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(jī)理、保護(hù)氣體對(duì)接頭性能的影響、坡口形貌對(duì)焊接工藝的影響、熔池的流動(dòng)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(duì)于激光-電弧復(fù)合焊接專用設(shè)備的研制與其實(shí)際應(yīng)用還存在很大差距。本課題對(duì)激光-電弧復(fù)合焊接頭設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)、氣體保護(hù)模式和特點(diǎn)進(jìn)行了深入探討，設(shè)計(jì)出了旋轉(zhuǎn)雙焦點(diǎn)激光-TIG復(fù)合焊接氣體保護(hù)結(jié)構(gòu)，并對(duì)氣體保護(hù)效果進(jìn)行了分析。 激光-電弧復(fù)合焊接加工頭設(shè)計(jì)方案 激光以其顯著特點(diǎn)使得焊接技術(shù)成為先進(jìn)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(jìn)連接技術(shù)的重點(diǎn)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(shí)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(shí)現(xiàn)大熔深和厚板材的焊接。所以通過新型焊接頭及保護(hù)裝置的研制，使激光更適應(yīng)鋁、鈦合金的焊接，對(duì)于提高一個(gè)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(jìn)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(dá)性，尤其是應(yīng)用于焊接車身時(shí)。此外該接頭還具有良好的可拆卸性，便于安裝到機(jī)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(hù)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(shí)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(dá)工件表面，其復(fù)合原理如圖所示。同軸復(fù)合時(shí)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(jí)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?，影响焊接过程的稳定性憾d阜煨巫碵4]。清華大學(xué)張旭東提出圓形分布同軸對(duì)稱復(fù)合熱源的方法，采用分光鏡將入射激光分為2束對(duì)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(duì)稱地聚焦在焊絲送進(jìn)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(shí)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(duì)稱軸與電弧軸線很難實(shí)現(xiàn)重合，焊絲的送給對(duì)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(jì)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(duì)旋轉(zhuǎn)雙焦點(diǎn)激光復(fù)合焊頭的研究有著重要的實(shí)際意義。 旋轉(zhuǎn)雙焦點(diǎn)激光復(fù)合焊接加工頭 激光-電弧旁軸復(fù)合焊接時(shí)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(duì)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(diǎn)旋轉(zhuǎn)時(shí)不能與TIG焊槍相互干涉，即保證一定的運(yùn)動(dòng)空間，也是必須要考慮的。本課題組研究了旋轉(zhuǎn)雙焦點(diǎn)激光-TIG電弧旁軸復(fù)合焊接方法，并設(shè)計(jì)了用于兩熱源相互復(fù)合的焊接頭。該焊接頭的設(shè)計(jì)從組成上可分為2部分：旋轉(zhuǎn)雙焦點(diǎn)激光焊接頭和TIG電弧夾持部分。 1 旋轉(zhuǎn)雙焦點(diǎn)激光焊接頭 旋轉(zhuǎn)雙焦點(diǎn)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(gè)焦點(diǎn)并使這2個(gè)焦點(diǎn)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(jìn)行傳輸，所以光路的柔韌性遠(yuǎn)不及利用光纖進(jìn)行傳輸?shù)姆绞健Ｒ虼私Y(jié)合該課題的研究基礎(chǔ)，要實(shí)現(xiàn)大功率CO2激光器旋轉(zhuǎn)雙焦點(diǎn)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(jī)構(gòu)中，直流電機(jī)為焊接頭的旋轉(zhuǎn)提供動(dòng)力，通過偏心機(jī)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(jī)構(gòu)的存在使得反射腔在繞主軸旋轉(zhuǎn)的同時(shí)其右半部分沿水平方向左右晃動(dòng)，這樣反射腔整體繞主軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)與右側(cè)沿水平方向直線運(yùn)動(dòng)的結(jié)合使得反射腔的右半部分作近似橢圓的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)激光焦點(diǎn)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(shí)，容易受到TIG焊槍的傾角、電弧中心與激光焦點(diǎn)間距以及兩熱源的高度等因素的影響，所以在設(shè)計(jì)焊槍的夾持機(jī)構(gòu)時(shí)，這些影響因素成為設(shè)計(jì)者需要考慮的關(guān)鍵所在。此外課題組還考慮到實(shí)際焊接工藝需要既能夠單獨(dú)進(jìn)行激光或電弧焊接，又能夠通過調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)兩熱源的復(fù)合焊接的結(jié)構(gòu)。 在對(duì)不銹鋼進(jìn)行旋轉(zhuǎn)雙焦點(diǎn)激光-電弧復(fù)合焊接的初步試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，該復(fù)合裝置提高了激光利用率，擴(kuò)大了激光與電弧復(fù)合的功率配比范圍，電弧受到更強(qiáng)的壓縮及吸引等，顯示了該裝置復(fù)合技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，為進(jìn)一步試驗(yàn)研究打下了基? ? 氣體保護(hù)裝置的設(shè)計(jì) 1 保護(hù)氣體射流的基本流動(dòng)原理 在激光焊接中，需要保護(hù)氣體來消除光致等離子體在激光入射點(diǎn)處膨脹上升并屏蔽激光能量的現(xiàn)象。在TIG焊接中，保護(hù)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(diǎn)激光-TIG電弧復(fù)合焊接時(shí)，保護(hù)氣體對(duì)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(duì)旋轉(zhuǎn)雙焦點(diǎn)激光-TIG旁軸復(fù)合焊的氣體保護(hù)系統(tǒng)及氣體流動(dòng)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(diǎn)焊接的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了激光-TIG復(fù)合焊接保護(hù)裝置，對(duì)氣體的保護(hù)模式及其流動(dòng)特點(diǎn)進(jìn)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(shí)，若噴嘴兩側(cè)的壁板對(duì)稱設(shè)置時(shí)，則可形成附于兩側(cè)壁的射流。如果側(cè)壁不對(duì)稱，哪怕是微小的不對(duì)稱，都會(huì)形成附壁于單側(cè)壁的射流[6]。 此外，射流流動(dòng)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(hù)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(diǎn)是臨界雷諾數(shù)Recr[7]，具體條件如下： 當(dāng)Recr=2300時(shí)，屬于層流； 當(dāng)Re>Recr=2300時(shí)，屬于紊流。 其中，雷諾數(shù)Re=vdρ/μ，流速v=Q/A。 可見，流動(dòng)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(yùn)動(dòng)現(xiàn)象看其仍屬于一種軸對(duì)稱射流，而且一般也都是亞聲速射流（在氣體動(dòng)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(dòng)；Ma<1為亞聲速流動(dòng)；Ma=1即為聲速流動(dòng)；Ma>1稱為超聲速流動(dòng)）?；\統(tǒng)而言，它是通過旋流噴嘴完成噴射的。這是因?yàn)樯淞鞅旧硪幻嫘D(zhuǎn)，一面向周圍環(huán)境介質(zhì)中擴(kuò)散前進(jìn)。 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(shí)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(yùn)動(dòng)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(hù)結(jié)構(gòu) 激光-TIG復(fù)合設(shè)計(jì)的保護(hù)氣體結(jié)構(gòu)為TIG焊槍2邊分別有1個(gè)半環(huán)形通氣道，并分別由2個(gè)小噴氣嘴連接。在保護(hù)氣體室內(nèi)壁形成4個(gè)角度不同的噴氣結(jié)構(gòu)，使保護(hù)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(hù)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(dòng)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(jìn)入噴嘴，在噴嘴內(nèi)做繞軸心的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，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(dòng)量流率為2πrdr·ρu·ω，于是該切向沖力繞x軸的微沖力矩或動(dòng)量矩為2πrdr·ρu·ω·r。 旋轉(zhuǎn)雙焦點(diǎn)激光-TIG復(fù)合焊接頭氣體保護(hù)效果 本實(shí)驗(yàn)室自行設(shè)計(jì)的旋轉(zhuǎn)雙焦點(diǎn)激光-TIG電弧焊接頭結(jié)構(gòu)。在焊接鋁合金的過程中，因?yàn)榻饘僭诟吣芰繜嵩吹淖饔孟?，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(duì)激光的輻射區(qū)域進(jìn)行保護(hù)。 該氣體保護(hù)效果可以分成2部分來考慮：核心區(qū)和保護(hù)隔離層[8]。中心核心區(qū)內(nèi)的低壓高速氣流對(duì)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(hù)氣流區(qū)的外環(huán)部分起保護(hù)隔離作用，它的溫度較低，相對(duì)于中心部分仍具有較大的粘滯力，因而對(duì)氣流的受熱上浮起著抑制作用，有效地提高了保護(hù)效果。每個(gè)噴嘴在噴射時(shí)都形成實(shí)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(hù)層，這樣保護(hù)氣流的抗外界干擾能力就會(huì)增強(qiáng)，保護(hù)效果更加穩(wěn)定可靠。 結(jié)論 （1）在對(duì)比國內(nèi)外焊接頭設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了旋轉(zhuǎn)雙焦點(diǎn)復(fù)合焊接裝置。 （2）討論了3種不同的射流方式，并對(duì)保護(hù)氣體的流動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行了對(duì)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(jì)了合理的氣體保護(hù)結(jié)構(gòu)。 （3）當(dāng)焊接參數(shù)選擇適當(dāng)時(shí)，保護(hù)裝置可以有效避免碎屑和蒸汽對(duì)激光頭的損傷，較厚的保護(hù)層也對(duì)焊接區(qū)起到了良好的保護(hù)作用。