在金屬連接技術(shù)工藝?yán)镆环矫嬉�求焊接速度高變形小，另一方面要有很好的焊縫搭橋能力，而傳統(tǒng)單一的激光焊接工藝是不可能解決上述問題的。本文主要介紹激光--MIG復(fù)合焊相對與其他焊接技術(shù)的優(yōu)勢及其在船舶工業(yè)的應(yīng)用，這是一種高質(zhì)高效、新型的焊接方法。 
前言 
    隨著焊接技術(shù)的不斷研究和創(chuàng)新，一種高質(zhì)高效的焊接技術(shù)在船舶工業(yè)的制造的領(lǐng)域中得到不斷的應(yīng)用，這是一種新型的，特殊的焊接方法--激光--MIG復(fù)合焊。我們知道在金屬連接技術(shù)工藝?yán)镆环矫嬉�求焊接速度高變形小，另一方面要有很好的焊縫搭橋能力。大家知道傳統(tǒng)單一的激光焊接工藝是不可能解決上述問題的。 
    毋庸質(zhì)疑激光焊和熔化極氣體保護(hù)焊工藝的開發(fā)應(yīng)用已經(jīng)有著很長的時(shí)間了并且它們在材料連接技術(shù)里有著廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。激光復(fù)合焊就是將這兩種焊接技術(shù)（激光焊接和電弧焊接）有機(jī)的結(jié)合起來，從而獲得了優(yōu)良的綜合性能，在提高焊接質(zhì)量和生產(chǎn)工藝性的同時(shí)，改善了成本效益比。目前，激光復(fù)合焊已在船舶工業(yè)上取得了令人矚目的成績，并且這種技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性也是非常誘人的。尤其重要的是，激光復(fù)合焊的焊接精度高，可以獲得非常好的機(jī)械/工藝性能。復(fù)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：CO 2 激光，YAG激光，光纖激光與GMAW工藝的復(fù)合。怎樣使用焊縫跟蹤系統(tǒng)的激光復(fù)合焊小車，進(jìn)行長焊縫的焊接，被提到研究日程。 
1、簡介 
    優(yōu)質(zhì)高效，低變形和易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化裝配，激光焊在鋼結(jié)構(gòu)件的焊接上具有廣闊的前景。激光電弧復(fù)合焊接技術(shù)可提高焊縫搭橋能力，則對間隙較大時(shí)的焊接有著重大的意義。激光焊和熔化極氣體保護(hù)焊工藝的開發(fā)應(yīng)用已經(jīng)有著很長的時(shí)間了，在工業(yè)領(lǐng)域和材料連接技術(shù)領(lǐng)域已被廣泛的應(yīng)用，兩種焊接方法因能量傳輸?shù)焦ぜ�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(yīng)用領(lǐng)域。 
    激光束焊通過光纖將能量從激光發(fā)射器傳輸?shù)焦ぜ�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(qū)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(fù)合焊就是將這兩種焊接技術(shù)有機(jī)的結(jié)合起來，從而獲得了優(yōu)良的綜合性能，在提高焊接質(zhì)量和生產(chǎn)工藝性的同時(shí)，改善了成本效率比。目前，激光-復(fù)合焊已在汽車工業(yè)的應(yīng)用上成績斐然，同時(shí)在造船工業(yè)上這種技術(shù)的經(jīng)濟(jì)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(jī)械/工藝性能。 
    早在20 世紀(jì)70年代，人們就已經(jīng)知道如何把激光和電弧有機(jī)的結(jié)合在一種工藝?yán)锸褂谩５珡哪且院�，在相�?dāng)長的一段時(shí)間內(nèi)，沒有再進(jìn)行深入的研究。近來，人們再次將注意力轉(zhuǎn)向這一課題，嘗試開發(fā)了激光復(fù)合焊技術(shù)。當(dāng)然，這其中的一個(gè)原因是：在早期，激光器尚未在工業(yè)上得到普遍應(yīng)用，而現(xiàn)在激光器已成為許多工廠的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備。 
    激光焊與另一種焊接方法相結(jié)合的焊接技術(shù)稱為激光復(fù)合焊，激光束和電弧同時(shí)作用于焊接區(qū)，互相影響和支持�，F(xiàn)在的研究方向是探求這種工藝特性更廣，更深的焊接應(yīng)用領(lǐng)域。一個(gè)典型的例子就是將CO 2 激光GMA復(fù)合焊工藝應(yīng)用在造船工業(yè)上。在此我們將示證和討論應(yīng)用于這種應(yīng)用領(lǐng)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(zhì)量的激光束，以確保能夠獲得期望的“深熔深焊接”。高質(zhì)量的激光束可以實(shí)現(xiàn)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(jìn)的自動(dòng)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(tǒng)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(dá)到 0.4mm。在工業(yè)領(lǐng)域中已有使用12 kW的CO 2 激光源。此時(shí)激光的傳導(dǎo)通過鏡面進(jìn)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(xiàn)在這項(xiàng)研究中。 
3、激光-MIG（LaserHybrid）復(fù)合焊  
   激光焊接金屬時(shí)的激光束聚集強(qiáng)度可達(dá)106W/cm2以上。當(dāng)激光束點(diǎn)擊在材料表面時(shí)，該點(diǎn)的溫度迅速升高到揮發(fā)溫度，并由于金屬蒸汽的揮發(fā)形成揮發(fā)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。 
激光束在焊縫頂部向其輸入熱量，同時(shí)電弧也向焊縫輸入熱量。激光-MIG復(fù)合焊不是兩種焊接方法依次作用于焊接區(qū)域，而是同時(shí)作用于焊接區(qū)域。激光和電弧同時(shí)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(shù)都會(huì)對焊接工藝帶來不同的影響效果。 
激光復(fù)合焊提高了熔深和焊接速度，焊接過程中金屬蒸汽會(huì)揮發(fā)，并且反作用于等離子區(qū)，等離子區(qū)對激光有輕微吸收，但可以忽略不計(jì)。整個(gè)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(dāng)工件表面達(dá)到揮發(fā)溫度時(shí)，就形成了揮發(fā)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(dǎo)損失的能量來決定。在激光-MIG焊時(shí)，揮發(fā)不僅發(fā)生在工件的表面，同時(shí)也發(fā)生在填充焊絲的表面上，這意味著更多的金屬揮發(fā)量，從而使激光的能量傳輸更加容易。同時(shí)也保證了焊接過程的完整性。從而使激光的能量傳輸?shù)母�加容易。同時(shí)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(shí)有足夠的搭橋連接能力，這是研究的主要目標(biāo)。因?yàn)樵诤附舆^程中，難免會(huì)出現(xiàn)間隙公差大小不一，于是在焊接時(shí)調(diào)節(jié)的參數(shù)就比較多，如：激光功率，焊接速度，送絲速度及角度的調(diào)整。 
4、Laserhybrid ：激光——MIG焊接和其它焊接方法的試驗(yàn)比較 
CO 2 激光焊的研究 
    因?yàn)镃O 2 激光具有很高的效率，效率因素達(dá)到20%，技術(shù)上的實(shí)現(xiàn)相對簡單和可測量性使得CO 2 激光成為工業(yè)金屬加工領(lǐng)域中最重要的激光源。CO 2 激光具有很高的輸出功率，其容量范圍達(dá)到50kW。 
FRONIUS公司已經(jīng)用全數(shù)字化電源TPS5000和12KW的CO 2 激光源有機(jī)的結(jié)合在一起。下表就是來自Meyer Werft的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，這是在4.5m×13m的實(shí)驗(yàn)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(jí)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(shí)驗(yàn)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(shí)，焊接的板厚達(dá)到15mm，焊縫搭橋能力的間隙可達(dá)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(dá)0.4mm，板材厚度可達(dá)15mm。通過四種分別是5mm，8mm， 12mm，15mm的不同厚度材料的實(shí)驗(yàn)來評(píng)估在最大容忍間隙下的焊接速度。氦氣和氬保護(hù)氣對激光-電弧焊工藝的影響由基礎(chǔ)研究來討論。保護(hù)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(fù)合焊與其他競爭工藝的比較 
    在造船工業(yè)，激光-GMAW-復(fù)合焊已被應(yīng)用德國Papenburg的Meyer船廠。這里甲板預(yù)制的全自動(dòng)化生產(chǎn)就是以該種工藝開發(fā)的。因?yàn)檫@種工藝方法可高質(zhì)量的完成20倍于20米長區(qū)段的焊接生產(chǎn)，而不需要將板翻面。在甲板預(yù)制區(qū)內(nèi)，有兩個(gè)對接焊工作站。厚度在15mm以內(nèi)的板能達(dá)到3.0米/分鐘的焊接速度。另外，還有兩個(gè)角接焊接工作站，用于焊接直線尺寸長度在20米以內(nèi)，厚度在12毫米的甲板或墻板。焊接前，焊接接頭用角磨機(jī)械加工保證良好的部件精度。 
光纖激光的研究 
    I PG光子公司在金屬加工領(lǐng)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(nèi)，其工廠和總部設(shè)在牛津，另外在歐洲還有另外兩個(gè)制造工廠。其核心技術(shù)：獨(dú)有的活性光纖和獲得專利的泵浦技術(shù)使多組態(tài)半導(dǎo)體激光器比線性陣列半導(dǎo)體激光器有著更廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域。因?yàn)槠涫沟冒雽?dǎo)體激光器達(dá)到很長的工作壽命。其設(shè)備可能由摻鐿多包層光纖繞圈構(gòu)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(dǎo)體激光器泵浦能量通過被疊成多包層線卷的多組態(tài)光纖傳導(dǎo)到活性介質(zhì)中。在活性光纖里直接生成了激光諧振腔。激光通過被動(dòng)單模光纖特有的直徑為6微米的纖芯進(jìn)行傳導(dǎo)。最終激光束的衍射基本上被限制住，并且當(dāng)配備有內(nèi)置校準(zhǔn)器時(shí)，產(chǎn)生的光束極其平行。例如，100瓦的單模光纖激光當(dāng)聚焦直徑為5毫米時(shí)在半角具有的全角發(fā)散角為0.13毫弧度。 
    工業(yè)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(chǎn)需用光纖激光組束技術(shù)。將各個(gè)光纖激光的輸出通過組合器組合為一束，成為單一的高質(zhì)量的激光束。例如，一個(gè)1000瓦的激光器會(huì)由10個(gè)單獨(dú)光纖激光組合而成。盡管此時(shí)的激光束已不再是單模的，但其光模質(zhì)量因子M2為7~10，比大功率的固態(tài)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(chǎn)生近似矩形截面光束的光纖都能被生產(chǎn)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(yīng)用。由于工業(yè)生產(chǎn)的需要，具有Nd:YAG激光器的性能并且對眼的安全比CO 2 好的激光器將被生產(chǎn)出來。公司的單模CW系統(tǒng)能在脈沖周期短至10毫秒時(shí)，被調(diào)制到5000Hz。脈沖周期短至1納秒或在100納秒脈沖內(nèi)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(shù)為工業(yè)用戶提供了諸多益處。不需冷卻器的光模質(zhì)量因子為0.5M2的4千瓦光纖激光器比之傳統(tǒng)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?yàn)椴恍韪鼡Q閃燈或半導(dǎo)體，它們在整個(gè)使用壽命里不需維護(hù)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(zhì)量讓用戶可以享用比傳統(tǒng)激光器的大影響區(qū)和/或長的工作距離優(yōu)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(shù)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(shí)大于1000瓦的光纖激光器的購入成本較高。然而，當(dāng)將所有的因素考慮進(jìn)去—-占地面積，冷卻器，維護(hù)費(fèi)用等等，光纖激光器比等功率的棒式Nd:YAG激光器要廉價(jià)得多。在最近半年內(nèi)，多臺(tái)幾千瓦級(jí)的光纖激光器正處于在歐洲工廠的第二測試版本的運(yùn)行環(huán)境中。這些激光器在多班倒的工作強(qiáng)度下至今沒出任何問題，就其可靠性，達(dá)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(jīng)在實(shí)驗(yàn)室里焊接1.2mm的汽車鍍鋅板達(dá)到5m/min的焊接速度。而其質(zhì)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(dá)16m/min。 
    再來看看7000瓦的光纖激光器與弧焊工藝相結(jié)合的情況，在Fronius（福尼斯）-Wels總部研發(fā)部的LaserHybrid激光復(fù)合焊實(shí)驗(yàn)室里已能焊接8mm厚的低合金和高合金鋼板。圖3為實(shí)驗(yàn)室里L(fēng)aserHybrid與IPG的光纖激光器相組合焊接的配置情況。 
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(shù)工藝簡單的應(yīng)用到生產(chǎn)實(shí)際中被提上研究課題。我們先來看看所有目前已被使用的CO 2 和/或Nd:YAG激光器的應(yīng)用和研究。不利的是需對等離子體進(jìn)行保護(hù),這是由于僅為10.6μm的波長而且精細(xì)的激光束需通過結(jié)構(gòu)無彈性的光學(xué)鏡系統(tǒng)進(jìn)行傳導(dǎo)，這些都使得CO 2 激光器在生產(chǎn)實(shí)際中不能涉足移動(dòng)應(yīng)用領(lǐng)域。但這種機(jī)器人或移動(dòng)應(yīng)用概念的實(shí)現(xiàn)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(tài)激光器在工業(yè)的重要領(lǐng)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(dǎo)，即便是長達(dá)70米傳導(dǎo)距離，這些都使得應(yīng)用機(jī)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(hù)的影響，于是在氣體保護(hù)焊工藝中就能使用最恰當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)氣優(yōu)化電弧穩(wěn)定性，熔滴過渡，無飛濺金屬熔接以及對熱影響區(qū)的保護(hù)。多工位激光系統(tǒng)只需用一個(gè)激光源供給能量。這樣優(yōu)化了激光源由于啟動(dòng)運(yùn)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(shí)間較短，所以其價(jià)格(?/kW)相應(yīng)比CO2 激光源要高。但是其輸出功率較高，能高達(dá)6000瓦。在日本已完成了對10 000瓦級(jí)的激光器的嘗試。不要忽視激光發(fā)射光的危害，即使是相隔數(shù)米的距離也會(huì)對未加保護(hù)的眼睛造成傷害。 
    歐盟的DockLaser計(jì)劃是通過研發(fā)用于船舶建造和維修的裝配作業(yè)區(qū)域的激光工藝技術(shù)和設(shè)備，達(dá)到提高生產(chǎn)力和生產(chǎn)質(zhì)量，改善作業(yè)的靈活性和生產(chǎn)工作條件的目的。這些區(qū)域的共有特征是焊接工藝的效率低、熱輸入量大，從而導(dǎo)致焊接變形和對工件油漆表面及舾裝部件的損壞。該計(jì)劃詳細(xì)說明了船塢作業(yè)區(qū)的激光工藝的應(yīng)用實(shí)例，需求和目標(biāo)，來開發(fā)焊接/切割工藝和設(shè)備。操作安全和規(guī)范是整套設(shè)備工藝的著重點(diǎn)。接近于最終用戶那兒的檢測實(shí)際要求和生產(chǎn)原型，將幫助實(shí)際生產(chǎn)條件下的效益評(píng)估和適用性的實(shí)現(xiàn)。 
3個(gè)主要的應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)椋?nbsp;
利用行走機(jī)構(gòu)來焊接長直角焊縫； 
完成自動(dòng)化焊接大型工件的定位焊； 
在船舶舾裝作業(yè)中應(yīng)用手持操縱激光焊接和切割。 
    DockLaser計(jì)劃從準(zhǔn)確鎖定需求階段開始，包括詳細(xì)的調(diào)查造船廠需求以及現(xiàn)有被正式承認(rèn)且操作安全的技術(shù)。在接下來的研發(fā)階段將創(chuàng)立3種應(yīng)用領(lǐng)域（長直角焊縫，定位焊和舾裝作業(yè)）的解決方案。任務(wù)點(diǎn)2將針對實(shí)驗(yàn)室開發(fā)工藝，任務(wù)點(diǎn)3將開發(fā)出之前設(shè)想設(shè)備所需零部件，任務(wù)點(diǎn)4將在實(shí)驗(yàn)室集成和測試設(shè)備，任務(wù)點(diǎn)5將重點(diǎn)放在認(rèn)證和使用安全上。最終評(píng)估階段將把整套系統(tǒng)投入最終用戶，在生產(chǎn)實(shí)踐中進(jìn)行檢驗(yàn)和評(píng)估。起先每一個(gè)最終用戶承擔(dān)一個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域。任務(wù)7是與工業(yè)聯(lián)合會(huì)一道將其作為主要生產(chǎn)手段進(jìn)行推廣。任務(wù)8是對此項(xiàng)充滿挑戰(zhàn)性的工程進(jìn)行技術(shù)方面和行政管理的完善。 
    來自5個(gè)歐盟國家，一個(gè)合眾國的12 個(gè)力量雄厚的盟友共同承擔(dān)這個(gè)計(jì)劃的實(shí)施，這個(gè)聯(lián)盟包括5個(gè)制造工程師協(xié)會(huì)另外加上3個(gè)最終用戶，4個(gè)焊接學(xué)會(huì)，1個(gè)專業(yè)級(jí)協(xié)會(huì)和4個(gè)設(shè)備制造商。他們有著極其豐富的激光工藝技術(shù)的經(jīng)驗(yàn)。對實(shí)踐應(yīng)用的反饋和傳達(dá)的協(xié)調(diào)任務(wù)由工業(yè)聯(lián)合會(huì)負(fù)責(zé)。龍門架系統(tǒng)最大的缺點(diǎn)就是沉重和方向依賴性強(qiáng)。給定系統(tǒng)的工作方向必需大致沿焊縫方向。6軸機(jī)器人焊接系統(tǒng)的局限性是最長的焊接長度只到2米。 
    最終，開發(fā)的裝有LaserHybrid 焊頭的移動(dòng)牽引車是所有這些問題的解決方案，手工操作便能實(shí)現(xiàn)方位轉(zhuǎn)換。操作所需范圍比龍門架系統(tǒng)要小得多得多。減少光學(xué)元件移動(dòng)的結(jié)果是保護(hù)激光光纖不受機(jī)械應(yīng)力的損壞。工藝參數(shù)的調(diào)節(jié)最好需在焊接電源上調(diào)節(jié)，因?yàn)闅怏w保護(hù)電弧焊的特性并不十分適合復(fù)合焊工藝。它能對激光束和焊頭焊縫跟蹤系統(tǒng)進(jìn)行非常精確的調(diào)節(jié)。如果使用特殊的激光光學(xué)元件，還可用改裝的移動(dòng)牽引車焊接角焊縫。為了保護(hù)光纖抵御來自焊接作業(yè)區(qū)的反射，激光束的軸線需向焊接方向傾斜一個(gè)角度。而焊接效果不會(huì)因此受到影響。 
結(jié)論 
    Laser-GMAW復(fù)合焊是一種全新的工藝，它在造船工業(yè)有著廣泛的用途，尤其是一些激光焊不可能達(dá)到或從經(jīng)濟(jì)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(yīng)用范圍和高性能的復(fù)合焊工藝使得在當(dāng)前利潤日漸萎縮的形勢下競爭力極大的提高，制造時(shí)間減少，生產(chǎn)成本降低且生產(chǎn)力提高。激光復(fù)合焊最大的優(yōu)點(diǎn)就是焊接變形小并且減小了焊后處理的工作量。 
當(dāng)前的研究表明大功率CO2 -、YAG-、或光纖激光器與GMA 相結(jié)合的LaserHybrid激光復(fù)合焊工藝可應(yīng)用于各種板厚的焊接。復(fù)合焊工藝的優(yōu)勢在于其優(yōu)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(fù)合焊工藝（LaserHybrid）可將焊接速度提高兩倍。在板厚不超過15mm時(shí)，其最大焊縫搭橋能力為1mm的間隙。