激光混合焊接工艺

　　近期，德国弗劳恩霍夫激光技术研究所为DVS 研究项目 “KoaxHybrid”开发了一种新的混合焊接工艺。在亚琛，该研究所的工程师们开发了一种全新的光学系统，该系统采用玻璃基板和电弧炬，将气体保护金属电弧(GMA) 焊接和激光材料沉积与环形光束结合在一起，从而创造了一种全新的工艺。

　　新工艺结合了两个方面的优点：两种不同的添加工艺和线状填充材料，即线弧增材制造（WAAM）和线激光材料沉积（WLMD）。这两种工艺都有与系统相关的优点和缺点：与 WAAM 相比，WLMD 成本高，沉积速率低，但特点是热量输入低且可以精确地在所需位置形成层。因此，航空航天行业对这种技术的需求特别大。如果需要更高的加工速率，WAAM 是更好的选择。因此，该技术实现的表面为波浪形状，层堆积明显更粗糙。

　　在连接中，激光束焊接和气体金属弧焊的组合被命名为 LB-GMA 混合焊接。然而，这种横向过程取决于方向，仅在有限范围内适用于三维接缝的连接。当这些工艺同轴组合时，沉积速率可增加高达150%，因此新的方向无关3D 打印工艺也可用于大型部件。“由于表面波纹度降低，与WAAM 工艺相比，所需的后处理量显著减少。”Fraunhofer ILT 研究员Max Fabian Steiner 解释道。

　　组合工艺确保协同效应

　　线弧增材制造是一个成熟而稳健的过程，因为不仅可以廉价地获得必要的系统技术，而且适用于大多数金属材料加工。Steiner 解释了其缺点：“然而电弧不能像激光束那样精确地聚焦。也不能像激光一样产生精细和精确的轨迹。”

　　Steiner 和他在研究所的同事Jana Kelbassa 开发并建造了一种特殊的水冷光学系统，该系统采用玻璃基板和水冷电弧焊炬，用于高功率焊接和增材制造。在新的光学系统中，两个能量源被叠加，并且两个单独过程的强度被有利地结合。

　　在混合工艺中，导线末端和基板之间的电弧被环形激光辐射包围，就像被套环包围一样。弧线不能脱离该项圈，而是被强制引导。这一新工艺的名称“COLLAR Hybrid”源于这一 “强制引导”，其中的首字母缩写“COLLAR”指的是两种工艺的共轴激光弧。

　　当Fraunhofer ILT 使用新的系统技术进一步开发具有环形激光束和电弧技术的金属3D 打印时，亚琛工业大学焊接与连接研究所正在使用它开发具有环形聚焦和同轴送丝的方向独立混合焊接。这两个用例都是DVS 研究项目“KoaxHybrid” 的一部分。

　　适用于非线性连接

　　但不仅仅是更高的焊接速度。根据初步测试，与电弧焊接相比，焊接速度提高了约100%，这使得新的混合工艺与众不同。“当涉及到不仅仅是线性焊缝时就变得困难了，”Steiner 说，“在每一个拐角或曲线处，传统的设置都必须旋转，这会导致在规划路径时花费大量精力。”

　　“另一种方法是套环工艺，其光学器件可以实现任何方向的焊接。此外，这种方法还能有另一个积极的效果：由于电弧的引导，在连接处就不需要太复杂的焊前准备，同时还能满足厚板焊接。”

　　电弧和激光共享工作

　　如果需要非常精细和粗糙的结构，可以改变工艺的比例。通过纯激光或大部分激光工艺（电弧完全或低功率关闭），可以沉积具有挑战性的区域和精细结构。在大多数电弧工艺中，较粗的结构例如具有大沉积速率的区域，可以以更快、更具成本效益和更低的能量输入进行沉积。

　　类似的构建策略也适用于铝或铜等材料，否则通常需要更昂贵的蓝光或绿光激光源。“例如，使用电弧分解氧化铝层，其熔化温度为2200° C，”Steiner 在一次成功的实验中报告， “但下面的铝层只有660° C 的熔化温度，可以用较低的综合功率进行焊接或加工。”

　　DVS 焊接和相关工艺研究协会的IGF 项目“用于联合焊接和增材制造的环形焦点和同轴送丝的独立激光-MSG 混合焊接-KoaxHybrid”，是由AiF 德国工业研究联合会资助联邦经济事务和气候行动部促进集体工业研究(IGF) 计划框架内的协会项目。