近年來，在激光-電弧復(fù)合焊接幾何參數(shù)、激光聚焦位置及能量參數(shù)的優(yōu)化與選擇、熱源相互作用機理、保護氣體對接頭性能的影響、坡口形貌對焊接工藝的影響、熔池的流動特性和復(fù)合焊接熔滴過渡力學(xué)行為等方面的研究使激光-電弧復(fù)合焊接技術(shù)得到了很大程度的發(fā)展。但是到目前為止，對于激光-電弧復(fù)合焊接專用設(shè)備的研制與其實際應(yīng)用還存在很大差距。本課題對激光-電弧復(fù)合焊接頭設(shè)計結(jié)構(gòu)、氣體保護模式和特點進行了深入探討，設(shè)計出了旋轉(zhuǎn)雙焦點激光-TIG復(fù)合焊接氣體保護結(jié)構(gòu)，并對氣體保護效果進行了分析。 激光-電弧復(fù)合焊接加工頭設(shè)計方案 激光以其顯著特點使得焊接技術(shù)成為先進制造技術(shù)中的一種，并在航空航天、汽車制造和造船等行業(yè)得到廣泛應(yīng)用，它也是先進連接技術(shù)的重點發(fā)展方向之一。隨著鋁、鈦合金在尖端武器裝備研制和航空制造業(yè)中的廣泛應(yīng)用，傳統(tǒng)焊接方法已不能滿足實際生產(chǎn)的需求。常規(guī)的激光焊接由于各種因素影響，有一定局限性，特別是焊接鋁、鈦合金，使激光的利用率降低，而且難以實現(xiàn)大熔深和厚板材的焊接。所以通過新型焊接頭及保護裝置的研制，使激光更適應(yīng)鋁、鈦合金的焊接，對于提高一個國家的尖端武器裝備研制和航空水平，具有非常重要的意義。 1 激光-電弧旁軸復(fù)合結(jié)構(gòu) 由于激光-MIG電弧復(fù)合焊接存在送絲與熔滴過渡等問題，絕大多數(shù)企業(yè)都是采用旁軸復(fù)合方式進行焊接。德國庫格勒公司生產(chǎn)的復(fù)合焊接頭采用反射式、直接水冷的易更換光學(xué)元件，用于加工的激光功率可超過40kW[1]；奧地利Fronius公司生產(chǎn)的激光-MIG復(fù)合焊接頭[2]幾何尺寸小，可以確保焊接的可達性，尤其是應(yīng)用于焊接車身時。此外該接頭還具有良好的可拆卸性，便于安裝到機器人上，焦距和焊炬也具有可調(diào)功能，調(diào)整精度為0.1mm。 弗羅紐斯國際有限公司所申請的激光混合式焊接過程的裝置[3]具有指示器，借助指示器可以從預(yù)定位置起沿X、Y和Z方向相互調(diào)節(jié)各部件相互間的位置，并采用橫向吹高壓氣體的方式來保護激光頭免遭碎屑的損傷等。 2 激光-電弧同軸復(fù)合結(jié)構(gòu) 我國哈爾濱工業(yè)大學(xué)的陳彥賓教授采用空心鎢極的方法實現(xiàn)了激光與TIG電弧的同軸復(fù)合。電弧在空心鎢極的尖端產(chǎn)生，激光束從鎢極中心穿過環(huán)狀電弧到達工件表面，其復(fù)合原理如圖所示。同軸復(fù)合時激光從電弧中心穿過，因而沒有焊接方向性的問題，這尤其適合于三維零件的焊接。同軸復(fù)合的焊接頭調(diào)節(jié)雖然沒有旁軸那么復(fù)雜，但是鎢極孔徑的大? ⑽偌舛擻牘ぜ木嗬攵級院附又柿坑薪洗蟮撓跋歟椅偌舛說納賬鴰嵫現(xiàn)賾跋旎紛吹緇〉男巫矗跋旌附庸痰奈榷ㄐ院禿阜煨巫碵4]。清華大學(xué)張旭東提出圓形分布同軸對稱復(fù)合熱源的方法，采用分光鏡將入射激光分為2束對稱分布的光束，MIG焊電極由雙光束中間送入。由于雙光束是非封閉的，電極的引入可以避開光束傳輸路徑。聚焦系統(tǒng)將雙光束從電極兩側(cè)對稱地聚焦在焊絲送進方向前端的同一位置，在焊絲不影響光束傳輸?shù)那闆r下實現(xiàn)激光與電弧同軸。該方法存在的不足是分光后每束光束本身與電弧具有一定夾角，雙光束的對稱軸與電弧軸線很難實現(xiàn)重合，焊絲的送給對光束傳播有很大影響等[5]。 近年來的研究表明，復(fù)合焊接頭設(shè)計結(jié)構(gòu)都有著自身的不足之處。在有效地改善焊接適應(yīng)性，改善焊縫成形的基礎(chǔ)上，對旋轉(zhuǎn)雙焦點激光復(fù)合焊頭的研究有著重要的實際意義。 旋轉(zhuǎn)雙焦點激光復(fù)合焊接加工頭 激光-電弧旁軸復(fù)合焊接時容易受到電弧焊槍傾角、激光與電弧中心間距、焊槍高低以及激光與電弧相互位置等因素的影響。對于旋轉(zhuǎn)激光-TIG電弧旁軸復(fù)合焊接方法，除了常規(guī)激光-電弧復(fù)合焊接的影響因素外，激光的焦點旋轉(zhuǎn)時不能與TIG焊槍相互干涉，即保證一定的運動空間，也是必須要考慮的。本課題組研究了旋轉(zhuǎn)雙焦點激光-TIG電弧旁軸復(fù)合焊接方法，并設(shè)計了用于兩熱源相互復(fù)合的焊接頭。該焊接頭的設(shè)計從組成上可分為2部分：旋轉(zhuǎn)雙焦點激光焊接頭和TIG電弧夾持部分。 1 旋轉(zhuǎn)雙焦點激光焊接頭 旋轉(zhuǎn)雙焦點激光焊接頭主要是在目前常規(guī)CO2激光焊接頭的基礎(chǔ)上，改變激光的聚焦方式，研究如何產(chǎn)生2個焦點并使這2個焦點按一定的規(guī)律旋轉(zhuǎn)。由于CO2氣體激光無法通過光纖傳輸，只能利用各種反射鏡進行傳輸，所以光路的柔韌性遠不及利用光纖進行傳輸?shù)姆绞健Ｒ虼私Y(jié)合該課題的研究基礎(chǔ)，要實現(xiàn)大功率CO2激光器旋轉(zhuǎn)雙焦點的焊接目的，該焊接頭的光路應(yīng)采用屋脊式反射鏡作為分光鏡、離軸拋物面鏡反射系統(tǒng)。在旋轉(zhuǎn)機構(gòu)中，直流電機為焊接頭的旋轉(zhuǎn)提供動力，通過偏心機構(gòu)使焊接頭反射鏡部分繞垂直入射的激光束旋轉(zhuǎn)，反射腔的左右2部分通過直線軸承連接在一起，由于偏心機構(gòu)的存在使得反射腔在繞主軸旋轉(zhuǎn)的同時其右半部分沿水平方向左右晃動，這樣反射腔整體繞主軸的旋轉(zhuǎn)運動與右側(cè)沿水平方向直線運動的結(jié)合使得反射腔的右半部分作近似橢圓的回轉(zhuǎn)運動，從而實現(xiàn)激光焦點的旋轉(zhuǎn)。 2 TIG電弧焊槍夾持 激光與旁軸TIG電弧復(fù)合焊接時，容易受到TIG焊槍的傾角、電弧中心與激光焦點間距以及兩熱源的高度等因素的影響，所以在設(shè)計焊槍的夾持機構(gòu)時，這些影響因素成為設(shè)計者需要考慮的關(guān)鍵所在。此外課題組還考慮到實際焊接工藝需要既能夠單獨進行激光或電弧焊接，又能夠通過調(diào)節(jié)實現(xiàn)兩熱源的復(fù)合焊接的結(jié)構(gòu)。 在對不銹鋼進行旋轉(zhuǎn)雙焦點激光-電弧復(fù)合焊接的初步試驗中發(fā)現(xiàn)，該復(fù)合裝置提高了激光利用率，擴大了激光與電弧復(fù)合的功率配比范圍，電弧受到更強的壓縮及吸引等，顯示了該裝置復(fù)合技術(shù)的優(yōu)點，為進一步試驗研究打下了基? ? 氣體保護裝置的設(shè)計 1 保護氣體射流的基本流動原理 在激光焊接中，需要保護氣體來消除光致等離子體在激光入射點處膨脹上升并屏蔽激光能量的現(xiàn)象。在TIG焊接中，保護氣體能夠直接影響電弧焊接特性，決定焊接工藝穩(wěn)定性、焊縫成形和接頭性能等。顯然，在旋轉(zhuǎn)雙焦點激光-TIG電弧復(fù)合焊接時，保護氣體對工藝過程和焊縫成形的影響更為重要，其研究具有重要的理論和工程意義。但到目前為止，對旋轉(zhuǎn)雙焦點激光-TIG旁軸復(fù)合焊的氣體保護系統(tǒng)及氣體流動模式等，幾乎還沒有專門的研究。為此，作者根據(jù)旋轉(zhuǎn)雙焦點焊接的特點，設(shè)計了激光-TIG復(fù)合焊接保護裝置，對氣體的保護模式及其流動特點進行了分析。 （1）附壁射流。在射流控制技術(shù)中，通常是利用射流的附壁效應(yīng)及其切換技術(shù)，來控制射流的方向。當(dāng)氣體射流從射流元器件的噴嘴噴出時，若噴嘴兩側(cè)的壁板對稱設(shè)置時，則可形成附于兩側(cè)壁的射流。如果側(cè)壁不對稱，哪怕是微小的不對稱，都會形成附壁于單側(cè)壁的射流[6]。 此外，射流流動可以是層流也可以是紊流或二者兼有。在焊接過程中，一般要求從焊接頭吹出的氣體是層流，盡量避免出現(xiàn)紊流，以免保護氣體中有空氣混入，造成焊縫的氧化和氮化。而保持層流或形成湍流的關(guān)鍵點是臨界雷諾數(shù)Recr[7]，具體條件如下： 當(dāng)Recr=2300時，屬于層流； 當(dāng)Re>Recr=2300時，屬于紊流。 其中，雷諾數(shù)Re=vdρ/μ，流速v=Q/A。 可見，流動狀態(tài)不僅與流速v有關(guān)，還與管徑d，流體密度ρ和流體的粘度μ有關(guān)。 （2）旋轉(zhuǎn)射流。旋轉(zhuǎn)射流是一種較為特殊的射流。從宏觀運動現(xiàn)象看其仍屬于一種軸對稱射流，而且一般也都是亞聲速射流（在氣體動力學(xué)中一般都用馬赫數(shù)的大小來劃分氣流的不同速度特性范圍，Ma=0為不可壓縮流動；Ma<1為亞聲速流動；Ma=1即為聲速流動；Ma>1稱為超聲速流動）。籠統(tǒng)而言，它是通過旋流噴嘴完成噴射的。這是因為射流本身一面旋轉(zhuǎn)，一面向周圍環(huán)境介質(zhì)中擴散前進。 噴嘴形成旋流作用的方法有3種：一種方法是采用將射流介質(zhì)通過切向?qū)胧怪谇粌?nèi)完成旋轉(zhuǎn)，同時從噴嘴口噴出；另一種方法是在噴嘴內(nèi)裝置導(dǎo)向葉片，氣流沿葉片運動被迫產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)；再一種方法是采用離心式噴嘴在其內(nèi)部設(shè)置旋流器。 2 氣體保護結(jié)構(gòu) 激光-TIG復(fù)合設(shè)計的保護氣體結(jié)構(gòu)為TIG焊槍2邊分別有1個半環(huán)形通氣道，并分別由2個小噴氣嘴連接。在保護氣體室內(nèi)壁形成4個角度不同的噴氣結(jié)構(gòu)，使保護氣體可以均勻地吹向焊接區(qū)域。氣體室內(nèi)有快速接頭連接的螺紋，這樣可以快速方便地接入保護氣體以及不同形式的噴嘴。 根據(jù)氣體射流原理可知，在噴嘴中嵌入整流裝置可以改變氣體流動狀態(tài)。在噴嘴內(nèi)部裝入固定導(dǎo)流芯，氣體通過導(dǎo)流芯切向進入噴嘴，在噴嘴內(nèi)做繞軸心的旋轉(zhuǎn)運動，最后通過噴嘴孔射向焊接區(qū)域。 假設(shè)旋轉(zhuǎn)射流沿X軸的任意橫截面的半徑r處有密流ρu，它通過微環(huán)截面2πrdr的質(zhì)量流率為2πrdr·ρu，而沿周向θ的動量流率為2πrdr·ρu·ω，于是該切向沖力繞x軸的微沖力矩或動量矩為2πrdr·ρu·ω·r。 旋轉(zhuǎn)雙焦點激光-TIG復(fù)合焊接頭氣體保護效果 本實驗室自行設(shè)計的旋轉(zhuǎn)雙焦點激光-TIG電弧焊接頭結(jié)構(gòu)。在焊接鋁合金的過程中，因為金屬在高能量熱源的作用下，焊縫附近的金屬快速熔化甚至汽化，為了減少或避免焊接缺陷的產(chǎn)生，必須對激光的輻射區(qū)域進行保護。 該氣體保護效果可以分成2部分來考慮：核心區(qū)和保護隔離層[8]。中心核心區(qū)內(nèi)的低壓高速氣流對前方介質(zhì)的吸收避免了聚焦激光接頭內(nèi)部的光學(xué)器件遭受蒸汽及金屬碎屑的損傷。保護氣流區(qū)的外環(huán)部分起保護隔離作用，它的溫度較低，相對于中心部分仍具有較大的粘滯力，因而對氣流的受熱上浮起著抑制作用，有效地提高了保護效果。每個噴嘴在噴射時都形成實心錐形，如果焊接參數(shù)(電流大? ⑵辶髁懇約芭繾熘本洞笮〉?選擇適當(dāng)，就可獲得較厚的氣流保護層，這樣保護氣流的抗外界干擾能力就會增強，保護效果更加穩(wěn)定可靠。 結(jié)論 （1）在對比國內(nèi)外焊接頭設(shè)計結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，設(shè)計了旋轉(zhuǎn)雙焦點復(fù)合焊接裝置。 （2）討論了3種不同的射流方式，并對保護氣體的流動狀態(tài)進行了對比分析。在有效控制氣體方向和流速，改善了焊接質(zhì)量的基礎(chǔ)上，設(shè)計了合理的氣體保護結(jié)構(gòu)。 （3）當(dāng)焊接參數(shù)選擇適當(dāng)時，保護裝置可以有效避免碎屑和蒸汽對激光頭的損傷，較厚的保護層也對焊接區(qū)起到了良好的保護作用。