高能束流焊接技術及應用

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2(1.北京清能創(chuàng)新科技有限公司， 北京 100084；2.甘肅藍科石化高新裝備股份有限公司， 甘肅 蘭州 730070)

技術應用

高能束流焊接技術及應用

黨杰1，李建國2，陳鎮(zhèn)1，李旭暉2，陳晶2，石伯承

2(1.北京清能創(chuàng)新科技有限公司， 北京 100084；2.甘肅藍科石化高新裝備股份有限公司， 甘肅 蘭州 730070)

將高能束流用于材料加工在發(fā)達國家已經相當普遍，近幾年來，我國對高能束流技術進行了深入研究，對不同束流的性能特點、應用環(huán)境及使用成本等方面做了大量分析，根據各自的獨特性能在高新尖技術行業(yè)的相關領域進行了推廣應用。高能束流焊接技術是該能束應用的重要分支和前沿高端，對我國高新尖技術行業(yè)的技術突破意義重大。就高能束流焊接技術及其應用情況進行了系統(tǒng)分析研究，對高能束流焊接技術的概念、種類、機理、技術優(yōu)勢、焊接方法復合、應用領域以及發(fā)展前景進行了詳細論述。

高能束流； 焊接技術； 應用研究

高能束流焊接技術是以高能量密度束流為熱源與材料作用，從而實現材料焊接，該技術具有焊縫深寬比高、焊速快、焊件變形小、焊縫純潔度高、適合焊接的材料多以及工藝參數易于調節(jié)等優(yōu)點，屬于焊接的前沿技術，在發(fā)達國家已經被廣泛應用于材料加工中。

目前，用于焊接的高能束流主要有電子束、激光束和離子束[1]。在這3種束流中，電子束可以達到的功率密度最高，其次是激光束，而離子束的功率密度則剛達到高能束流可以焊接的下限值。我國已經逐步開展了高能束流焊接的應用探索，已在諸多重要領域推廣。

1 高能束流焊接技術概論

1.1焊接熱源

一般聚焦的太陽光的功率密度為(1～2)×103W/cm2，聚焦的氙氣光的功率密度為(1～5)×103W/cm2，電弧的功率密度為1.5×104W/cm2，等離子弧的功率密度為(0.5～1)×105W/cm2，電子束、激光束的功率密度大于106W/cm2。由此可見，高能束流焊接的功率密度是電弧焊功率密度的60多倍，因此焊接時的熔化速度更快，如果不是自動化操作，很難實現焊接過程[2]。并非所有的熱源功率都能進行焊接，目前能實現焊接的熱源功率密度范圍見圖1。

圖1 熱源功率密度與焊接行為關系

1.2焊接機理

一般的電弧焊熔池是通過電弧的熱傳導來熔化待焊接的接頭，而電子束焊、激光束焊則是通過這些高能束流直接作用于待焊接接頭的表面，二者在焊接熔池形成機理上存在很大差異。在高功率密度的作用下，工件在極短的時間內被熔化、蒸發(fā)，產生很高的蒸汽壓強和蒸汽反作用壓強，在此壓強作用下形成深入焊件內部的熔池小孔，使得高能束流能直接進入小孔內部，增加了熔深。

高能束流和工件作相對運動時的熔池形成情況見圖2。

高能束流焊縫的成型過程，是源于熱源能量密度高，被焊材料瞬間就會蒸發(fā)汽化，被焊材料厚度方向形成貫穿的孔洞，隨著激光熱源與被焊材料之間的相對運動，金屬液體不斷流向熔池小孔處，從而形成完全熔透的焊縫[3]。

激光深熔焊示意見圖3。

圖3 激光深熔焊示圖

1.3技術特點

高能束流焊接時，在極短的時間內，被焊材料即被汽化、熔融、冷卻、再結晶凝固，相當于對材料瞬間的再次冶煉，焊接體能量相對很低，焊縫組織不會產生嚴重的過熱現象，焊接質量優(yōu)良[2]。與常用的焊接方式相比，激光束焊接時不用開坡口，也無需填加焊絲，焊縫的熔深要比熔寬大(深寬比能大于20)，具有焊速快、熱影響區(qū)小、焊縫組織細化及焊接變形小等特點[4]。

1.4工藝性能對比

與傳統(tǒng)的焊接方法相比較，高能束流焊接技術的工藝性能優(yōu)勢明顯，某些方面的劣勢也很突出，但是可應用的前景卻非常廣闊，不同焊接方法工藝性能對比見表1。表中+表示優(yōu)勢，-表示劣勢，0表示適中。

表1 不同焊接方法工藝性能對比

2 高能束流焊接技術優(yōu)勢及特點

2.1

激光束焊接

我國的激光束焊接技術應用時間短，發(fā)展速度快，部分技術已超越了國外發(fā)展水平。國內從設備和理論方面對激光束焊接技術進行了深入研究和應用[5]。焊接設備方面，被廣泛應用的是大功率的光纖激光設備、千瓦級的CO2激光設備和1 kW以下的固體YAG激光設備[6]。在激光束焊接技術理論研究方面，清華大學、國家產學研激光技術中心以及西北工業(yè)大學等單位取得了豐碩成果，主要集中在激光束焊接等離子體形成機理、特性分析、檢測、控制、深熔激光束焊接模擬、激光-電弧復合熱源的應用以及激光堆焊等。在激光束焊接工藝方法研究方面，目前也在逐步展開與推進，但還需積累更多的試驗數據。最新的研究成果顯示，國內已經攻克了大型構件的焊接難題[1]，為激光束焊接技術的實際應用打開了廣闊前景，期待在特種設備制造領域應用此技術。

激光束焊接對焊接環(huán)境的要求較低，設備投資也不大，易于普及推廣，將會引領高能束流焊接技術的發(fā)展。

2.2電子束焊接

電子束焊接技術在我國某些領域的應用已經比較成熟，技術水平已接近和達到國外發(fā)達國家的水平，在我國航空、航天領域發(fā)揮了很大作用。在其機理及工藝研究上，國內相關單位對熔池小孔動力學、電子束釬焊、接頭疲勞裂紋擴展行為、接頭殘余應力、填絲焊接、局部真空焊接時的焊縫軌跡示教等方面都進行了深入研究分析。

電子束焊接需要在密閉的真空空間內完成，對焊接環(huán)境的要求很高，整套生產線的投資成本也很大，很難實現普及推廣，其是高能束流焊接技術的獨特應用。

2.3等離子弧焊接

采用等離子弧焊接時，由于等離子弧要在轉移弧和非轉移弧間交替運用，因此對操作人員、等離子弧焊接設備的要求很高，要求操作人員操作技能嫻熟、等離子弧焊接設備柔性應變自如。

西北工業(yè)大學開展了脈動等離子噴焊技術研究，通過在工件和噴槍陽極(噴嘴)間接入高頻的IGBT無觸點開關，成功實現了轉移弧和非轉移弧的高頻交替工作，實現了單一電源下的等離子噴焊[2]。西安交通大學、哈爾濱工業(yè)大學、北京航空工藝研究所、天津大學、清華大學及西安航空發(fā)動機公司等單位還對等離子弧焊接的焊接電源、焊接工藝及焊接原理等方面進行了深入研究，促進了等離子弧焊接技術的發(fā)展。

等離子弧焊接對焊接環(huán)境的要求介于激光束焊接和電子束焊接兩者之間，其只適合在特定的行業(yè)中應用。

3 高能束流復合焊接技術應用

高能束流復合焊開始于20世紀70年代末，是由英國倫敦帝國大學學者W.M.Steen首先提出的激光-電弧復合焊，直到最近十幾年，隨著工業(yè)生產新的要求，高能束流復合焊才逐步得到關注。高能束流焊接技術優(yōu)勢在于能量密度高、焊接速度快、焊件變形小、熔池熔深大和容易實現自動化，但其前期設備、設施投資大，設備輸出能量有效轉化為焊接的能量很小，對焊件組對要求比較高，焊前的準備工作也很繁瑣。研究人員從理論上對高能束流焊接技術進行了深入分析研究，并在實際應用上進行了大膽嘗試，把高能束流焊接技術和其他不同的弧焊方式進行復合，形成了高能束流復合焊，最佳方式是激光-電弧復合焊。高能束流復合焊發(fā)揮了高能束流焊接和電弧焊各自優(yōu)勢，能獲得良好的焊接質量，還可降低成本，實現高效、優(yōu)質的焊接[1]。隨著電弧焊設備和高能束流焊接設備性能的提高，高能束流復合焊技術也在不斷發(fā)展，已經成為高能束流焊接研究的熱點[7]。

3.1復合的優(yōu)勢

采用激光-電弧復合焊方式深熔焊接時，熔池上方激光產生等離子體利于電弧的穩(wěn)定。另外，還可以提高焊接性差的材料諸如鋁合金、雙相鋼等的焊接性。激光-電弧復合焊可相互彌補本身的缺陷，激光與非熔化極(鎢極)惰性氣體保護焊(TIG)、Plasma以及熔化極氧化性混合氣體保護焊(GMA)復合時，通過激光與電弧的相互影響，進而產生良好的復合效應[7]，獲得滿意的焊接效果。這主要基于兩種效應，一是較高的能量密度導致了較高的焊接速度，二是兩熱源相互作用的疊加。激光-電弧復合焊實際上是將電弧與較小功率的激光配合，從而獲得大熔深的焊接方法[8]。其工作機理是將兩種物理性質、能量傳輸機制截然不同的熱源復合在一起，共同作用于工件表面，從而實現對工件加熱完成焊接的過程[3]。

3.2復合的方式

激光束與電弧的復合方式有多種，同軸復合和旁軸復合是根據相對位置不同來區(qū)分的，同軸復合時兩種束流復合的夾角為0，旁軸復合則是兩種束流復合存在一定的夾角[9]。

激光束與電弧的旁軸復合也分兩種情況，不存在側位(在左、在右)復合方式，只存在激光束在電弧前和電弧后兩種形式的區(qū)別。主要是因為側位復合人為造成的焊接熔池兩側差異很大，焊道成型很不穩(wěn)定，焊縫表面質量差[10]。同位復合有很好的加強作用，激光束與電弧復合時，相對位置的不同會對焊縫的表面成型和內部性能產生一定的影響。高志國等對激光-MIG復合焊中激光束與電弧前后位置對焊縫成型影響的研究表明[11]，激光束在電弧前時，焊縫的上表面成型均勻且飽滿美觀，特別是在焊接速度較大的情況下效果更明顯，而電弧在激光束前時焊縫的上表面會出現溝槽。通過對焊縫的成分及性能進行分析，發(fā)現兩種情況下Mg元素含量分布都是從焊縫上部到下部遞增，激光束在電弧前時焊縫上部的硬度小于下部的硬度，激光束在電弧后時焊縫上部的硬度大于下部的硬度。出現這種情況的原因是，電弧在激光束后時，熱源作用面積大，熱源移走后焊縫冷卻慢，有利于熔池中的氣體溢出，因此成型好。而且電弧熱源作用于激光后相當于對焊縫進行一次回火而其熱量不能傳輸到焊縫較深處，故下部未回火，因此焊縫上部的硬度小于下部的。為了得到良好的焊縫表面質量，應選擇激光束在電弧前的復合方式[12]。

激光束與電弧的復合方式不同，效果也不盡相同，實際工作中必須根據任務的不同而有所選擇[13]。不僅激光束與電弧的前后位置不同時對焊接過程有影響，激光束與電弧的間距不同也會對焊接過程產生影響，需要不斷試驗并總結。

3.3復合的種類

激光束與電弧的復合過程中，激光束只有一種形式，而電弧有多種，從而形成激光-TIG復合焊、激光-熔化極氣體保護焊包括惰性氣體保護焊(MIG)復合焊、激光-等離子復合焊等。

激光-TIG復合焊是最早出現的高能束流復合焊方法[7]，其焊接速度是單純激光焊的好幾倍，多數只適用于薄板高速焊，也可用于不等厚材料對接焊縫的焊接。這種復合焊方法細化了焊縫表面波紋，增加了深寬比，同時也細化了焊縫晶粒，改善了焊縫金相組織，提高了焊接接頭的焊接質量[14]。

激光-MIG復合焊復合方法與激光-TIG復合焊的相同[11]，不同之處是利用填焊絲加入了焊縫所需的有用合金元素，從而改善焊縫的冶金性能和微觀組織結構。MIG焊的熔深一般要比TIG焊的熔深大，所以激光-MIG復合焊的熔深更大，適合中厚板焊件的焊接[15]。這種方法常應于造船、管道運輸和重型汽車制造等行業(yè)。

激光束和等離子束都屬于高能束流，兩種束流之間的復合更有利于控制焊接輸入的熱量，可以對薄板精細部位進行精確焊接[6]。激光束與等離子束的復合也有同軸復合和旁軸復合兩種方式，同軸復合方式主要是利用激光的優(yōu)點輔助等離子弧的性能，而旁軸復合方式則是從工藝上充分發(fā)揮各自束流的優(yōu)勢。

3.4復合的作用

電弧焊時，在一定范圍內，隨著焊接電流的增大，電流對熔池的沖擊加大，熔池的穩(wěn)定性和焊縫成型變差，焊接飛濺相應增大。而激光束與電弧復合時，激光束的加入增加了原有熔池的熔深，同時激光束對電弧有吸引和壓縮作用，使弧柱的電阻減小，場強降低，增加了電弧的穩(wěn)定性[16]。當焊接電流超出一定范圍再繼續(xù)增加時，電弧的溫度不斷升高，體積不斷膨脹，等離子體對激光的阻礙作用隨之加強，激光的能量大部分用于加熱電弧，導致電弧的體積進一步膨脹，激光的作用得到擬制，會使熔池的熔寬較大，熔深較小。相反，當焊接電流較小時，激光束上方形成的等離子體的密度會被稀釋，減弱其對激光的屏蔽作用，從而增大激光到達工件表面的能量，進一步提高金屬對激光的吸收率[17]。

激光束與電弧間存在相互作用，電弧氣氛對激光與電弧也有影響，而且不同的電弧氣氛其影響也不相同。吳世凱等對比研究了氬氣和氦氣下CO2激光與直流TIG電弧垂直相互作用時的激光束特性和電弧特性[16]，結果表明，氬氣氣氛時激光功率顯著減小，同時激光束散焦，激光束的功率密度分布嚴重劣化；TIG電弧的電壓降低，電弧體積膨脹甚至產生燃燒波；氦氣下激光束與電弧相互作用時激光束特性及電弧特性變化不大。

由此看來，激光束與電弧復合的過程非常精細，每一個參數的變化都會對復合的結果產生影響。要獲得好的焊縫成型、更優(yōu)良的焊接質量，必須對復合的兩種方法的每一項工藝參數進行認真分析研究，找到最優(yōu)組合的數據。

3.5復合效果影響因素

影響激光-電弧復合焊成型的因素有很多，除了要考慮激光束焊接的工藝參數之外，還要關注電弧焊的焊接工藝參數，更要考慮復合方式相對位置的相互配合。

3.5.1激光束焊接

(1)功率密度 功率密度是激光束焊接中最關鍵的工藝參數之一。采用較高的功率密度，在微秒時間范圍內，表層即可加熱至沸點，產生大量汽化，激光束對熔池的沖擊力大，焊接熔深就大，甚至會焊穿。對于較低功率密度，表層溫度達到沸點需要經歷數毫秒，在表層汽化之前，底層達到熔點，激光束對熔池的沖擊力較小，熔深就淺。因此，選擇功率密度時要反復試驗，針對不同材料、不同厚度的焊件找出恰當的功率密度范圍，以獲得內外質量俱佳的焊接接頭。

(2)激光脈沖頻率 在功率密度一定的情況下，激光束能夠穩(wěn)定焊接時，減小激光束脈沖頻率，焊縫表面的焊接波紋會變粗，外觀成型比較粗糙。反之，增加激光束脈沖頻率，焊縫的外觀焊接波紋會更細，成型更漂亮。

(3)激光脈沖寬度 激光脈沖寬度對焊接熔池也有一定的影響，在可以穩(wěn)定焊接的脈寬范圍內，脈寬由小變大時，熔池寬度會逐漸變寬，而熔深則逐漸變淺。

(4)離焦量 理論上通常定義激光束的焦點在工件表面為零離焦量，在工件之上為正離焦量，在工件之下為負離焦量。實際操作中選取離焦量時，要在理論值的基礎上，按經驗測定實際的焦點位置，以此為基準設置離焦量的正負及大小。離焦量僅對焊接熔池的熔深有較大影響，在焊接厚1 mm以下的薄板時，本身不需要太大的熔深，可以選擇正的離焦量，通常選取1 mm、1.5 mm、2 mm的離焦量。在焊接稍厚些的板材時，為了增加熔深，則可選擇負的離焦量，一般選擇焦點位于焊件表面1/3處為宜，選擇-1 mm、-1.5 mm、-2 mm的離焦量。而電弧與YAG激光焊復合焊時，最佳的離焦量是-1 mm。在相同的離焦量下，復合焊時的熔深是激光焊時熔深的2倍。

(5)焊接速度 焊接速度的大小與輸入被焊接件的能量有一定關系，對焊接熔池尺寸的影響很直觀。隨著焊接速度的增加，進入被焊件的能量相對減少，焊接熔池的熔深、熔寬變小。此外，焊接速度變大，電弧收縮，使得電弧加熱區(qū)域的范圍減小，因而熔寬減小。

(6)保護氣體 激光焊接過程中首先使用惰性氣體保護熔池免受空氣中氧氣的侵入，保護焊縫表面免受氧化，大多數應用場合常使用氦、氬、氮等氣體進行保護。使用保護氣體還可以保護聚焦透鏡免受金屬蒸氣污染和液體熔滴飛濺物的濺射，延長透鏡的使用壽命。也可以有效驅散高功率激光焊接時覆蓋在熔池上方的等離子屏蔽，避免其對激光能量的消耗。

3.5.2電弧焊

電弧焊工藝參數主要包括焊接電流、焊接電壓、焊接速度及保護氣體等，焊接電流大小主要影響熔深，焊接電壓大小則主要影響熔寬，焊接速度由小變大影響的是焊縫熱量的輸入由大變小，直觀反映出的是熔深、熔寬由大變小，保護氣體的作用則主要是保護焊接熔池不被氧化。

4 結語

高能束流焊接技術是目前焊接界的前沿技術，具有明顯優(yōu)勢，但是也有一定的局限性，高能束流與其他電弧的復合焊將是高能束流焊接技術的發(fā)展主方向。2種乃至3種熱源的復合方式、方法，焊接過程的自動化等方面都有待于進一步深入研究，高能束流焊接技術將在我國高新尖領域得到更加廣泛的應用。

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(張編)

HighEnergyBeamWeldingTechnologyandItsApplication

DANGJie1，LIJian-guo2，CHENZhen1，LIXu-hui2，CHENJing2，SHIBo-cheng2

(1.Beijing Tsingneng Chuangxin Science and Technology Co. Ltd.， Beijing 100084， China；2.Lanpec Technologies Co. Ltd.， Lanzhou 730070， China)

High energy beam technology has been widely used in material processing in developed countries. The studies of high energy beam technique in China have also been carried on thoroughly in recent years. The performance characteristics of different beams，application environments and using costs，etc.，have been quantitatively analyzed and this technique has gradually been applied in the fields of high-tech industries because of their unique properties. High energy beam welding technology is an important branch and is at the cutting edge of high energy beam technology. Its application would play an important role for the breakthroughs of high-tech industries in China. The high energy beam welding technology and its application on the system were analyzed and studied systematically，and the concept，types，mechanisms，technical advantages，compounds with other welding techniques，application field，and development prospects of high energy beam welding technology were described in detail.

high energy beam； welding technology； application research

TG44

A

10.3969/j.issn.1000-7466.2017.03.009

1000-7466(2017)03-0041-07①

2016-11-28

黨 杰(1964-)，男，北京人，助理研究員，學士，主要從事特種設備制造工藝及焊接新技術、新工藝的研究、推廣、應用工作。