文/張華夏，程德志，李坤，李嫣冉，吳讓大·奔騰激光（浙江）股份有限公司

近年來(lái)，激光加工技術(shù)被廣泛應(yīng)用到工業(yè)生產(chǎn)中的各個(gè)行業(yè)。眾多行業(yè)在產(chǎn)業(yè)升級(jí)過(guò)程中選擇激光加工，讓激光應(yīng)用有了更加廣闊的空間，也有了更多的創(chuàng)新和探索。據(jù)《2021年中國(guó)激光產(chǎn)業(yè)發(fā)展報(bào)告》數(shù)據(jù)顯示，2020年中國(guó)激光焊接的市場(chǎng)規(guī)模已達(dá)110.5億元，隨著軌道交通、工程機(jī)械、船舶制造、鋼結(jié)構(gòu)等應(yīng)用領(lǐng)域轉(zhuǎn)型升級(jí)需求的增加，中厚板材焊接設(shè)備的需求會(huì)越來(lái)越多，激光焊接設(shè)備的滲透率將加速提升。

激光焊接主要有激光自熔焊、激光填絲焊、激光復(fù)合焊等。其中，激光電弧復(fù)合焊是激光焊接工藝領(lǐng)域出現(xiàn)較晚的一種，這種焊接工藝尤其適用于中厚板材的焊接。一直以來(lái)，高端大功率激光電弧復(fù)合焊接設(shè)備被歐美先進(jìn)制造強(qiáng)國(guó)所壟斷。國(guó)內(nèi)各大造船廠基本都引進(jìn)了德國(guó)、意大利等國(guó)家的激光電弧復(fù)合焊接生產(chǎn)線，價(jià)格高昂，售后服務(wù)緩慢。為打破這一被動(dòng)局面，作為意大利EL.EN集團(tuán)控股的中意合資企業(yè)奔騰激光，積極引進(jìn)大量的海內(nèi)外專家和專業(yè)人才，在高功率激光焊接設(shè)備研發(fā)和應(yīng)用領(lǐng)域不斷創(chuàng)新進(jìn)取，推出了多款激光電弧復(fù)合焊接裝備，填補(bǔ)了我國(guó)多項(xiàng)產(chǎn)業(yè)空白。

激光電弧復(fù)合焊技術(shù)優(yōu)勢(shì)

激光電弧復(fù)合焊從宏觀上是指將聚焦后的激光束和電弧在物理結(jié)構(gòu)上進(jìn)行耦合，耦合后的復(fù)合熱源共同作用在材料表面，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)材料的加熱和熔化，隨著復(fù)合熱源的移動(dòng)，完成焊接的過(guò)程。激光電弧復(fù)合焊可以將兩種物理性質(zhì)和能量傳輸機(jī)制不同的熱源耦合在一起，充分發(fā)揮兩種熱源優(yōu)勢(shì)，彌補(bǔ)單一熱源焊接劣勢(shì)，是一種高效、優(yōu)質(zhì)、新型節(jié)能的焊接方式。激光電弧復(fù)合焊相比單一的激光焊或者單一的電弧焊在中厚板材焊接過(guò)程中優(yōu)勢(shì)尤為明顯，奔騰激光20kW激光電弧復(fù)合焊接設(shè)備如圖1所示。

圖1 奔騰激光20kW激光電弧復(fù)合焊接機(jī)

單獨(dú)采用激光焊的局限性

⑴激光束焦點(diǎn)直徑很小，因此熱作用區(qū)域小。激光焊對(duì)工件裝配間隙要求高，間隙兼容度低，特別是中厚板材，實(shí)現(xiàn)小間隙的焊前裝配比較困難。

⑵激光對(duì)高反射率、高導(dǎo)熱系數(shù)材料的焊接比較困難，易產(chǎn)生裂紋、氣孔等缺陷，同時(shí)熔池流動(dòng)性差，焊縫成形差。

⑶激光焊接時(shí)形成的等離子體對(duì)激光的吸收和反射降低了母材對(duì)激光的吸收率，激光能量利用率低。

⑷焊縫冷卻速度快，高強(qiáng)鋼焊接時(shí)易產(chǎn)生淬硬組織和裂紋。

單獨(dú)采用MIG/MAG電弧焊的局限性

⑴單道焊縫熔深小。

⑵厚板多層多道焊接時(shí)，電弧難以深入坡口底部，極易側(cè)壁引弧，坡口寬度較大，焊接效率較低。

⑶焊接速度低，如果速度過(guò)大會(huì)造成電弧不穩(wěn)定。

⑷焊接熱輸入大，熱影響區(qū)大，板材變形量大。

激光電弧復(fù)合焊不但可以彌補(bǔ)單一熱源焊接時(shí)的局限性，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)“1+1＞2”的特有效應(yīng)。激光和電弧的復(fù)合實(shí)質(zhì)是光致等離子體和電弧的耦合。激光電弧復(fù)合焊示意圖如圖2所示。

圖2 激光電弧復(fù)合焊示意圖

在激光焊接過(guò)程中，外加電弧后，由于電弧焊接過(guò)程中產(chǎn)生的高溫等離子體密度較低，因而使激光焊接過(guò)程中光致等離子體被稀釋，光致等離子體對(duì)激光的入射能量阻礙減小，從而增加了激光入射到材料表面的能量；在電弧焊接過(guò)程中，等離子體傾向于向電弧中心方向移動(dòng)，當(dāng)有激光照射在材料表面會(huì)產(chǎn)生大量等離子體，這些等離子體會(huì)加強(qiáng)電弧的方向性和穩(wěn)定性，提高電弧的挺度。

當(dāng)激光電弧復(fù)合焊過(guò)程中采用電弧在前、激光在后的焊接方式后，電弧會(huì)擴(kuò)大熱作用范圍，提高焊接間隙導(dǎo)致的搭橋能力，降低激光焊接對(duì)裝配間隙的精度要求，這在中厚板焊接中尤為重要。此外，在復(fù)合焊過(guò)程中，熔化極氣體保護(hù)焊可以使焊絲填充焊縫，改變焊縫凝固后的表面形貌。選擇不同化學(xué)成分的焊絲，還能調(diào)整焊縫冶金成分，改善焊縫力學(xué)性能。厚度為10mm的Q345B板材拼接焊單面焊雙面成形效果如圖3所示，厚度為8mm的Q960高強(qiáng)鋼板拼接焊單面焊雙面成形效果如圖4所示。

圖3 厚度為10mm的Q345B板材單面焊雙面成形

圖4 厚度為8mm的Q960高強(qiáng)鋼板單面焊雙面成形

激光電弧復(fù)合焊應(yīng)用領(lǐng)域

奔騰激光焊接工藝研究中心通過(guò)長(zhǎng)期試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，激光電弧復(fù)合焊既有單獨(dú)激光焊的優(yōu)勢(shì)，又結(jié)合了熔化極氣體保護(hù)焊的優(yōu)點(diǎn)。聚焦后的激光束能量密度高，焊接速度快，成形焊縫窄，表面成形好，熱輸入量低等；熔化極氣體保護(hù)電弧焊在能源轉(zhuǎn)換、焊縫橋接能力、熔池凝固速度和熱源耦合功率等方面有較大優(yōu)勢(shì)。將激光與電弧復(fù)合后，既保留了兩者的焊接優(yōu)勢(shì)，又開(kāi)拓了其復(fù)合后的應(yīng)用場(chǎng)景。因此，激光電弧復(fù)合焊會(huì)被應(yīng)用在高端產(chǎn)品的中厚板深熔焊接應(yīng)用中。根據(jù)奔騰激光焊接工藝研究中心的行業(yè)調(diào)研結(jié)果，奔騰激光在以下典型行業(yè)可提供完整的激光電弧復(fù)合焊解決方案。

船舶制造行業(yè)

在船舶建造中，船體的焊接工時(shí)約占總建造工時(shí)的30%～40%，焊接所需成本約占船體建造所需總成本的30%～50%。其中，因?yàn)楹附訜彷斎肓慷鴮?dǎo)致的焊接變形校正所需成本增長(zhǎng)占有相當(dāng)比例。早在1994年，德國(guó)Meyer造船廠就開(kāi)始使用激光電弧復(fù)合焊來(lái)生產(chǎn)由扁鋼制成的夾芯板，作為腹板用于豪華郵輪甲板的制造。近年來(lái)，美國(guó)海軍將激光電弧復(fù)合焊應(yīng)用于多個(gè)船體構(gòu)件建造中，比較典型的包括艦船管路焊接、T形梁焊接等的應(yīng)用研究。在國(guó)內(nèi)，外高橋造船廠、招商重工船廠、廣船國(guó)際等均引進(jìn)了德國(guó)IMG公司的激光電弧復(fù)合焊接設(shè)備；渤海造船廠、滬東船廠等均建成了激光電弧復(fù)合焊接工作站，將激光電弧復(fù)合焊接技術(shù)引入到船體制造中。

汽車零部件制造

近年來(lái)隨著汽車輕量化發(fā)展需求，車身結(jié)構(gòu)由空間框架轉(zhuǎn)向鋁復(fù)合車體方向。汽車鋁車身主要采用激光焊接工藝，由于激光束的焦點(diǎn)直徑小，對(duì)裝配間隙精度要求高，因此，在生產(chǎn)過(guò)程中存在設(shè)備成本高、工件準(zhǔn)備工序要求嚴(yán)格等問(wèn)題。這些問(wèn)題可以通過(guò)激光電弧復(fù)合焊來(lái)解決，如大眾汽車輝騰系列車型所有的車門(mén)都采用了激光電弧復(fù)合焊接工藝，德國(guó)奧迪汽車中全鋁車身關(guān)鍵部位的焊接也采用了激光電弧復(fù)合焊。

工程機(jī)械行業(yè)

低合金高強(qiáng)鋼具有較好的機(jī)械性能、良好的加工性能、較高的耐腐蝕性和較好的低溫性能，在工程機(jī)械行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。臂架是履帶起重機(jī)的主要承載及作業(yè)構(gòu)件，起著支撐、輔助變幅等作用，在整機(jī)安全和作業(yè)能力方面起著至關(guān)重要的作用，其材質(zhì)一般采用低合金鋼；汽車起重機(jī)伸縮臂也是起重機(jī)的重要部件，其材質(zhì)一般采用低合金超高強(qiáng)鋼。目前徐工、三一重工等吊臂焊接均采用激光電弧復(fù)合焊接工藝。該工藝可以穩(wěn)定、高效地實(shí)現(xiàn)起重機(jī)吊臂主焊縫單面焊雙面成形，焊縫接頭拉伸性能和沖擊性能滿足相關(guān)工程應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)，且該工藝對(duì)吊臂焊縫接頭的間隙、錯(cuò)邊等實(shí)際工況適應(yīng)能力強(qiáng)，在實(shí)際的工程應(yīng)用中可實(shí)現(xiàn)無(wú)坡口焊接，焊接速度可達(dá)1.2m/min。

軌道交通行業(yè)

鋁合金材質(zhì)的車體是現(xiàn)代軌道交通車輛的一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)。焊接作為鋁合金材質(zhì)車體制造的關(guān)鍵工藝，其焊接質(zhì)量和穩(wěn)定性直接影響車體的焊縫靜力強(qiáng)度與抗疲勞強(qiáng)度，進(jìn)而影響著車體的結(jié)構(gòu)完整性和運(yùn)行安全性，同時(shí)也是軌道交通車輛進(jìn)一步提速的制約因素。目前，中國(guó)中車多個(gè)生產(chǎn)基地均引入了激光電弧復(fù)合焊設(shè)備，用于車體鋁合金部件焊接。

激光電弧復(fù)合焊應(yīng)用前景

根據(jù)中研普華研究院《2020-2025年中國(guó)激光電弧復(fù)合焊設(shè)備制造產(chǎn)業(yè)調(diào)研報(bào)告》，2020年激光電弧復(fù)合焊設(shè)備制造行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及市場(chǎng)前景趨勢(shì)規(guī)模分析顯示：隨著“中國(guó)制造2025”行動(dòng)綱領(lǐng)和“一帶一路”戰(zhàn)略的深入實(shí)施，制造業(yè)對(duì)自動(dòng)化、智能化生產(chǎn)模式的需求日益增長(zhǎng)，激光技術(shù)是現(xiàn)代高端制造前沿技術(shù)，在產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)過(guò)程中將扮演重要角色，激光加工應(yīng)用也從一開(kāi)始的食品、紡織、電子等輕工業(yè)領(lǐng)域拓展至汽車、船舶、航天、航空、軌道交通、高鐵、鋼結(jié)構(gòu)等重工業(yè)領(lǐng)域。奔騰激光積極布局高功率激光應(yīng)用領(lǐng)域，針對(duì)高功率切割、焊接、清洗做了全面的工藝和技術(shù)革新部署，以新光源引領(lǐng)新應(yīng)用，用智能制造推動(dòng)激光應(yīng)用市場(chǎng)，通過(guò)激光智能高端裝備的量產(chǎn)形成規(guī)模應(yīng)用市場(chǎng)，以不斷進(jìn)取的態(tài)度積極踐行“做激光應(yīng)用專家，為客戶創(chuàng)造價(jià)值”的奔騰激光核心價(jià)值觀，使得奔騰激光成為全球高功率激光應(yīng)用領(lǐng)導(dǎo)品牌。