激光混合焊接工藝

如何防止焊接過程中的飛濺污染激光頭的防護玻璃是激光混合焊接工藝的一個重要困難。隨著焊接過程中的飛濺對玻璃片的污染程度的增加，會導(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玻璃，使激光混合焊頭不受煙塵和飛濺的污染，長時間保持清潔。激光混合焊頭帶雙循環(huán)水冷冷卻系統(tǒng)，焊槍設(shè)計的負載為250A 100%（指MIG焊）和4kW的激光能源。

上風(fēng)

電弧焊接的特點是有廉價的能量來源，激光焊接工藝容許大的焊接深度、高的焊接速度、低的熱負荷以及狹窄的焊縫接頭，在一定密度下，激光光束會在金屬材料中產(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了工件公差。此外，熔池也比金屬極氣保護焊接要小一些，熱輸進較小，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。由于有兩個不同的焊接熔池，隨后來自電弧的熱輸進會給激光束焊接區(qū)域（特別是鋼鐵）進行回火處理，將硬度值更加均勻地分配到接頭的各個部分。

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頭上使用壓力輪，明顯改進了焊接的可及性。與金屬極氣保護焊接工藝相比，激光混合焊接工藝的優(yōu)點為焊接速度更高、當(dāng)焊接速度更高時穿透性更大、熱輸進值較低、拉伸強度更高、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12萬美元的投資。另外只需要6.5萬美元購置額外的MSG設(shè)備和焊接機頭。

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

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。大眾汽車公司對車門結(jié)構(gòu)的剛性具有很高的要求，假如沒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，汽車在行駛中來自風(fēng)阻的噪音等級會很低。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焊接

Phaeton型汽車車門的焊接由7個氣體金屬電弧焊縫、11個激光焊縫和48個激光混合焊縫組成，車門焊縫的總長度是4980mm，采用兩個鋁鑄件的激光混合焊接接頭，焊絲為AlSi12，直徑為1.6mm，保護氣體為氬氣。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，可以對焊根間隙較寬的零件進行焊接。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，而不進行接頭坡口預(yù)備。當(dāng)前，這種焊接工作最為先進的工藝是采用冷焊絲激光焊接。當(dāng)焊絲焊接接頭時，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)出強韌性、高強度和大熔深的特點。為了滿足客戶對這款車的高期看值，每一個細節(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程對這些要求更為嚴格。

奧迪A8車體的負載結(jié)構(gòu)是由一個空間框架構(gòu)成。這個框架結(jié)構(gòu)是由鋁板擠壓成形的，這個結(jié)構(gòu)的可靠性已在第一代奧迪A8的身上得到充分證實，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因其優(yōu)異的性能而承擔(dān)了這項艱巨的任務(wù)，在整個焊接過程中有65條焊縫，焊縫總長度為5m，單個焊縫的長度30～260mm。圖3中紅線部分為使用激光混合焊進行焊接的奧迪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力傳動系同一、容器、傳動橋和車身等。

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法實現(xiàn)零件公差或不夠經(jīng)濟時，激光混合焊接工藝的上風(fēng)更加明顯。這種功能強大的焊接工藝，可以達到減少投資、降低制造本錢、進步生產(chǎn)率的目的，從而進步綜合競爭能力。

激光混合焊接工藝給鋁材焊接開辟了一條新途徑。近來固體激光器輸出功率的進步，使這種工藝的穩(wěn)定性成為可能。在混合焊接工藝里，激光焊接和電弧焊接被理解為只有一個單一的工藝區(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步橋接能力，同時也可以確定焊縫寬度，減少工件焊接坡口的預(yù)備工作量。