104W/cm2。
圖1描繪了激光復合焊的基本原理，尤其是其中的金屬過渡。從圖我們可以看到，激光束在焊縫頂部向其輸入熱量，同時電弧也向焊縫輸入熱量。激光-MIG復合焊不是兩種焊接方法依次作用于焊接區域，而是同時作用于焊接區域。激光和電弧同時影響焊接的性能。不同的電弧或激光工藝的使用及采用何種工藝參數都會對焊接工藝帶來不同的影響效果。
激光復合焊提高了熔深和焊接速度，焊接過程中金屬蒸汽會揮發，并且反作用于等離子區，等離子區對激光有輕微吸收，但可以忽略不計。整個焊接過程的特性取決于選擇的激光和電弧輸入能量的比例。
工件表面的溫度極大的影響了激光射線能量的吸收，當工件表面達到揮發溫度時，就形成了揮發孔，這樣幾乎所有的能量就可以傳到工件上。焊接所需要的能量由隨溫度變化的表面吸收率和由工件傳導損失的能量來決定。在激光-MIG焊時，揮發不僅發生在工件的表面，同時也發生在填充焊絲的表面上，這意味著更多的金屬揮發量，從而使激光的能量傳輸更加容易。同時也保證了焊接過程的完整性。從而使激光的能量傳輸的更加容易。同時也保證了焊接過程的完整性。
而且在船舶制造中首先必須做到的是焊件間隙較大時有足夠的搭橋連接能力，這是研究的主要目標。因為在焊接過程中，難免會出現間隙公差大小不一，于是在焊接時調節的參數就比較多，如：激光功率，焊接速度，送絲速度及角度的調整。
圖2 激光-MIG焊接協同過程
4.Laserhybrid ：激光——MIG焊接和其它焊接方法的試驗比較
CO2激光焊的研究
因為CO2激光具有很高的效率，效率因素達到20%，技術上的實現相對簡單和可測量性使得CO2激光成為工業金屬加工領域中最重要的激光源。CO2激光具有很高的輸出功率，其容量范圍達到50kW。
FRONIUS公司已經用全數字化電源TPS5000和12KW的CO2激光源有機的結合在一起。下表就是來自Meyer Werft的實驗數據，這是在4.5m×13m的實驗室里完成的，工裝夾具適用于2000mm×300mm的試件，使用的材料是船舶制造中的普通A級鋼材，焊接方式是對接和角接，焊接位置是平焊和橫焊，并且不用背面襯墊。實驗對比工藝為：埋弧焊、LaserHybrid：激光-MIG焊和激光填絲焊。埋弧焊的焊縫搭橋能力為2mm至5mm，板厚至12mm。而激光-MIG焊時，焊接的板厚達到15mm，焊縫搭橋能力的間隙可達1mm，，但焊接速度是埋弧焊接的3倍，是激光填絲焊的2倍。還有一種激光脈沖填絲的焊接方法，間隙的可達0.4mm,板材厚度可達15mm.通過四種分別是5mm,8mm,12mm,15mm的不同厚度材料的實驗來評估在最大容忍間隙下的焊接速度。氦氣和氬保護氣對激光-電弧焊工藝的影響由基礎研究來討論。保護氣中加少量的氦氣在用大功率CO2激光器的焊接中十分必要。
表 激光復合焊與其他競爭工藝的比較
焊接工藝埋弧焊激光復合焊激光填絲焊
相對速度100%300%150%
焊件厚度< 12 m< 15 m< 15 m
接頭間隙2-5mm0-1mm0-4mm
焊接變形量< 1,5 mm< 0,2 mm< 0,1 mm
焊接冶金特性好好臨界狀態
焊接疲勞強度試驗好極好 臨界狀態
在造船工業，激光-GMAW-復合焊已被應用德國Papenburg的Meyer船廠。這里甲板預制的全自動化生產就是以該種工藝開發的。因為這種工藝方法可高質量的完成20倍于20米長區段的焊接生產，而不需要將板翻面。在甲板預制區內，有兩個對接焊工作站。厚度在15mm以內的板能達到3.0米/分鐘的焊接速度。另外，還有兩個角接焊接工作站，用于焊接直線尺寸長度在20米以內，厚度在12毫米的甲板或墻板。焊接前，焊接接頭用角磨機械加工保證良好的部件精度。
光纖激光的研究
IPG光子公司在金屬加工領域出售的絕大部分的大功率光纖激光器的功率在10千瓦以內，其工廠和總部設在牛津，另外在歐洲還有另外兩個制造工廠。其核心技術：獨有的活性光纖和獲得專利的泵浦技術使多組態半導體激光器比線性陣列半導體激光器有著更廣闊的應用領域。因為其使得半導體激光器達到很長的工作壽命。其設備可能由摻鐿多包層光纖繞圈構成，其工作波長為1.07至1.08微米。還可能是摻銩，波長為1.8至2.0微米或摻鉺，波長為1.54至1.56微米。半導體激光器泵浦能量通過被疊成多包層線卷的多組態光纖傳導到活性介質中。在活性光纖里直接生成了激光諧振腔。激光通過被動單模光纖特有的直徑為6微米的纖芯進行傳導。最終激光束的衍射基本上被限制住，并且當配備有內置校準器時，產生的光束極其平行。例如，100瓦的單模光纖激光當聚焦直徑為5毫米時在半角具有的全角發散角為0.13毫弧度。
工業用單模IPG光纖激光器的最大功率通常為200瓦。更高功率的激光器的生產需用光纖激光組束技術。將各個光纖激光的輸出通過組合器組合為一束，成為單一的高質量的激光束。例如，一個1000瓦的激光器會由10個單獨光纖激光組合而成。盡管此時的激光束已不再是單模的，但其光模質量因子M2為7~10，比大功率的固態激光器要好。300微米光纖可傳輸7千瓦的光纖激光。多種不同形狀包括產生近似矩形截面光束的光纖都能被生產出來。
摻鐿光纖激光器的效率是16~20%。摻鉺和摻銩光纖激光器的效率稍低，但仍比典型的YAG激光器高得多。獲得最好的波長選擇是其必然的應用。由于工業生產的需要，具有Nd:YAG激光器的性能并且對眼的安全比CO2好的激光器將被生產出來。公司的單模CW系統能在脈沖周期短至10毫秒時，被調制到5000Hz。脈沖周期短至1納秒或在100納秒脈沖內脈沖能量不超過1毫焦耳的三種疊加脈沖激光器和功率從300瓦到10千瓦的多模CW激光器已面市。
光纖激光技術為工業用戶提供了諸多益處。不需冷卻器的光模質量因子為0.5M2的4千瓦光纖激光器比之傳統的11M2的氣體放電燈泵浦的Nd:YAG固體激光器自有著天淵之別。因為不需更換閃燈或半導體，它們在整個使用壽命里不需維護及維修。極高的用電效率大大的減少了使用成本。更好的激光束質量讓用戶可以享用比傳統激光器的大影響區和/或長的工作距離優越很多的直徑極小的光斑（1千瓦激光能被4英寸透鏡聚焦成50微米）。
光纖激光技術的成本呢？低于1000瓦輸出功率的光纖激光器比燈泵浦的YAG激光器低或與之差不多。但這時大于
1000瓦的光纖激光器的購入成本較高。然而，當將所有的因素考慮進去—-占地面積，冷卻器，維護費用等等，光纖激光器比等功率的棒式Nd:YAG激光器要廉價得多。在最近半年內，多臺幾千瓦級的光纖激光器正處于在歐洲工廠的第二測試版本的運行環境中。這些激光器在多班倒的工作強度下至今沒出任何問題，就其可靠性，達到相同的效果以往只能是用功率大得多的激光器。2千瓦的Beta測試版光纖激光器已經在實驗室里焊接1.2mm的汽車鍍鋅板達到5m/min的焊接速度。而其質量和性能堪比使用4千瓦的燈泵浦Nd:YAG激光器。末端光纖直徑為300微米的2千瓦光纖激光器能以10m/min的速度切割4mm厚的帶鍍層板，且無毛刺。最大的切割速度可達16m/min。
再來看看7000瓦的光纖激光器與弧焊工藝相結合的情況，在Fronius（福尼斯）-Wels總部研發部的LaserHybrid激光復合焊實驗室里已能焊接8mm厚的低合金和高合金鋼板。圖3為實驗室里LaserHybrid與IPG的光纖激光器相組合焊接的配置情況。
圖3：LaserHybrid 與光纖激光器（PI：6.5kW，板厚：8mm，母材：S235JR，焊絲：G3Si1）
4000瓦燈泵浦固體激光器的工件焊接研究：
由于目前Nd:YAG激光器的輸出功率已超過4000瓦，再加上其操作簡單，如何將其技術工藝簡單的應用到生產實際中被提上研究課題。我們先來看看所有目前已被使用的CO2 和/或Nd:YAG激光器的應用和研究。不利的是需對等離子體進行保護,這是由于僅為10.6μm的波長而且精細的激光束需通過結構無彈性的光學鏡系統進行傳導，這些都使得CO2激光器在生產實際中不能涉足移動應用領域。但這種機器人或移動應用概念的實現對于Nd:YAG激光器來說顯得輕而易舉。在過去的十年中這種類型的固態激光器在工業的重要領域上獲利頗豐。由于它的波長只有1.06μm，激光束能被柔性的光纖所傳導，即便是長達70米傳導距離，這些都使得應用機器人在三維空間里的自由的焊接工作成為可能。沒有了需對等離子體保護的影響，于是在氣體保護焊工藝中就能使用最恰當的保護氣優化電弧穩定性，熔滴過渡，無飛濺金屬熔接以及對熱影響區的保護。多工位激光系統只需用一個激光源供給能量。這樣優化了激光源由于啟動運行本身所需的成本。大功率的Nd:YAG激光器的激光源在市場推出的時間較短，所以其價格(€/kW)相應比CO2激光源要高。但是其輸出功率較高，能高達6000瓦。在日本已完成了對10 000瓦級的激光器的嘗試。不要忽視激光發射光的危害，即使是相隔數米的距離也會對未加保護的眼睛造成傷害。
歐盟的DockLaser計劃是通過研發用于船舶建造和維修的裝配作業區域的激光工藝技術和設備，達到提高生產力和生產質量，改善作業的靈活性和生產工作條件的目的。這些區域的共有特征是焊接工藝的效率低、熱輸入量大，從而導致焊接變形和對工件油漆表面及舾裝部件的損壞。該計劃詳細說明了船塢作業區的激光工藝的應用實例，需求和目標，來開發焊接/切割工藝和設備。操作安全和規范是整套設備工藝的著重點。接近于最終用戶那兒的檢測實際要求和生產原型，將幫助實際生產條件下的效益評估和適用性的實現。
3 個主要的應用領域為：
·利用行走機構來焊接長直角焊縫
·完成自動化焊接大型工件的定位焊
·在船舶舾裝作業中應用手持操縱激光焊接和切割
DockLaser計劃從準確鎖定需求階段開始，包括詳細的調查造船廠需求以及現有被正式承認且操作安全的技術。在接下來的研發階段將創立3種應用領域（長直角焊縫，定位焊和舾裝作業）的解決方案。任務點2將針對實驗室開發工藝，任務點3將開發出之前設想設備所需零部件，任務點4將在實驗室集成和測試設備，任務點5將重點放在認證和使用安全上。最終評估階段將把整套系統投入最終用戶，在生產實踐中進行檢驗和評估。起先每一個最終用戶承擔一個應用領域。任務7是與工業聯合會一道將其作為主要生產手段進行推廣。任務8是對此項充滿挑戰性的工程進行技術方面和行政管理的完善。
圖4 小車長直焊縫對接焊示意圖
圖5 雙面角接焊，板厚：8厘米 Nd-YAG-激光器，功率4.2 kW 焊接速度2m/min
來自5個歐盟國家，一個合眾國的12 個力量雄厚的盟友共同承擔這個計劃的實施，這個聯盟包括5個制造工程師協會另外加上3個最終用戶，4個焊接學會，1個專業級協會和4個設備制造商。他們有著極其豐富的激光工藝技術的經驗。對實踐應用的反饋和傳達的協調任務由工業聯合會負責。龍門架系統最大的缺點就是沉重和方向依賴性強。給定系統的工作方向必需大致沿焊縫方向。6軸機器人焊接系統的局限性是最長的焊接長度只到2米。
最終，開發的裝有LaserHybrid 焊頭的移動牽引車是所有這些問題的解決方案，手工操作便能實現方位轉換。操作所需范圍比龍門架系統要小得多得多。減少光學元件移動的結果是保護激光光纖不受機械應力的損壞。工藝參數的調節最好需在焊接電源上調節，因為氣體保護電弧焊的特性并不十分適合復合焊工藝。它能對激光束和焊頭焊縫跟蹤系統進行非常精確的調節。如果使用特殊的激光光學元件，還可用改裝的移動牽引車焊接角焊縫。為了保護光纖抵御來自焊接作業區的反射，激光束的軸線需向焊接方向傾斜一個角度。而焊接效果不會因此受到影響。
結論
Laser-GMAW復合焊是一種全新的工藝，它在造船工業有著廣泛的用途，尤其是一些激光焊不可能達到或從經濟成本上來考慮不能滿足其所需的裝配公差的場合。如此廣泛的應用范圍和高性能的復合焊工藝使得在當前利潤日漸萎縮的形勢下競爭力極大的提高，制造時間減少，生產成本降低且生產力提高。激光復合焊最大的優點就是焊接變形小并且減小了焊后處理的工作量。
當前的研究表明大功率CO2-、YAG-、或光纖激光器與GMA 相結合的LaserHybrid激光復合焊工藝可應用于各種板厚的焊接。復合焊工藝的優勢在于其優良的焊縫搭橋能力和非常低的線能量。與激光填絲焊相比，激光復合焊工藝（LaserHybrid）可將焊接速度提高兩倍。在板厚不超過15mm時，其最大焊縫搭橋能力為1mm的間隙。
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