激光混合焊接工藝

如何防止焊接過(guò)程中的飛濺污染激光頭的防護(hù)玻璃是激光混合焊接工藝的一個(gè)重要困難。隨著焊接過(guò)程中的飛濺對(duì)玻璃片的污染程度的增加，會(huì)導(dǎo)致作用在工件上的激光能量逐漸減少，甚至可能降低90%。為了解決飛濺污染題目，奧地利Fronius公司在防護(hù)玻璃前安裝了“Cross jet”系統(tǒng)，可將飛濺轉(zhuǎn)向90°，避免了飛濺沾觸防護(hù)玻璃，使激光混合焊頭不受煙塵和飛濺的污染，長(zhǎng)時(shí)間保持清潔。激光混合焊頭帶雙循環(huán)水冷冷卻系統(tǒng)，焊槍設(shè)計(jì)的負(fù)載為250A 100%（指MIG焊）和4kW的激光能源。

上風(fēng)

電弧焊接的特點(diǎn)是有廉價(jià)的能量來(lái)源，激光焊接工藝容許大的焊接深度、高的焊接速度、低的熱負(fù)荷以及狹窄的焊縫接頭，在一定密度下，激光光束會(huì)在金屬材料中產(chǎn)生“深焊縫效應(yīng)”，只要激光功率足夠大，就可以焊接壁厚較大的零件。因此，激光混合焊接容許采用更高的焊接速度，由于電弧和激光束之間的相互作用，工藝穩(wěn)定性很好，增加了熱效率以及改進(jìn)了工件公差。此外，熔池也比金屬極氣保護(hù)焊接要小一些，熱輸進(jìn)較小，熱影響區(qū)也較小，使得焊接結(jié)構(gòu)變形就比較小，減少了焊后后續(xù)校直的工作量。由于有兩個(gè)不同的焊接熔池，隨后來(lái)自電弧的熱輸進(jìn)會(huì)給激光束焊接區(qū)域（特別是鋼鐵）進(jìn)行回火處理，將硬度值更加均勻地分配到接頭的各個(gè)部分。

與激光焊接工藝相比，激光混合焊接工藝所需要的投資用度可以大為減少，其上風(fēng)主要體現(xiàn)在更高的工藝穩(wěn)定性、更高的橋接能力、更深的穿透性和更大的韌性以及不需要在焊接機(jī)頭上使用壓力輪，明顯改進(jìn)了焊接的可及性。與金屬極氣保護(hù)焊接工藝相比，激光混合焊接工藝的優(yōu)點(diǎn)為焊接速度更高、當(dāng)焊接速度更高時(shí)穿透性更大、熱輸進(jìn)值較低、拉伸強(qiáng)度更高、焊縫接頭較狹窄等。

使用激光混合焊接工藝，由于降低了激光束功率，因此可大大減少激光光源的能量消耗，由于激光束設(shè)備的效率只有3%。換言之，作用于工件上的激光束功率每降低1kW，則從電網(wǎng)上消耗的功率就大約要降低35kW。激光設(shè)備的本錢是1kW激光功率為12萬(wàn)美元。當(dāng)利用混合工藝后，可以使用3kW的激光器，而不需要用4kW的激光器，于是就可以節(jié)省12萬(wàn)美元的投資。另外只需要6.5萬(wàn)美元購(gòu)置額外的MSG設(shè)備和焊接機(jī)頭。

當(dāng)焊接速度為2.4m/min時(shí)，采用激光焊接時(shí)焊縫不可能布滿，會(huì)產(chǎn)生咬邊，母材上的滲透也只有很少一點(diǎn)，焊道寬度非常小，因此，拉伸強(qiáng)度低。在激光混合焊接中，額外材料被運(yùn)送到熔池中，咬邊處被金屬極氣保護(hù)焊的焊絲填滿，節(jié)約了部分激光能量。節(jié)約下來(lái)的激光能量可用于增加對(duì)母材的滲透深度，焊道寬度比材料厚度更大，這對(duì)于優(yōu)化機(jī)械性能是很必要的。

應(yīng)用

大眾汽車公司的策略是在汽車行業(yè)里盡量多地使用激光焊接工藝。在被稱為“D1概念車”的Phaeton型汽車（見(jiàn)圖2）上，所有的車門都是激光混合工藝焊接的。大眾汽車公司對(duì)車門結(jié)構(gòu)的剛性具有很高的要求，假如沒(méi)有激光混合焊接工藝，則必須使用大的重型鑄鋁材料。為了與車身完美配合，要求幾何公差必須非常小，這樣，汽車在行駛中來(lái)自風(fēng)阻的噪音等級(jí)會(huì)很低。為了生產(chǎn)具有這種剛性的車門，必須很好地混合使用板材、鑄件和沖壓件。要獲得較輕的重量，低密度的鋁材是一種完美的實(shí)用性材料。

圖2 在大眾汽車公司的Phaeton汽車上，所有車門均采用激光混合焊接工藝來(lái)焊接

Phaeton型汽車車門的焊接由7個(gè)氣體金屬電弧焊縫、11個(gè)激光焊縫和48個(gè)激光混合焊縫組成，車門焊縫的總長(zhǎng)度是4980mm，采用兩個(gè)鋁鑄件的激光混合焊接接頭，焊絲為AlSi12，直徑為1.6mm，保護(hù)氣體為氬氣。增加激光功率，可以獲得更高的焊接速度。與單純激光束焊接工藝相比，將激光束與電弧結(jié)合，可以產(chǎn)生更大的焊接熔池，可以對(duì)焊根間隙較寬的零件進(jìn)行焊接。焊接速度范圍為1.2～4.8m/min，但是，工藝優(yōu)化速度為4.2 m/min，送絲速度為6.5m/min、激光功率為2.9kW。

在汽車行業(yè)里，很多地方應(yīng)用搭接焊，而不進(jìn)行接頭坡口預(yù)備。當(dāng)前，這種焊接工作最為先進(jìn)的工藝是采用冷焊絲激光焊接。當(dāng)焊絲焊接接頭時(shí)，多數(shù)的激光能量都損失在熔化焊絲上。在帶有焊絲的激光焊接里，為了獲得所需的公差，必須使用壓力輪。由于焊接機(jī)頭尺寸比較高，在可及性方面有一定的局限性。這種工藝的典型參數(shù)是：焊接速度為2.8m/min、激光功率為4kW、送絲速度為6.6m/min。

在德國(guó)Neckarsulm市奧迪公司系列汽車的生產(chǎn)中，激光混合焊接工藝被應(yīng)用到最關(guān)鍵的全鋁車身的焊接中。該汽車車身是第二代豪華奧迪A8系列的車身，在設(shè)計(jì)上追求沖擊安全性和抗扭曲變形。激光混合焊接的焊縫符合所有的要求，表現(xiàn)出強(qiáng)韌性、高強(qiáng)度和大熔深的特點(diǎn)。為了滿足客戶對(duì)這款車的高期看值，每一個(gè)細(xì)節(jié)都要精益求精，確保汽車的制造質(zhì)量。激光混合焊接的窄焊縫可以滿足對(duì)外觀要求較高的工件，那么車身框架頂部的邊角處就不必再用塑料條帶填塞。在輕型汽車制造領(lǐng)域，所有上面提到的要求以及一些特殊的條件都必須得到滿足，而全鋁車身的制造過(guò)程對(duì)這些要求更為嚴(yán)格。

奧迪A8車體的負(fù)載結(jié)構(gòu)是由一個(gè)空間框架構(gòu)成。這個(gè)框架結(jié)構(gòu)是由鋁板擠壓成形的，這個(gè)結(jié)構(gòu)的可靠性已在第一代奧迪A8的身上得到充分證實(shí)，該框架結(jié)構(gòu)是由不同規(guī)格的鋁板連接而成。最新一代奧迪A8框架的頂部因焊接程度密集而變得格外重要，F(xiàn)ronius公司的激光混合焊機(jī)因其優(yōu)異的性能而承擔(dān)了這項(xiàng)艱巨的任務(wù)，在整個(gè)焊接過(guò)程中有65條焊縫，焊縫總長(zhǎng)度為5m，單個(gè)焊縫的長(zhǎng)度30～260mm。圖3中紅線部分為使用激光混合焊進(jìn)行焊接的奧迪A8框架頂側(cè)梁的焊縫。

此外，激光混合焊接工藝還適用于動(dòng)力傳動(dòng)系同一、容器、傳動(dòng)橋和車身等。

總結(jié)

激光混合焊接是一種新的工藝技術(shù)，在汽車行業(yè)里有著廣泛的用途，特別是在采用激光焊接無(wú)法實(shí)現(xiàn)零件公差或不夠經(jīng)濟(jì)時(shí)，激光混合焊接工藝的上風(fēng)更加明顯。這種功能強(qiáng)大的焊接工藝，可以達(dá)到減少投資、降低制造本錢、進(jìn)步生產(chǎn)率的目的，從而進(jìn)步綜合競(jìng)爭(zhēng)能力。

激光混合焊接工藝給鋁材焊接開辟了一條新途徑。近來(lái)固體激光器輸出功率的進(jìn)步，使這種工藝的穩(wěn)定性成為可能。在混合焊接工藝?yán)铮す夂附雍碗娀『附颖焕斫鉃橹挥幸粋€(gè)單一的工藝區(qū)（等離子和焊劑）。選擇正確的工藝參數(shù)，就可以有選擇性地影響焊縫性能，如幾何外形、結(jié)構(gòu)組成等。增加填充金屬，電弧焊接工藝就可以進(jìn)步橋接能力，同時(shí)也可以確定焊縫寬度，減少工件焊接坡口的預(yù)備工作量。