风口已来，激光电弧复合焊在各大重要行业“乘风而上”

到了现在这个时候, 激光加工这一块技术, 已经在工业生产的各个领域里面被普遍地给用上了。好多行业在进行产业升级的这一系列过程里头, 都选择了用这种激光加工的手段去干活。正因为这么一来, 激光应用这方面的地盘就变得越来越辽阔了, 同时也就带来了更多的机会去搞那些新鲜的、没见过的创新和探索事儿。

要是咱们去看那个叫《2021年中国激光产业发展报告》的文件里头所列出的数据会明白怎么回事的话, 就会知道在二零二零年这一整年的时间段里面, 咱们国家这边关于激光焊接这块领域的市场规模总计数额达到了整整一百一十点五亿人民币之多这么个数字是确定的。

伴随着轨道交通那个行业, 工程机械那个领域, 船舶制造那个方面, 还有钢结构那些地方, 它们都在转型升级, 这些地方的需求, 是越来越多了, 所以说中厚板材焊接设备的需求会越来越多, 于是激光焊接设备的渗透率就会加速提升。

从实际需求的角度出发, 激光焊接这项技术可以被区分为许多种类, 比如像什么激光自熔焊、激光填丝焊、还有激光复合焊这些方式都在行列之中。而在这些方法里, 有一个被称为是激光电弧复合焊的品种, 它在这整个工艺领域内算是出现得比较晚的一种存在了。

这种特定的焊接工艺呢, 它特别适合用来应对那些关于中厚板材需要被连接起来的焊接要求。长期以来, 对于那些高端的并且功率很大的一套套激光电弧复合焊接设备来说, 一直都被欧洲以及美洲的那些在制造方面属于强国的国家所牢牢掌控并垄断着。

目前, 国内的那些大型造船厂基本上都已经引入了来自像德国还有意大利这样的国家的激光和电弧复合式的焊接生产线设备, 这种设备的购入成本是非常高的, 而且在后续的售后服务响应速度方面也是比较慢的。

为了打破现在的这种被动的局面, 作为意大利EL．EN集团控股的中意合资企业奔腾激光, 积极引进了大量国内和海外的专家以及专业人才。他们在高功率激光焊接设备的研发和应用领域里不断地创新并且进取, 推出了多款激光电弧复合焊接装备。这些做法填补了我国在多个产业方面的空白。

激光电弧复合焊技术优势

激光电弧复合焊接技术, 这个叫做HLAW的工艺过程, 是把两种高温热源融合到一块儿去, 让它们共同作用在材料表面上。这两种热源在物理性质以及能量传导机制这两个方面, 存在着截然不同、完全不一样的特点。它们一起把材料加热, 最终完成焊接的工作。

使用这种激光电弧复合焊接的办法, 能够充分发挥两种热源各自的优点, 并且弥补单一热源在进行加工时所具有的不足之处。从整体来看, 它是一种新型的、高效的、高质量的以及节能的焊接方法。在焊接中厚板材的时候, 激光电弧复合焊相比于单独的激光焊或者是单独弧焊来说, 优势表现得是更为明显一些的。

图1奔腾激光20KW激光电弧复合焊接机

如果我们选择只用激光焊这个方法的话, 其实它会碰到一些限制性的问题, 这些问题主要可以体现在以下这些方面。

因为激光束焦点的直径非常小, 所以产生的热作用区域也非常狭小。针对这一情况, 激光焊接工艺对于工件装配间隙的要求相当严苛, 这导致其对接缝尺寸变动的兼容程度比较低。

尤其是在面对中厚板材的时候, 为了达成那种细小缝隙的装配标准, 在焊接之前的阶段里, 要把工件对齐并固定好, 这件工作是存在一定难以逾越的地方的。

焊接那些反射率高、导热速度快的材料, 用激光这个方法是不太容易弄好的, 特别容易产生裂纹, 或者出现气孔这样的缺陷, 另外熔化后的液体在池子里面流动不是特别顺畅, 导致最后形成的焊缝样子看起来很不好。

激光焊接的过程里面会有等离子体形成。这个等离子体会吸收和反射激光。因为这样的原因, 母材对激光的吸收率就会降低。进而使得激光能量的利用率变得不高。

在焊接高强钢的时候, 焊缝冷却的速度特别快, 于是很容易就产生了那种叫做淬硬组织的结构, 同时还会冒出裂纹来。

单独地采取MIG／MAG电弧焊接这一方式的话, 其所存在的局限性主要是表现在好几个方面, 这主要包括了以下内容这些情况。

焊缝的单道熔深程度不大。

在进行厚板多层多道焊接的时候, 电弧很难深入坡口的底部, 特别容易出现侧壁引弧的情况, 这样会导致坡口的宽度变得很大, 进而使得焊接效率比较低。

需要控制焊接速度低, 如果速度过大就会造成电弧不稳定。

焊接时候投入的热量很多, 导致受影响的那一片区域也变得很大, 最终让板材产生非常大的变形。

激光电弧复合焊这种方法, 它不仅仅能够弥补掉那种单一热源在进行焊接作业时所存在的局限性问题, 而且同时还可以实现出一个一加一大于二的这种特别的效应, 这里提到的这个效果是很特殊的。所谓激光和电弧的这两种工艺的复合, 它在实质层面上其实就是光致等离子体这个部分和电弧这两个东西之间进行耦合的一个过程。

图2激光电弧复合焊示意图

在激光焊接的时候, 加上外面的电弧以后, 因为那个电弧弄出来的等离子体密度比较低, 所以就把那个激光自己弄出来的等离子体给冲淡了, 这样等离子体挡着不让激光进去的那个阻力就变小了, 让更多激光的能量能照到材料的表面；在电弧焊接的过程里, 等离子体喜欢往电弧的中心那边跑, 要是这时用激光去照材料表面, 会产生好多好多的等离子体, 这些等离子体会让电弧的方向变得更集中, 也会让电弧更稳定, 还能提高电弧的那种挺直程度。

一旦在激光电弧复合焊的环节里头, 把那种电弧跑在前面、激光跟在后面的办法给用上, 那电弧就能把这个热作用的范围给扩大一下, 好让焊接的时候那个搭桥的能力得到提升, 同时, 也能把这个对于啥叫拼缝间隙要求的装配精度给降低一点, 这一点对中厚板焊接来说真的是特别地重要。

再者说一说, 加入了电弧焊接这部分工作, 它能够借助焊丝往焊缝里面填充材料, 从而把这个焊缝的外形模样给改变掉。

要是再去选择不同的焊丝来用, 那就还能够调整一下这个焊缝内部的化学冶金成分是怎么回事儿, 进而就把那个接头的力学性能给它改善一番。

图3 10mm 厚Q345B单面焊双面成形

激光电弧复合焊应用领域

奔腾激光焊接工艺研究中心, 在长达一段时期的实验工作里找出了个道理来讲, 那个激光电弧复合焊的技术, 它是把好几个好处给凑在一块儿了。咱们先说前面那点激光焊接的好处, 速度那是相当的快, 受热的地方影响得比较小, 缝子也窄, 看起来还特别好看。

然后, 它也接上了熔化极气体保护电弧焊的优势来着。这些优势都在哪儿体现? 一个是在能源效率上面讲, 一个是在能把缝隙给桥接住的能力上面讲, 再有就是在冷却速度还有能源耦合功率的方面。正因为这个事儿, 焊接的速度是提高了, 同时进到里面的热量也是减少了。

所以结果就是, 焊接变形这事儿大幅地变少了, 不再像原来那样到处乱变了。所以, 激光电弧复合焊会用在中厚板深熔焊接的应用中去, 而这些应用多是针对高端产品的。根据奔腾激光焊接研发中心的行业调研结果, 奔腾激光可以在以下这些典型行业里面提供完整的激光电弧复合焊解决方案。

1． 船舶制造行业

在船体建造的整个过程里, 焊接所耗费的工作时间, 大概会占到整个船体建造工作时间的百分之三十到百分之四十这一区间范围, 与此同时, 焊接环节所花费的成本支出, 也大约要占据整个船体建造总成本中百分之三十至百分之五十的份额。

在这其中由于出现焊接变形情况而额外增加的开支比例是不低的。

时间回溯到早在1994年这一年代时期, 当时就已经开始运用激光与电弧相互复合进行的焊接操作工艺方式来从事制造工作了, 这种制造工艺被用来生产由扁平钢材制作而成的夹芯板零部件, 这些零件主要被用作腹板结构, 专门用于豪华邮轮上面甲板部件的生产制造活动中去。

近年来, 美国海军在多种船体构件的建造过程中, 应用了激光电弧复合技术。其中比较典型的案例包括: 对舰船管路以及T型梁等部位进行焊接时, 开展了激光电弧复合焊的应用研究。

在国内方面, 一些船厂如广船国际等人均引进了来自德国IMG公司的激光电弧复合焊接设备；渤海造船厂与沪东船厂等地则构建了激光电弧复合焊接工作站, 借此将激光电弧复合焊这一技术引入到船体的制造环节当中去。

2． 汽车零部件制造

近年来, 因为汽车轻量化发展有需求在身, 所以车身结构就从空间框架的方向转成了铝复合车体。在汽车领域里, 铝车身这一回事, 主要是采用激光焊接这种工艺。由于激光束的焦点直径这个数值是比较小的, 所以对装配间隙精度的要求也就高起来了。

因此, 处于生产的过程之中的时候, 存在设备成本相对比较高的问题, 也存在工件的准备工序其要求比较严格之类的若干个问题。这些存在的诸多问题, 可以通过使用激光电弧复合焊这种方式来解决掉。

大众汽车旗下的辉腾系列这个车型, 它所有的车门部分, 全都采用了激光电弧复合焊接工艺。另外呢, 在德国奥迪品牌的汽车当中, 涉及到全铝车身的那些关键位置部位上的焊接工作, 同样也使用了激光电弧复合焊这种技术。

3． 工程机械行业

低合金高强钢是一种具备不错的机械性能的钢材, 它还拥有良好的加工能力, 并且表现出较高的耐腐蚀特点, 同时低温性能也算不错, 正因如此, 这种材料在工程机械行业里面被广泛地使用。

臂架这个东西, 它其实就是履带起重机里头最主要的那个用来承载东西以及干活的构件, 因为它要起到支撑的作用, 还要帮忙干活时候变换那种角度的作用，所以在整个机器的安全情况还有干活的能力上面, 它就起着那种特别关键, 特别重要的影响, 然后它的材料一般是用低合金钢这种材质的, 至于那个汽车起重机里面的伸缩臂, 它也是起重机里面很重要的一个部件, 这个部件的材料一般是采用低合金超高强钢这样的材料来做成, 现在在徐工那里, 在三一重工那些地方, 他们那边吊臂的焊接作业全都是采用的激光电弧复合焊接工艺。

该工艺能够把起重机吊臂主焊缝的单面焊双面成形做到十分稳定且高效, 同时焊缝接头具备拉伸性能和冲击性能, 这些性能能够满足相关工程应用的标准要求。

而且这一工艺对于在实际情况中遇到的吊臂焊缝接头间隙过大以及存在错边等各种复杂工况, 拥有很强的适应能力。在实际进行的工程操作过程中使用这项工艺进行无坡口焊接作业, 其行进速度可以达到每分钟1．2米这样的数值。

4． 轨道交通行业

铝合金车体这个东西, 它是现在轨道交通车辆发展的一个趋势。焊接这个事儿, 是铝合金车体各个部件里非常关键的连接形式。它焊缝里的静力强度怎么样, 还有抗疲劳的强度够不够, 这两个因素直接会影响到整个车体的结构健不健康, 还会影响到运行的安全性怎么样。

同时呢, 这些因素也在制约着轨道交通 进一步提速的问题能不能解决。现在, 南车还有北车好几个生产制造基地都已经把激光电弧复合焊的设备给引进来了, 用这些设备来焊接车体上的铝合金部件。

激光电弧复合焊应用前景

图4 6mm 厚Q235B单面焊双面成形

图5 6mm 厚Q960 单面焊双面成形

根据中研普华研究院发布的《2020－2025年中国激光电弧复合焊设备制造产业调研报告》的内容来看, 大家需要去分析一下2020年这个时间点, 激光电弧复合焊设备制造行业是处于什么样的发展现状, 以及未来市场前景的趋势规模是什么样的一个情况, 这是因为“中国制造2025”行动纲领被深入地实施了，“一带一路”战略也被深入地实施了, 所以从事制造业这一行当的人, 越来越感觉到自己对那种自动化的、智能化的一种生产模式, 是非常需要有这种需求的, 要知道激光技术现在就是现代高端制造最前沿的那种技术之一, 在产业转型升级的这个大过程中, 激光技术是要扮演一个很重要的角色的, 而且激光加工的这种应用领域, 也开始发生一些变化了, 它不再只是停留在刚开始的时候那种食品、纺织、电子等等这种轻工业的领域里面了, 而是已经拓展到了汽车、船舶、航天航空、轨道交通、高铁、钢结构等等这些重工业领域里面去了。

奔腾激光这一家公司, 对于高功率激光应用领域进行方面的布局行动是做得积极的。针对高功率切割、焊接以及清洗这几项技术内容, 该公司完成了在工艺和技术革新部署这两个方面比较全面的安排事情。

利用比较新的光源来引领新应用的这种做法, 再加上使用智能制造方式来推动激光应用市场的这种策略, 通过这些方法, 最终使得凭借激光智能高端装备的规模化生产制造行为, 来形成规模化的应用市场局面。

我们抱着那种永远都不满足、一直往前冲的态度, 非常认真地去实行奔腾激光核心的价值观, 这个价值观的内容就是做激光应用专家, 为客户创造价值。

这样做出来的结果是让奔腾激光成为一个在全球范围里, 针对高功率激光应用来说都属于领先领导地位的品牌形象。