激光电弧复合焊接技术在充气柜生产上的应用及研究

王翔解永强

(珠海许继电气有限公司，广东珠海519000)

摘要:激光焊接作为一种高质量、高效率的焊接方法近年来得到了广泛的应用。机器人作为自动化技术与先进制造技术的典型代表和主要技术手段，在自动化焊接中发挥着重要的作用。柜式气体绝缘开关设备（CubicleGasInsulatedSwitchgear，简称C-GIS，我国俗称充气柜），是近十几年来新发展起来的高新技术系列产品，逐渐成为金属封闭开关设备的一个重要品种。充气柜箱体的焊接是影响产品质量和生产效率的关键工序，焊接既要保证箱体的强度和精度，又要保证气密性。国内一般采用的是氩弧焊或气体保护焊，热量输入大，焊接速度慢，由于不锈钢板传热很快，总存在焊接变形。焊接变形的存在装配调试产生不利的影响，焊接的气密性也得不到有效保证。本文中介绍的是利用激光密封焊和电弧焊复合焊接解决充气柜箱件生产精度低、气密性差、浪费人力等问题。随着充气柜行业对节能、安全、环保降耗的需求越来越高，利用激光电弧复合焊接技术对充气柜箱生产将得到更加广泛的应用。

关键词:激光电弧复合焊接技术、充气柜、质量控制、生产措施

一、充气柜简介及其常用的焊接技术概述

柜式气体绝缘开关设备（CubicleGasInsulatedSwitchgear，简称C-GIS，我国俗称充气柜），是近十几年来新发展起来的高新技术系列产品，逐渐成为金属封闭开关设备的一个重要品种。其突出特点是安全、可靠性高，免维护、尺寸小，可用在恶劣环境和对空间要求苛刻的场所。

充气柜属于高科技产品，往往要求现代化的加工设备、加工工艺和质量控制工艺等。漏气率一直是各生产厂家和用户关注的焦点，充气柜年泄漏率指标都在1%/年以下。气密性制造工艺是影响充气柜产品的质量最重要的方面，国内产品与国外产品的差距也主要体现在制造工艺上。充气柜的密封工艺方式有焊接密封、密封圈密封及金属波纹管密封等。其中，充气柜箱体的焊接是影响产品质量和生产效率的关键工序，焊接既要保证箱体的强度和尺寸精度，又要保证气密性。密封焊接，要保证焊缝的气密性，一般普通焊接设备和焊接技术是达不到要求的，通常使用氩弧焊或激光焊接设备进行焊接，以保证焊接质量。

二、充气柜生产中焊接工艺发展简介

充气柜十几年的发展其中焊接工艺技术经历了大致以下三个阶段：

第一代充气柜箱体的焊接方法：采用手工TIG焊接。其优点是设备投入成本低，其缺点是必须手工作业劳动强度高，密封性无法保障，气密性检查后经常有很多漏点需要人工补焊，生产效率非常低等。

第二代充气柜箱体的焊接方法：采用机器人MIG焊接或TIG自熔。其优点是生产效率和焊后质量在第一代基础上有明显的提升，其缺点或不足是密封性只能达到70%合格，也需要手工补焊，焊接位置表面凸起不一需要打磨，焊缝周边有焊接飞溅粘在箱体表面非常难处理;另外焊后箱体变形大，导致尺寸合格率下降。目前国内绝大部分充气柜厂商采用这种方式焊接。

第三代充气柜箱体的焊接方法:采用激光焊接。激光焊接作为一种高质量、高精度、低变形、高效率和高速度的焊接方法，日益受到人们的关注，在航空、航天、汽车、家电及电子信息产业中获得了广泛的应用。国内外一些充气柜生产公司大规模生产多采用更为先进的激光焊接方式。激光焊接效率高，变形小，降低了人为因素造成的缺陷，适合规模化生产，生产合格率可达到99.5%，生产效率可以第二代基础上提升4倍。其缺点是激光焊接对箱体的结构形式、不锈钢板的下料精度、焊接夹具设计提出了更高的要求，设计加工投入成本高。

为了消除或减少激光焊接的缺陷,更好地应用这一优秀的焊接方法,提出了一些用其它热源与激光进行复合焊接的工艺,主要有激光与电弧、激光与等离子弧、激光与感应热源复合焊接、双激光束焊接以及多光束激光焊接等。此外还提出了各种辅助工艺措施，如激光填丝焊(可细分为冷丝焊和热丝焊)、外加磁场辅助增强激光焊、保护气控制熔池深度激光焊、激光辅助搅拌摩擦焊等。

三、激光电弧复合焊接技术介绍及生产中的应用

1.激光电弧复合焊接技术介绍

激光电弧复合焊将激光焊和电弧焊两种工艺相结合，取长补短发挥各自优势，不仅能获得好的焊接质量和生产效益，而且还能降低成本，实现高效、优质的焊接。

激光电弧复合焊接的原理如图1所示，激光与电弧同时作用于金属表而同一位置，焊缝上方因激光作用而产生光致等离子体云，等离子云对入射激光的吸收和散射会降低激光能量利用率，外加电弧后，低温低密度的电弧等离子体使激光致等离子体被稀释，激光能量传输效率提高；同时电弧对母材进行加热，使母材温度升高，母材对激光的吸收率提高，焊接熔深增加。另外，激光熔化金属，为电弧提供自由电子，降低了电弧通道的电阻，电弧的能量利用率也提高，从而使总的能量利用率提高，熔深进一步增加。激光束对电弧还有聚焦、引导作用，使焊接过程中的电弧更加稳定。

2.激光电弧复合焊接技术特点：

单独激光热源的作用区域小，复合焊中电弧的参与，扩大了热作用范围，熔化金属增多，桥接能力增强，降低了对焊件接口的装配要求。同时电弧大的热作用范围、热影响区扩大，温度梯度减小，冷却速度降低，熔池凝固过程变得缓慢，焊接铝合金等金属时可减少或消除气孔和裂纹的生成。

电弧焊接容易使用焊兹填充焊缝，采用激光电弧复合焊接的方法进一步扩大拼缝间隙的宽容度、减少或消除焊接后接口部位的凹陷，改善焊缝形貌;此外，通过选择不同的焊丝，还可调整焊缝的化学成分，改善力学性能。

3.激光电弧复合焊接技术在充气柜生产中应用案例：

1)激光电弧复合焊接工作站的组成

工作站主要包括机器人、MIG焊接电源、MIG焊枪、激光器、激光焊接头、水冷机、变位机及定位夹具、半自动物流移载装置、激光跟踪器、清枪器、屏蔽房、抽风除尘器、系统集成控制柜、人机交互系统等组成。

工作站采用地装式机器人和双工位单轴变位机“H”型布局形式，通过人工装卸件与机器人自动焊接交替循环作业。变位机实现充气柜焊缝处于水平有利的焊接位置，以实现高效稳定的焊接效果。

2)激光电弧复合焊接工作模式

有五种焊接模式可选：

(1)MIG焊

(2)激光焊自熔（不填丝）

(3)激光焊冷送丝

(4)激光焊热送丝

(5)激光MIG复合焊

3)激光电弧复合焊接工艺及保证措施:

（1）激光切割下料：充气柜箱体材料为厚度3mm的不锈钢板材。为满足激光焊接对焊缝间隙需小于0.1mm的要求，板材边缘需要光滑、无倒角、无毛刺。因此必须采用激光切割下料的方式，这是激光焊接充气柜的前提条件。

（2）点焊拼接柜体：充气柜箱体在激光焊接之前，必须用氩弧点焊的方式把各个不锈钢侧板拼接起来，然后再用激光焊保证气密性和焊接强度。

（3）焊接模式：该案例中充气柜箱体结构如图2所示，主要焊缝为平板包覆R角折弯外直角边的结构，而且焊缝要求密封，因此焊缝熔敷量较大，熔深要求比较深。如果单纯采用MIG焊，电弧发散，热量不集中，则电弧熔深不能很好到达焊缝根部尖角位置，焊缝根部熔合不良会有泄漏的隐患。如果单纯采用激光填丝焊接，激光焦点热量过于集中，容易造成薄板烧穿，焊丝填充效率及焊缝成型效果也难以满足焊缝较大的熔敷量要求。因此，为了兼顾焊缝熔敷量及熔深两方面的要求，使用激光MIG复合焊接。

（4）焊缝精度控制：该充气柜箱体焊缝比较长，难免存在波浪形弯曲的情况，因此配置激光跟踪器进行焊缝跟踪。板厚2-3mm不锈钢刚性较大，组对间隙较难得到很好保证。如果将来用一组焊接参数很难兼顾焊缝熔敷量及熔深两方面要求时，使用激光寻位器，其功能是用于检测焊缝间隙及焊缝中心位置，并根据焊缝间隙所在的尺寸区间调用不同的焊接参数，以适应组对间隙不一致的情况。

（5）焊接变形控制：连续焊完四条边一周必然会导致充气柜严重变形，因此需分为若干段进行焊接，通过安排合理的焊接顺序来减小焊接变形；适当加大激光功率在总焊接能量中的占比，减少焊缝单位长度上的热输入量。

（6）气密性保证措施：分段焊接的搭接位置是气密泄漏的隐患点，需要用单纯激光焊（无填丝）重熔消除缺陷。

四、激光电弧复合焊接质量的检验

1.充气柜整体漏率检查：

焊后气密性检测，使用真空箱氦质谱检漏回收设备检查充气柜箱体的整体漏率检查。被检充气柜放置到真空箱内，给充气柜充入一定压强的氮气或干燥、洁净的压缩空气，作耐压测试，通过保压判断压降确定是否有大漏；然后，对被检充气柜抽空后充入一定压强的氦气，真空箱与检漏仪的检漏口相接，若被检充气柜有泄漏，则漏入真空箱的氦气可通过检漏仪测出，根据工艺要求，当氦分子量达到设定值时，系统将判定该充气柜泄漏，反之合格。与被检充气柜相连的是充气回收装置，在检漏前后分别实现氦气的充注和回收。

2.充气柜确定漏点的检查：

确定具体泄漏点位置，需要将不合格充气柜移出真空箱氦质谱检漏回收设备后，使用吸枪式氦质谱检漏仪确定其具体泄漏点，并做好标记。漏点进行补焊处理后，需要再次检漏确定是否合格。

五、采用激光电弧复合焊接充气柜的发展趋势

近些年以来,随着激光焊接在工业自动化生产中的应用日益广泛,激光焊接工艺的局限性也日益突出,如焊接热有效利用率低,对焊缝间隙及焊缝跟踪精度的要求较高,至此,激光电弧复合热源的研究才呈现出高潮。

国内外的研究机构相继开发出多种复合热源焊接新技术。多家研究机构,已经大力开展复合热源焊接的应用基础研究工作，从对外公布的研究内容来看,工作重点主要集中在专用设备研制、焊接工艺研究和接头性能测试与质量评估上。

尽管激光电弧复合焊作为一项应用技术还处于其初始阶段，但是它已经在很多工业领域显示出强大的优势。无论是在经济性，还是实用性方面具有突出的优势。具有较高的焊接速度，降低了零件的应力变形；焊前零件装配间隙的要求降低，使该项技术的实用性大大提高。目前激光电弧复合焊系统正向集成化、轻型化、智能化发展，将广泛应用于工业生产中。

六、结束语

我国城市电网建设和改造、轨道交通以及大型工矿企业等对开关设备提出了小型化、智能化、免维护、全工况等新的更高要求，都为充气柜提供了大的发展空间。目前激光电弧复合焊接技术大大提升了充气柜的焊接工艺水平，减小箱体变形量，提高气密性，减低了工人的劳动强度，是国内充气开关柜行业进行产业升级，迈入国际先进智能制造水平的有效途径。

参考文献

【1】激光一电弧复合焊接的应用，王治宇，王春明，胡伦骥，胡席远。华中科技大学材料学院，湖北武汉430074,电焊机，2006年2月，第36卷，第2期

【2】大连理工大学:低能耗激光电弧复合焊接集成产业化技术[期刊论文]-中国高校科技与产业化2008/5

【3】低合金高强钢无预热或低温预热激光-电弧复合热源焊接技术-雷振王旭友、滕彬、林尚扬[期刊论文]-机械制造文摘-焊接分册2011/1

【4】激光-GMAW复合热源焊接的研究现状-郭东东、刘金合[期刊论文]-热加工工艺2011/3