近年來，在激光-電弧復合焊接幾何參數、激光聚焦位置及能量參數的優化與選擇、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合焊接熔滴過渡力學行為等方面的研究使激光-電弧復合焊接技術得到了很大程度的發展。但是到目前為止，對于激光-電弧復合焊接專用設備的研制與其實際應用還存在很大差距。本課題對激光-電弧復合焊接頭設計結構、氣體保護模式和特點進行了深入探討，設計出了旋轉雙焦點激光-TIG復合焊接氣體保護結構，并對氣體保護效果進行了分析。 激光-電弧復合焊接加工頭設計方案 激光以其顯著特點使得焊接技術成為先進制造技術中的一種，并在航空航天、汽車制造和造船等行業得到廣泛應用，它也是先進連接技術的重點發展方向之一。隨著鋁、鈦合金在尖端武器裝備研制和航空制造業中的廣泛應用，傳統焊接方法已不能滿足實際生產的需求。常規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-電弧旁軸復合結構 由于激光-MIG電弧復合焊接存在送絲與熔滴過渡等問題，絕大多數企業都是采用旁軸復合方式進行焊接。德國庫格勒公司生產的復合焊接頭采用反射式、直接水冷的易更換光學元件，用于加工的激光功率可超過40kW[1]；奧地利Fronius公司生產的激光-MIG復合焊接頭[2]幾何尺寸小，可以確保焊接的可達性，尤其是應用于焊接車身時。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功能，調整精度為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定位置起沿X、Y和Z方向相互調節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-電弧同軸復合結構 我國哈爾濱工業大學的陳彥賓教授采用空心鎢極的方法實現了激光與TIG電弧的同軸復合。電弧在空心鎢極的尖端產生，激光束從鎢極中心穿過環狀電弧到達工件表面，其復合原理如圖所示。同軸復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。同軸復合的焊接頭調節雖然沒有旁軸那么復雜，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]。清華大學張旭東提出圓形分布同軸對稱復合熱源的方法，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。聚焦系統將雙光束從電極兩側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的情況下實現激光與電弧同軸。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，復合焊接頭設計結構都有著自身的不足之處。在有效地改善焊接適應性，改善焊縫成形的基礎上，對旋轉雙焦點激光復合焊頭的研究有著重要的實際意義。 旋轉雙焦點激光復合焊接加工頭 激光-電弧旁軸復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。對于旋轉激光-TIG電弧旁軸復合焊接方法，除了常規激光-電弧復合焊接的影響因素外，激光的焦點旋轉時不能與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雙焦點激光-TIG電弧旁軸復合焊接方法，并設計了用于兩熱源相互復合的焊接頭。該焊接頭的設計從組成上可分為2部分：旋轉雙焦點激光焊接頭和TIG電弧夾持部分。 1 旋轉雙焦點激光焊接頭 旋轉雙焦點激光焊接頭主要是在目前常規CO2激光焊接頭的基礎上，改變激光的聚焦方式，研究如何產生2個焦點并使這2個焦點按一定的規律旋轉。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的方式。因此結合該課題的研究基礎，要實現大功率CO2激光器旋轉雙焦點的焊接目的，該焊接頭的光路應采用屋脊式反射鏡作為分光鏡、離軸拋物面鏡反射系統。在旋轉機構中，直流電機為焊接頭的旋轉提供動力，通過偏心機構使焊接頭反射鏡部分繞垂直入射的激光束旋轉，反射腔的左右2部分通過直線軸承連接在一起，由于偏心機構的存在使得反射腔在繞主軸旋轉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運動與右側沿水平方向直線運動的結合使得反射腔的右半部分作近似橢圓的回轉運動，從而實現激光焦點的旋轉。 2 TIG電弧焊槍夾持 激光與旁軸TIG電弧復合焊接時，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，所以在設計焊槍的夾持機構時，這些影響因素成為設計者需要考慮的關鍵所在。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，又能夠通過調節實現兩熱源的復合焊接的結構。 在對不銹鋼進行旋轉雙焦點激光-電弧復合焊接的初步試驗中發現，該復合裝置提高了激光利用率，擴大了激光與電弧復合的功率配比范圍，電弧受到更強的壓縮及吸引等，顯示了該裝置復合技術的優點，為進一步試驗研究打下了基? ? 氣體保護裝置的設計 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，決定焊接工藝穩定性、焊縫成形和接頭性能等。顯然，在旋轉雙焦點激光-TIG電弧復合焊接時，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，對旋轉雙焦點激光-TIG旁軸復合焊的氣體保護系統及氣體流動模式等，幾乎還沒有專門的研究。為此，作者根據旋轉雙焦點焊接的特點，設計了激光-TIG復合焊接保護裝置，對氣體的保護模式及其流動特點進行了分析。 （1）附壁射流。在射流控制技術中，通常是利用射流的附壁效應及其切換技術，來控制射流的方向。當氣體射流從射流元器件的噴嘴噴出時，若噴嘴兩側的壁板對稱設置時，則可形成附于兩側壁的射流。如果側壁不對稱，哪怕是微小的不對稱，都會形成附壁于單側壁的射流[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鍵點是臨界雷諾數Recr[7]，具體條件如下： 當Recr=2300時，屬于層流； 當Re>Recr=2300時，屬于紊流。 其中，雷諾數Re=vdρ/μ，流速v=Q/A。 可見，流動狀態不僅與流速v有關，還與管徑d，流體密度ρ和流體的粘度μ有關。 （2）旋轉射流。旋轉射流是一種較為特殊的射流。從宏觀運動現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（在氣體動力學中一般都用馬赫數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，一面向周圍環境介質中擴散前進。 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通過切向導入使之在腔內完成旋轉，同時從噴嘴口噴出；另一種方法是在噴嘴內裝置導向葉片，氣流沿葉片運動被迫產生旋轉；再一種方法是采用離心式噴嘴在其內部設置旋流器。 2 氣體保護結構 激光-TIG復合設計的保護氣體結構為TIG焊槍2邊分別有1個半環形通氣道，并分別由2個小噴氣嘴連接。在保護氣體室內壁形成4個角度不同的噴氣結構，使保護氣體可以均勻地吹向焊接區域。氣體室內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。在噴嘴內部裝入固定導流芯，氣體通過導流芯切向進入噴嘴，在噴嘴內做繞軸心的旋轉運動，最后通過噴嘴孔射向焊接區域。 假設旋轉射流沿X軸的任意橫截面的半徑r處有密流ρu，它通過微環截面2πrdr的質量流率為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。 旋轉雙焦點激光-TIG復合焊接頭氣體保護效果 本實驗室自行設計的旋轉雙焦點激光-TIG電弧焊接頭結構。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生，必須對激光的輻射區域進行保護。 該氣體保護效果可以分成2部分來考慮：核心區和保護隔離層[8]。中心核心區內的低壓高速氣流對前方介質的吸收避免了聚焦激光接頭內部的光學器件遭受蒸汽及金屬碎屑的損傷。保護氣流區的外環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(電流大? ⑵辶髁懇約芭繾熘本洞笮〉?選擇適當，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，保護效果更加穩定可靠。 結論 （1）在對比國內外焊接頭設計結構的基礎上，設計了旋轉雙焦點復合焊接裝置。 （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，改善了焊接質量的基礎上，設計了合理的氣體保護結構。 （3）當焊接參數選擇適當時，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起到了良好的保護作用。