激光电弧复合焊接专利技术探讨

激光电弧复合焊接专利技术探讨

摘要:激光-电弧复合焊是一种结合激光焊和电弧焊两种工艺的一种新型焊接方法。本文从专利文献的视角对激光-电弧复合焊技术的发展进行了研究,分析了激光-电弧复合焊的专利申请发展趋势及技术分支。

激光焊接具有高质量、高精度、低热输入及良好的柔韧性等优点,但成本高昂,且难以焊接高反射或高导热金属,接头间隙公差要求相对高,深熔焊中易形成气孔等缺陷,电弧焊接广泛用于各种材料连接,便宜易操作,焊接过程稳定,但速度慢,精度低,激光电弧复合焊接可以利用激光和电弧两个特性,来补偿激光焊接和电弧焊接的缺点,激光电弧复合焊接的原理如图1所示,在电弧作用下,可以提高工件对激光的吸收率,使激光能量传输效率提高,增加焊接熔深。激光电弧复合焊接综合了激光焊接的高精度、高效率、低热输入和电弧焊接良好的桥连性,具有“1+1>2”的增殖效果,是一种潜力巨大的焊接方法,成为近年来焊接领域的一个研究热点。

1.激光电弧复合焊接专利发展趋势分析

全球的激光电弧复合焊接技术最早出现在1976年,其后20多年里呈缓慢增长趋势,其中日本申请量最多,主要申请人为株式会社大亨、三菱重工业株式会社、松下电器产业株式会社、新日本制铁株式会社。进入21世纪以来,全球专利申请量呈快速攀升趋势,2000-2004年第一次出现发展高潮。2008年之后,在全面推进国家知识产权战略的大好环境下,中国专利申请量出现了迅猛发展,且占全球申请总量的比重越来越重,而此时也迎来了全球的激光电弧复合技术的第二次发展高潮,且在2013年左右,中国和全球专利申请量都达到了年申请量的最大值。中国的早期申请都是国外来华申请,之后高校申请和研究院申请开始缓慢增加,其中高校的专利申请量比重最大,其次是公司申请,而公司申请量直到2011年开始才有了大幅上涨,并在2013年达到最大申请量,这从侧面也反映出中国的激光电弧复合焊接技术是在近几年内才开始进入工业化应用阶段,前期主要还是以理论研究为主。高校申请中,以哈尔滨工业大学的申请量最多,其次是大连理工大学、北京工业大学和华中科技大学;公司申请中,主要有鞍山煜宸科技有限公司、中国石油天然气集团公司、中国石油天然气管道局;研究院申请中以机械科学研究院哈尔滨焊接研究所的申请量最多。而国外来华申请的数量都比较少。专利申请以发明专利申请为主,一方面是由于激光电弧复合焊接技术主要涉及焊接方法,另一方面也体现了激光电弧复合焊接技术能达到一定的发明高度,具备突出的实质性特点和显著的进步。激光电弧复合焊接技术的发明专利申请在2008年之前的授权率比较高,2008年之后授权率有所下降,但总授权率在50%左右。

2.激光电弧复合焊接专利技术分支

激光电弧复合焊接技术涉及的内容比较多而且杂,主要涉及以下四个技术分支:(1)涉及电弧类型(如激光-MIG复合焊、激光-TIG复合等);(2)涉及工件性质(如工件的材质、厚度等);(3)涉及焊接参数(如激光与电弧的相对位置,激光和电弧的参数等);(4)焊接装置(如焊枪的结构等)。下面将对上述四个技术分支进行详细分析。

2.1电弧类型

激光电弧复合焊接根据电弧类型的不同,主要有:

2.1.1激光-TIG复合焊

激光-TIG复合焊特点是利用电弧增强激光作用,可增加熔深,改善焊缝成形,其焊接速是激光焊的几倍以上,主要用于薄板高速焊。其中检索到的最早的是日本工业技术院于1977年提出的一种激光-TIG复合焊接方法(JP12105877A),在焊接操作中,基材相对于设备移动,使得激光跟随TIG电极之后并撞击到由TIG电极熔化的熔池中,由于减少的激光反射,这导致熔池对激光能量的大量吸收,导致在基材中的深的金属化渗透;国内的有北京工业大学提出的一种中厚航天高强铝合金板的激光-TIG电弧复合焊接工艺(CN200910093745),其通过对TIG电弧的钨极尖端与激光束之间的位置角度进行调节,显著提高了焊接速度,减少了航天高强铝合金焊接接头的冶金性损伤;哈尔滨工业大学提出的一种采用双TIG焊枪的激光填丝焊的熔丝方法(CN201210528229),解决了现有激光填丝焊过程中存在焊丝对精度要求高、焊接接头变形量大和焊缝力学性能差的问题。

2.1.2激光-MIG复合焊

激光-MIG复合焊能够调整焊缝金属成分,消除焊缝凹陷,常用于焊接中厚板。专利JP33889999A提供一种激光电弧焊设备和方法以及激光电弧涂覆方法,激光束照射到焊丝的尖端上以熔化焊丝,并且产生激光等离子体,同时通过在焊丝和基材之间施加由电弧电源给出的电压而产生的电弧等离子体被引入基材,利用填焊丝的优势改善焊缝的冶金性能和微观组织结构。

2.1.3激光-等离子复合焊

激光-等离子复合焊能够解决激光电弧复合焊接时起弧电弧稳定性差、电弧的方向性和刚性不理想带来的问题。如专利JP2009016061A提出了一种低温用钢板的焊接方法,先执行等离子MIG焊接以形成焊珠的第一层,然后,使激光束至少以用于熔合凹槽侧面的宽度和用于熔合没有间隙的凹槽侧面的频率摆动照射,执行等离子MIG焊接以在第一层上形成第二层,确保了具有小变形的深熔透。激光与等离子复合一般采用同轴复合方式。另外,还有一些特殊类型的激光电弧复合焊,如哈尔滨工业大学提出的一种激光-InFocus电弧双焦点复合焊接方法(CN201510446254),江苏科技大学提出的一种激光-冷金属过渡电弧复合热源焊接方法(CN201410818119),弗罗纽斯国际有限公司提出的一种至少组合有两个不同焊接工艺的焊接单元和焊接方法(US20060583060A),利用电弧焊丝的前后运动执行冷金属过渡焊接工艺。

2.2工件性质激光电弧复合焊

接技术具有较单独激光和单独电弧焊接相加之和更为优异的效果,因此更适于一些特殊工件的焊接。根据工件的性质的不同,可涉及下面几方面:

2.2.1工件材料

常见的采用激光电弧复合焊接的工件材料有铝合金、钛合金、不锈钢等,特别是铝合金,在对铝合金焊接时,传统电弧焊接接头的热影响区较宽,而在激光焊接时,由于铝合金对激光的反射率高达90%以上,激光功率利用率极低,激光电弧复合焊接就可以有效解决上述问题,如专利CN201410128715提出了一种消除铝合金激光焊接气孔的方法,通过采用电弧和两束激光使焊缝同时受到三个热源的共同作用,JP2012252948A通过算术处理,使得激光输出、第一焊丝的进给速度和第二焊丝的进给速度与焊接速度成比例。另外,在高强及超高强钢的焊接中,激光电弧复合焊接技术也发挥着优势,特别是针对厚板高强及超高强钢,采用常规的电弧焊接,需要进行多层多道焊,抑制了厚板拼焊效率的提高。沈阳新松机器人自动化股份有限公司提出的一种用于厚板高强或超高强钢拼焊的激光-MAG复合焊接方法(CN201210039761),在满足焊接接头性能的基础上焊接效率得到了提高。此外,激光电弧复合焊接技术还能应用于异种材料,比如钢-铝合金复合结构,涉及异种材料的激光电弧复合焊接技术的专利有US201113225845A,CN201310384279等。

2.2.2工件厚度

根据工件厚度,可分为薄板、中厚板和厚板。对于薄板的焊接,存在的主要问题之一就是焊接接头变形量大,焊缝容易产生咬边。而对于中厚板以及厚板,存在的问题是需要开坡口,以及需要多层多道焊,从而造成焊接效率低下。而采用激光电弧复合焊接时,由于激光对电弧的作用,使母材温度升高,母材对激光的吸收率提高,焊接熔深可以提高,因而在各种厚度的工件焊接中发挥着极大的优势。其中涉及薄板焊接的专利有JP2001037340A,CN200810222138等,涉及中厚板焊接的专利有CN201110151307,CN201510649015等,涉及厚板焊接的专利有JP2001283856A,EP12182827A等。

2.2.3工件接头

主要涉及的是T型接头的焊接,T型结构件是一种由肋板与壁板相互结合形成的典型结构件,由于肋板对于壁板具有良好的支撑与加强作用,进而能够显著提高减重效果和综合使用性能,因此T型结构件在飞机、船舶等大型运输装备制造领域得到广泛应用。其焊接要求是既要减小焊接变形,实现肋板与壁板之间的优质高效焊接,又要不熔透薄壁板,尽可能减少对于壁板热损伤。对于涉及T型接头的激光电弧复合焊接专利有JP2009089033A、KR20130130473A等。

2.3焊接参数

在焊接领域中,激光功率、焊接速度、送丝速度、电弧电压、激光与电弧的位置关系等都会影响最终的焊接质量。经过检索发现,激光与电弧的相对位置不同会影响焊缝的成形质量。根据激光与电弧的相对位置不同可分为同轴复合和旁轴复合,其中,激光与电弧的旁轴复合根据不同情况又可分为激光在电弧前和激光在电弧后两种,如专利CN200810223741提出了一种高强或超高强钢激光-电弧复合热源焊接方法,采用了电弧在后、激光在前的复合形式,通过控制光丝间距、电弧焊枪角度,使得熔池金属的凝固速度降低、晶粒细化,从而降低了高强或超高强钢焊接过程中的冷裂纹敏感性,专利CN201410210871公开了一种改善光纤激光-MIG复合焊接背面成形的方法,其采用了MIG焊接点在前,激光焊接点在后的焊接方法,既能保证复合焊接单面焊透时的背面成形效果,又能保证MIG焊接的稳定性。

2.4焊接装置

激光与电弧的位置关系可分为同轴复合和旁轴复合,激光电弧复合焊接的装置也可以根据上述两种复合方式来分类:对于同轴复合的焊接方法,其装置主要涉及有电极包围单激光束,以及通过光学元件分离激光束,实现多激光束包围单电弧的装置,涉及的专利有WO2001JP02738,JP2005191994A等。对于旁轴复合的焊接方式,主要涉及激光部分与电弧焊枪部分的结合,如何实现两种角度、位置等多自由度的调节,涉及的专利有CN201310312861、CN201310200192等。另外,考虑到焊接过程中需要保护气体,也有部分专利涉及保护气体装置的设置,涉及的专利有CN200910210194,CN201510544430等。

3.结语

本文介绍了激光电弧复合焊接技术在全球的专利申请情况,对激光电弧复合焊接的技术分支进行了详细的分析,从而使得相关技术人员可以了解到激光电弧复合焊接技术的发展路线,从而更好地把握该领域的技术实质,为做出更好的创新发明打下基础。

作者:顾艳君 王妍 单位:国家知识产权局专利局专利审查协作江苏中心