风口已来，激光电弧复合焊在各大重要行业“乘风而上”

文/张华夏，程德志，李坤，李嫣冉，吴让大·奔腾激光（浙江）股份有限公司

近年来，激光加工技术被广泛应用到工业生产中的各个行业。众多行业在产业升级过程中选择激光加工，让激光应用有了更加广阔的空间，也有了更多的创新和探索。据《2021年中国激光产业发展报告》数据显示，2020年中国激光焊接的市场规模已达110.5亿元，随着轨道交通、工程机械、船舶制造、钢结构等应用领域转型升级需求的增加，中厚板材焊接设备的需求会越来越多，激光焊接设备的渗透率将加速提升。

激光焊接主要有激光自熔焊、激光填丝焊、激光复合焊等。其中，激光电弧复合焊是激光焊接工艺领域出现较晚的一种，这种焊接工艺尤其适用于中厚板材的焊接。一直以来，高端大功率激光电弧复合焊接设备被欧美先进制造强国所垄断。国内各大造船厂基本都引进了德国、意大利等国家的激光电弧复合焊接生产线，价格高昂，售后服务缓慢。为打破这一被动局面，作为意大利EL.EN集团控股的中意合资企业奔腾激光，积极引进大量的海内外专家和专业人才，在高功率激光焊接设备研发和应用领域不断创新进取，推出了多款激光电弧复合焊接装备，填补了我国多项产业空白。

激光电弧复合焊技术优势

激光电弧复合焊从宏观上是指将聚焦后的激光束和电弧在物理结构上进行耦合，耦合后的复合热源共同作用在材料表面，从而实现对材料的加热和熔化，随着复合热源的移动，完成焊接的过程。激光电弧复合焊可以将两种物理性质和能量传输机制不同的热源耦合在一起，充分发挥两种热源优势，弥补单一热源焊接劣势，是一种高效、优质、新型节能的焊接方式。激光电弧复合焊相比单一的激光焊或者单一的电弧焊在中厚板材焊接过程中优势尤为明显，奔腾激光20kW激光电弧复合焊接设备如图1所示。

图1 奔腾激光20kW激光电弧复合焊接机

单独采用激光焊的局限性

⑴激光束焦点直径很小，因此热作用区域小。激光焊对工件装配间隙要求高，间隙兼容度低，特别是中厚板材，实现小间隙的焊前装配比较困难。

⑵激光对高反射率、高导热系数材料的焊接比较困难，易产生裂纹、气孔等缺陷，同时熔池流动性差，焊缝成形差。

⑶激光焊接时形成的等离子体对激光的吸收和反射降低了母材对激光的吸收率，激光能量利用率低。

⑷焊缝冷却速度快，高强钢焊接时易产生淬硬组织和裂纹。

单独采用MIG/MAG电弧焊的局限性

⑴单道焊缝熔深小。

⑵厚板多层多道焊接时，电弧难以深入坡口底部，极易侧壁引弧，坡口宽度较大，焊接效率较低。

⑶焊接速度低，如果速度过大会造成电弧不稳定。

⑷焊接热输入大，热影响区大，板材变形量大。

激光电弧复合焊不但可以弥补单一热源焊接时的局限性，同时可以实现“1+1＞2”的特有效应。激光和电弧的复合实质是光致等离子体和电弧的耦合。激光电弧复合焊示意图如图2所示。

图2 激光电弧复合焊示意图

在激光焊接过程中，外加电弧后，由于电弧焊接过程中产生的高温等离子体密度较低，因而使激光焊接过程中光致等离子体被稀释，光致等离子体对激光的入射能量阻碍减小，从而增加了激光入射到材料表面的能量；在电弧焊接过程中，等离子体倾向于向电弧中心方向移动，当有激光照射在材料表面会产生大量等离子体，这些等离子体会加强电弧的方向性和稳定性，提高电弧的挺度。

当激光电弧复合焊过程中采用电弧在前、激光在后的焊接方式后，电弧会扩大热作用范围，提高焊接间隙导致的搭桥能力，降低激光焊接对装配间隙的精度要求，这在中厚板焊接中尤为重要。此外，在复合焊过程中，熔化极气体保护焊可以使焊丝填充焊缝，改变焊缝凝固后的表面形貌。选择不同化学成分的焊丝，还能调整焊缝冶金成分，改善焊缝力学性能。厚度为10mm的Q345B板材拼接焊单面焊双面成形效果如图3所示，厚度为8mm的Q960高强钢板拼接焊单面焊双面成形效果如图4所示。

图3 厚度为10mm的Q345B板材单面焊双面成形

图4 厚度为8mm的Q960高强钢板单面焊双面成形

激光电弧复合焊应用领域

奔腾激光焊接工艺研究中心通过长期试验发现，激光电弧复合焊既有单独激光焊的优势，又结合了熔化极气体保护焊的优点。聚焦后的激光束能量密度高，焊接速度快，成形焊缝窄，表面成形好，热输入量低等；熔化极气体保护电弧焊在能源转换、焊缝桥接能力、熔池凝固速度和热源耦合功率等方面有较大优势。将激光与电弧复合后，既保留了两者的焊接优势，又开拓了其复合后的应用场景。因此，激光电弧复合焊会被应用在高端产品的中厚板深熔焊接应用中。根据奔腾激光焊接工艺研究中心的行业调研结果，奔腾激光在以下典型行业可提供完整的激光电弧复合焊解决方案。

船舶制造行业

在船舶建造中，船体的焊接工时约占总建造工时的30%～40%，焊接所需成本约占船体建造所需总成本的30%～50%。其中，因为焊接热输入量而导致的焊接变形校正所需成本增长占有相当比例。早在1994年，德国Meyer造船厂就开始使用激光电弧复合焊来生产由扁钢制成的夹芯板，作为腹板用于豪华邮轮甲板的制造。近年来，美国海军将激光电弧复合焊应用于多个船体构件建造中，比较典型的包括舰船管路焊接、T形梁焊接等的应用研究。在国内，外高桥造船厂、招商重工船厂、广船国际等均引进了德国IMG公司的激光电弧复合焊接设备；渤海造船厂、沪东船厂等均建成了激光电弧复合焊接工作站，将激光电弧复合焊接技术引入到船体制造中。

汽车零部件制造

近年来随着汽车轻量化发展需求，车身结构由空间框架转向铝复合车体方向。汽车铝车身主要采用激光焊接工艺，由于激光束的焦点直径小，对装配间隙精度要求高，因此，在生产过程中存在设备成本高、工件准备工序要求严格等问题。这些问题可以通过激光电弧复合焊来解决，如大众汽车辉腾系列车型所有的车门都采用了激光电弧复合焊接工艺，德国奥迪汽车中全铝车身关键部位的焊接也采用了激光电弧复合焊。

工程机械行业

低合金高强钢具有较好的机械性能、良好的加工性能、较高的耐腐蚀性和较好的低温性能，在工程机械行业得到广泛应用。臂架是履带起重机的主要承载及作业构件，起着支撑、辅助变幅等作用，在整机安全和作业能力方面起着至关重要的作用，其材质一般采用低合金钢；汽车起重机伸缩臂也是起重机的重要部件，其材质一般采用低合金超高强钢。目前徐工、三一重工等吊臂焊接均采用激光电弧复合焊接工艺。该工艺可以稳定、高效地实现起重机吊臂主焊缝单面焊双面成形，焊缝接头拉伸性能和冲击性能满足相关工程应用标准，且该工艺对吊臂焊缝接头的间隙、错边等实际工况适应能力强，在实际的工程应用中可实现无坡口焊接，焊接速度可达1.2m/min。

轨道交通行业

铝合金材质的车体是现代轨道交通车辆的一个发展趋势。焊接作为铝合金材质车体制造的关键工艺，其焊接质量和稳定性直接影响车体的焊缝静力强度与抗疲劳强度，进而影响着车体的结构完整性和运行安全性，同时也是轨道交通车辆进一步提速的制约因素。目前，中国中车多个生产基地均引入了激光电弧复合焊设备，用于车体铝合金部件焊接。

激光电弧复合焊应用前景

根据中研普华研究院《2020-2025年中国激光电弧复合焊设备制造产业调研报告》，2020年激光电弧复合焊设备制造行业发展现状及市场前景趋势规模分析显示：随着“中国制造2025”行动纲领和“一带一路”战略的深入实施，制造业对自动化、智能化生产模式的需求日益增长，激光技术是现代高端制造前沿技术，在产业转型升级过程中将扮演重要角色，激光加工应用也从一开始的食品、纺织、电子等轻工业领域拓展至汽车、船舶、航天、航空、轨道交通、高铁、钢结构等重工业领域。奔腾激光积极布局高功率激光应用领域，针对高功率切割、焊接、清洗做了全面的工艺和技术革新部署，以新光源引领新应用，用智能制造推动激光应用市场，通过激光智能高端装备的量产形成规模应用市场，以不断进取的态度积极践行“做激光应用专家，为客户创造价值”的奔腾激光核心价值观，使得奔腾激光成为全球高功率激光应用领导品牌。