激光-電弧復(fù)合焊接及應(yīng)用于車身制造的進(jìn)展

摘要：激光-電弧復(fù)合焊接技術(shù)充分集成了激光焊接和電弧焊接兩種工藝的優(yōu)點(diǎn)，是一種新型優(yōu)質(zhì)的焊接技術(shù)，具有良好的工業(yè)應(yīng)用前景。介紹了激光-電弧復(fù)合焊接的特點(diǎn)和激光與電弧的相互作用機(jī)制；總結(jié)了常見激光-電弧復(fù)合焊接技術(shù)的研究進(jìn)展; 最后對激光-電弧復(fù)合焊接技術(shù)在汽車車身制造中的應(yīng)用情況進(jìn)行了概述。

引 言

激光焊接設(shè)備一次性投入較大、接頭裝夾精度要求極高等問題，這也使得激光焊接技術(shù)在推廣應(yīng)用上受到一定限制。20 世紀(jì) 70 年代末，STEEN 和 EBOO 首先提出了激光與電弧復(fù)合焊接技術(shù)的概念，將CO 2 激光和鎢極氬弧焊( tungsten inert gas，TIG) 兩種熱源復(fù)合實(shí)現(xiàn)了激光-TIG 電弧復(fù)合焊接［1-2］ 。

激光-電弧復(fù)合焊接技術(shù)充分集成了激光焊接和電弧焊接的優(yōu)點(diǎn)，具有工藝穩(wěn)定性高、橋接間隙大、材料適應(yīng)性廣等優(yōu)勢，是一種新型優(yōu)質(zhì)的焊接技術(shù)。激光-電弧復(fù)合焊接技術(shù)也成為國內(nèi)外學(xué)者的研究熱點(diǎn)之一［3-8］ 。至今已發(fā)展為多種復(fù)合焊接方法，包括激光-TIG、激光-熔化極氣體保護(hù)電弧焊( metal inert gas/metal active gas，MIG/MAG) 、激光-等離子弧焊( plasma arc welding，PAW) 和激光-埋弧焊( submerged arc welding，SAW) 以及激光-雙電弧等，廣泛應(yīng)用于汽車、船舶、航空、重型機(jī)械、石油管
道、鋼鐵等國民經(jīng)濟(jì)支柱產(chǎn)業(yè) ［9-11］ 。

本文中結(jié)合國內(nèi)外激光-電弧復(fù)合焊接的最新研究現(xiàn)狀，首先，對激光-電弧復(fù)合焊接的特點(diǎn)和激光與電弧的相互作用進(jìn)行介紹，其次，對激光-電弧復(fù)合焊接技術(shù)及其在汽車車身制造中應(yīng)用的最新研究進(jìn)展進(jìn)行概述。

1 激光-電弧復(fù)合焊接技術(shù)的特點(diǎn)

激光-電弧復(fù)合焊接過程示意圖如圖 1 所示，焊接時(shí)激光熱源和電弧熱源共同作用于同一位置，其中常用的激光束熱源包括 CO 2 、YAG、光纖、碟片和半導(dǎo)體激光等，電弧熱源包括 TIG，MIG/MAG，PAW
和 SAW 等。相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)［4-5，12］ ，復(fù)合焊接不是激光束與電弧兩種熱源簡單的疊加，而是通過兩種熱源之間的相互作用和形成了一種新的復(fù)合熱源。

  與激光或電弧單一熱源焊接相比，激光束與電弧之間的相互作用使得復(fù)合熱源的焊接特性較產(chǎn)生了顯著變化，如光致等離子體特征、小孔穩(wěn)定性、電弧穩(wěn)定性、弧柱面積等，最終表現(xiàn)在復(fù)合焊接接頭的焊縫成形、微觀組織和力學(xué)性能等特性不同于單一熱源焊接接頭。圖 2 為同等條件下電弧焊接、激光焊接和復(fù)合焊接焊縫截面圖。激光-電弧復(fù)合焊接比激光自熔焊接或電弧焊接具有更強(qiáng)的適應(yīng)性，焊縫成型性更好［9］ 。表 1 中列出了電弧焊接、激光焊接和激光-電弧復(fù)合焊接工藝技術(shù)的主要特點(diǎn)差異。由表1 可知，激光-電弧復(fù)合焊接充分利用了激光和電弧兩種熱源的優(yōu)勢，同時(shí)又彌補(bǔ)了兩種熱源的不足，產(chǎn)生了“1 +1 ＞2”的協(xié)同效益。

2 激光與電弧的相互作用

激光與電弧的相互作用是一個(gè)極其復(fù)雜的物理過程。高能量密度激光燒蝕材料形成的金屬蒸汽羽對電弧等離子體的導(dǎo)電率和導(dǎo)熱率以及弧柱行為影響很大。兩種熱源的相互作用對焊接接頭的性能具有重要影響［6，13］ 。

通常地，激光-電弧復(fù)合焊接過程中高功率激光直接輻照材料表面，形成深熔小孔，激光能量通過激光束在小孔內(nèi)部的多重反射進(jìn)行吸收 ［14］ 。從而光致等離子體在高能量密度激光與金屬蒸汽和保護(hù)氣體相互作用下而形成。光致等離子體吸收部分激光能量［15］ 。同時(shí)，電弧與周圍空氣之間的相互作用會
產(chǎn)生電弧等離子體。激光束穿過電弧等離子體會發(fā)生能量衰減［5-6］ 。

激光-電弧復(fù)合焊接過程中，電弧發(fā)生收縮，即電弧寬度幾乎與激光束直徑相同［2，6］ 。這是由于光致等離子體的存在導(dǎo)致弧阻和半徑減小。圖 3 所示為激光存在時(shí)低弧阻和電弧穩(wěn)定性的電弧電流和電壓變化曲線［2］ 。圖 3a 所示為以 22． 5mm/s 速率焊接 3mm 厚碳鋼時(shí)弧阻變化曲線，顯然當(dāng)激光存在
時(shí)，弧阻逐漸減小，并穩(wěn)定在一定數(shù)值。圖 3b 所示為 45mm/s 速率焊接 2mm 厚碳鋼時(shí)不穩(wěn)定電弧的穩(wěn)定過程。光致等離子體對電弧電阻率和穩(wěn)定性的影響可從兩方面進(jìn)行說明，一方面，電弧等離子體會

吸收少部分激光能量，使得電弧等離子體進(jìn)一步電離，其電阻減?。?，16］ 。另一方面，激光輻射的局部位置材料劇烈蒸發(fā)產(chǎn)生的金屬蒸汽，傳播到電弧等離子體中。然而，與保護(hù)氣體相比，金屬原子的電離能小很多，從而使得整個(gè)電弧等離子體的有效電離能減小，最后獲得導(dǎo)電性更好更穩(wěn)定的等離子體通道。金屬蒸汽可以增強(qiáng)電流傳導(dǎo)并降低電弧電壓 ［17］ 。由于電弧路徑是沿著最小電阻的，所以電弧會發(fā)生彎曲，在很靠近小孔的位置形成弧根。從圖 3a 可以看出，當(dāng)激光存在時(shí)，電弧電壓減小，這可能是由于激光輻照下產(chǎn)生的金屬蒸汽所致。

關(guān)于激光束與電弧等離子體相互作用: 一方面，電弧等離子體輻射光對母材產(chǎn)生預(yù)熱效果，從而增大材料對激光的吸收效率，對于波長較長的 CO 2 激光預(yù)熱作用更明顯; 另一方面，由于電弧等離子體消弱了光致電離等離子體，使得光致電離等離子體對入射激光的散焦效應(yīng)減弱，從而入射激光可以增強(qiáng)電弧等離子體的穩(wěn)定性 ［2，6］ 。

通常地，焊接電弧中心相對于環(huán)境的溫差越大，電弧收縮越強(qiáng)烈。因此，當(dāng)激光和電弧距離較小時(shí)，
電弧中心溫度大大增大，而環(huán)境溫度不變，從而可以改善弧焊焊接性能。同理，激光與焊接電弧的相互作用也可以改善激光焊接特性。對于高反材料，激光難以直接被吸收。然而，電弧可以對焊接工件表面進(jìn)行加熱，從而使得激光束能量被工件吸收［18］ 。激光-電弧復(fù)合焊接過程中，電弧對激光束的影響與激光波長有關(guān)，波長長，容易產(chǎn)生光致等離子體，反之，材料蒸發(fā)劇烈而產(chǎn)生金屬蒸汽。激光與電弧的相互作用機(jī)理與激光波長相關(guān)，加之兩者相互作用過程的復(fù)雜性，因此，關(guān)于激光與電弧相互作用的機(jī)理研究有待進(jìn)一步研究。

3 激光-電弧復(fù)合焊接技術(shù)的研究進(jìn)展

3． 1 激光-MIG/MAG 電弧復(fù)合焊接技術(shù)

相對于單一的激光焊接，激光-MIG/MAG 電弧復(fù)合焊接通過填充焊絲材料熔池增大，從而允許較大的裝配公差，減少待焊接頭加工和裝夾的精度要求，使得這一技術(shù)在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中獲得良好的應(yīng)用。近年來，由歐洲煤炭和鋼鐵研究基金資助，包括德國、丹麥和英國等國家的科研人員開展了結(jié)構(gòu)鋼經(jīng)(HYBLAS) 經(jīng)濟(jì)和安全激光復(fù)合焊接項(xiàng)目，分別采用 20kW CO 2 激光器和 7． 2kW Nd∶YAG 激光器，運(yùn)用激光-MAG 電弧復(fù)合焊接厚鋼板［19］ 。WEBSTEＲ等人［20］ 采用20kW CO2 激光器實(shí)現(xiàn)了15mm-25mm厚板單道激光-MAG 電弧復(fù)合焊接，如圖 4 所示。同時(shí)研究了激光參量、送絲速率以及不同坡口形式等對焊接質(zhì)量的影響。

德國聯(lián)邦材料試驗(yàn)研究院 WESTIN 等人采用激光-GMAW 電弧復(fù)合焊接實(shí)現(xiàn)了 13． 5mm 厚雙相不
銹鋼單道焊接連接，并對復(fù)合焊接接頭的顯微組織和力學(xué)性能進(jìn)行了分析 ［21］ 。瑞典呂勒奧理工大學(xué)
KAPLAN 教授所在的研究團(tuán)隊(duì)對采用高速攝影技術(shù)對激光-MAG 電弧復(fù)合焊接咬邊缺陷的產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行了研究，并對激光-MAG 電弧復(fù)合焊接 4mm 厚鋼板的穩(wěn)定性和破口組合形狀對熔池流動(dòng)和焊接質(zhì)量的影響進(jìn)行了研究［22-24］ 。美國海軍采用激光-MIG電弧復(fù)合焊接船體結(jié)構(gòu)件 ［25］ ，所需時(shí)間比傳統(tǒng)電弧
焊接節(jié)省 2 ～3 倍，最大橋接間隙為 1． 14mm。2011年，美國 GE 公司開發(fā)了 20kW 光纖激光電弧復(fù)合焊接系統(tǒng)［26］ 。激光電弧復(fù)合焊接可以一次焊接厚度超過 1． 27cm 的鋼板。相比過去傳統(tǒng)的焊接方
法，使用激光電弧復(fù)合焊接技術(shù)焊接 USS Saratoga航母，可節(jié)省約 800t 焊接材料和 80% 焊接工時(shí)。GE公司正在積極探索將這一技術(shù)應(yīng)用于油氣管道、發(fā)電、鐵路等基礎(chǔ)設(shè)施焊接制造［26］。ONO 等人研發(fā)了激光-MAG 電弧焊接系統(tǒng)，用于車用鍍鋅板激光搭接焊接［4］。SUGA 等人［27］采用激光-MAG 電弧復(fù)合焊接技術(shù)實(shí)現(xiàn)了6mm ～12mm 厚 HT780 鋼板的單道焊接連接，對激光與電弧的不同位置布置進(jìn)行了研究。最近，日本 NADEX 激光研發(fā)中心材料加工研究實(shí)驗(yàn)室采購了全球首臺 100kW 光纖激光器應(yīng)用于 300mm 厚板復(fù)合焊接［28］ 。

國內(nèi) LIN 研究團(tuán)隊(duì)［29-31］ 對激光熔化極電弧復(fù)合焊接技術(shù)進(jìn)行了大量研究并在工程應(yīng)用中得到推
廣。ZENG 研究團(tuán)隊(duì)［32-34］ 對激光-MIG 電弧焊接的工藝和機(jī)理開展了大量研究，在兩種熱源相互作用機(jī)理、焊接工藝、接頭性能以及焊接質(zhì)量控制等方面開展了研究，并提出了激光-電弧復(fù)合焊接熱源相互
作用定量分析方法。WANG ［35］ 通過高速攝像和光譜分析手段，對光纖激光-MIG 復(fù)合焊接鋁合金時(shí)等離子體行為進(jìn)行了研究，提出了一種復(fù)合等離子體模型，研究了光致等離子體與電弧的相互作用機(jī)理。
LIU 研究團(tuán)隊(duì)［36-37］ 研究了低功率脈沖 YAG 激光-MAG 復(fù)合焊接。結(jié)果表明，在脈沖 YAG 激光作用
下電弧形態(tài)發(fā)生了變化，電弧根部被吸引而壓縮現(xiàn)象顯著。LIU 等人［38-39］ 對激光-MAG 復(fù)合焊接工藝參量對焊縫成形和熔滴過渡影響進(jìn)行了研究。

3． 2 激光-TIG 電弧復(fù)合焊接技術(shù)

當(dāng)年 STEEN 教授等人首次提出激光電弧復(fù)合焊接概念時(shí)采用的就是激光-TIG 電弧復(fù)合方式。激光-
TIG 電弧同向復(fù)合焊接0．8mm 厚純鈦板時(shí)，焊接速率提 高 了 2 倍; 激 光-TIG 電 弧 反 向 復(fù) 合 焊 接
0．2mm 馬口鐵時(shí)，焊接速率提高了4 倍［1-2］ 。DILTHEY等人［40］ 研究發(fā)現(xiàn) TIG 電弧加熱區(qū)域，激光能量的吸收率增大。AＲIAS 等人［41］采用激光-TIG 電弧復(fù)合焊接技術(shù)實(shí)現(xiàn)了0．4mm～0．8mm 不銹鋼板對接連接，速率高達(dá)15m/min。NAITO 等人［42］ 采用 X 射線透射成像儀和高速相機(jī)研究了 YAG 激光-TIG 電弧復(fù)合焊接 304 不銹鋼電弧等離子體和光致等離子體的行為，并對保護(hù)氣氛對焊縫成形的影響，以及熔深特性和氣孔防止機(jī)理進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究。

近年來，國內(nèi)學(xué)者對激光-TIG 電弧復(fù)合焊接的進(jìn)行了大量研究。CHEN 等人［43-44］較早對不銹鋼、鋁合金、鎂合金和鍍鋅板等材料的激光-TIG 電弧復(fù)合焊接激光與電弧相互作用機(jī)理和工藝技術(shù)進(jìn)行了
研究。LIU 等人［45-46］ 對鎂合金及其與鋁合金和碳鋼異種材料激光-TIG 電弧復(fù)合焊接進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，復(fù)合焊接可以增大熔深，焊縫成形好且力學(xué)性能滿足要求。XIAO 等人［47］ 系統(tǒng)研究了復(fù)合焊接時(shí)激光-TIG 電弧相互作用后的激光特性及電弧特性。GAO 和 YAN 等人［33-34］ 對激光-TIG 電弧復(fù)合焊接超細(xì)晶粒鋼和不銹鋼進(jìn)行了研究。

綜上所述，國外對激光-電弧復(fù)合焊接的研究投入較大，工業(yè)應(yīng)用推廣效果顯著，國內(nèi)近幾年對激光-電弧復(fù)合焊接的研究有所增多，在工業(yè)中的應(yīng)用推廣需要進(jìn)一步加強(qiáng)。近年來，隨著高功率高光束質(zhì)量新型固體激光器( 光纖激光器、盤片激光器、半導(dǎo)體激光器等) 的面世，使得厚板激光電弧復(fù)合焊接成為可能，高功率( 萬瓦級) 固體激光-電弧復(fù)合焊接厚板過程中蘊(yùn)含的新現(xiàn)象和新機(jī)理亟待研究。

4 激光-電弧復(fù)合焊接技術(shù)在汽車車身制造中的應(yīng)用

現(xiàn)代社會對汽車節(jié)能減排的要求提高，汽車車身輕量化設(shè)計(jì)采用了更多的輕質(zhì)材料如鍍鋅高強(qiáng)鋼板和鋁合金等。目前，車用鍍鋅高強(qiáng)鋼板和鋁合金材料主要采用激光焊接工藝。對于鍍鋅高強(qiáng)鋼激光對接焊接，要求對接坡口裝配間隙嚴(yán)格，難以在工業(yè)批量化生產(chǎn)，而激光搭接焊接存在鋅蒸發(fā)導(dǎo)致的焊接缺陷問題［48］ 。由于鋁合金對激光反射率較高，需要較大的激光功率進(jìn)行焊接，且伴隨強(qiáng)化元素的蒸發(fā)損失，而導(dǎo)致強(qiáng)度降低［49］ 。另外，還存在設(shè)備成本高和前期準(zhǔn)備工序要求嚴(yán)格等問題。激光-電弧復(fù)合焊接技術(shù)可以解決上述問題。

美國通用汽車公司中國科學(xué)研究院 YANG 采用激光-TIG 電弧復(fù)合焊接技術(shù)對鍍鋅高強(qiáng)鋼板搭接接頭實(shí)現(xiàn)了無間隙焊接，焊縫成型如圖 5a 焊縫所示［50］ 。具體實(shí)施方式是，TIG 電弧在激光束前面對搭接鍍鋅高強(qiáng)鋼板進(jìn)行預(yù)熱，使搭接層中的鋅層熔化，從而在緊隨的激光焊接過程中鋅蒸汽大大減少。圖中左側(cè)焊縫為單純激光搭接焊鍍鋅鋼板的成型效果，可以看出焊縫表面和內(nèi)部明顯存在空洞，焊縫成型和性能大大降低。

  美國通用汽車公司中國科學(xué)研究院 YANG 采用激光-TIG 電弧復(fù)合焊接技術(shù)對鍍鋅高強(qiáng)鋼板搭接接頭實(shí)現(xiàn)了無間隙焊接，焊縫成型如圖 5a 焊縫所示［50］ 。具體實(shí)施方式是，TIG 電弧在激光束前面對搭接鍍鋅高強(qiáng)鋼板進(jìn)行預(yù)熱，使搭接層中的鋅層熔化，從而在緊隨的激光焊接過程中鋅蒸汽大大減少。圖中左側(cè)焊縫為單純激光搭接焊鍍鋅鋼板的成型效果，可以看出焊縫表面和內(nèi)部明顯存在空洞，焊縫成型和性能大大降低。

        另外，激光-MIG 電弧復(fù)合焊接技術(shù)還應(yīng)用于全鋁車身奧迪 A8 車型的制造，其車身側(cè)頂梁具體位置分析如圖 7 所示［9，51］ 。整個(gè)車身激光-MIG 電弧復(fù)合焊接焊縫長度共計(jì) 4500mm。奧迪公司激光焊接技術(shù)中心的負(fù)責(zé)人 HELTEN 先生高度評價(jià): “激光與電弧兩種焊接方法復(fù)合可以獲得更好的焊接性能，從生產(chǎn)效率、成本、焊接質(zhì)量及安全性等各方面來看，激光電弧復(fù)合焊接技術(shù)都突破了熱連接工藝的局限”［52］ 。

德國不萊梅激光研究所［53］ 采用激光-MIG 電弧復(fù)合焊接車用鋼板和鋁合金板，焊接過程示意圖如

圖 8a 所示。同時(shí)與埃爾蘭根紐倫堡大學(xué)合作對激光- MIG 電弧復(fù) 合焊接車用鋁合金和鋼板異種材料
拼焊板進(jìn)行了研究。圖 8b 為經(jīng)深沖的鋁合金與鋼板異種材料拼焊板，沖壓成形良好。國內(nèi) QIN 等人對鍍鋅鋼板和鋁合金板異種金屬激光-MIG電弧熔釬焊接工藝和接頭組織性能進(jìn)行了研究。采用鋁合金材料代替鋼材是汽車車身輕量化的重要途徑之一。一旦鋼鋁異種金屬焊接連接的強(qiáng)度和可靠性得到保證，必將使得大量鋁合金輕質(zhì)材料應(yīng)用于汽車車身。

5 結(jié) 論

激光-電弧復(fù)合焊接具有激光焊的大熔深、高效率和電弧焊優(yōu)良的橋接能力和高的填充金屬熔敷效率，同時(shí)，又克服了激光焊接或電弧焊接都容易出現(xiàn)的焊接缺陷，如裂紋、脆性相和氣孔。激光與電弧的協(xié)同作用，產(chǎn)生了 1 +1 ＞2 的效果，焊接過程穩(wěn)定性和可靠性得到了極大提高。近年來，隨著輕質(zhì)鋁合金材料不斷應(yīng)用于汽車車身，激光-電弧復(fù)合焊接在汽車車身制造中的應(yīng)用更加廣泛。隨著新型高亮度固體激光器的不斷商業(yè)化，激光-電弧復(fù)合焊接的研究和推廣應(yīng)用將迎來新的機(jī)遇，然而，在兩種熱源復(fù)合焊接機(jī)理、厚板焊接和輕質(zhì)合金材料焊接工藝技術(shù)等方面還有待進(jìn)一步深入研究。