激光焊的應(yīng)用與發(fā)展

1、激光焊的工業(yè)應(yīng)用與發(fā)展趨勢(shì)姓名（學(xué)校 班級(jí)）摘要：激光焊因其具有高能量密度、深穿透、高精度、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)而受到各發(fā)達(dá)國家的高度重視,目前在很多高新技術(shù)領(lǐng)域中都得到了廣泛的應(yīng)用,尤其是激光焊接技術(shù)已在多種制造業(yè)中如電氣電子工業(yè)、汽車、鋼鐵、重工業(yè)、建筑機(jī)械及維修技術(shù)等方面得到應(yīng)用.文章主要分析了激光焊的原理及其在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用與發(fā)展.激光焊接作為一種高質(zhì)量、高精度和高速度的先進(jìn)焊接法,已引起了廣泛關(guān)注.關(guān)鍵詞：激光焊 特點(diǎn) 工業(yè)應(yīng)用 發(fā)展趨勢(shì)1 引言激光焊是利用高能量密度的激光束作為源進(jìn)行焊接的一種高效精密的焊接方法.激光焊具有高能量密度、深穿透、高精度、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)而受到各發(fā)達(dá)國家的重視

2、.激光焊對(duì)于一些特殊的材料及結(jié)構(gòu)的焊接具有非常重要的作用,這種焊接方法在航天航空、電子、汽車制造、核動(dòng)力等高新技術(shù)領(lǐng)域中得到應(yīng)用,并日益受到工業(yè)發(fā)達(dá)國家的重視.2 激光焊的原理激光焊接時(shí),激光照射到被焊接材料的表面,與其發(fā)生作用,一部分被反射,一部分進(jìn)入材料的內(nèi)部.激光焊接的原理: 光子轟擊金屬表面形成蒸汽,蒸發(fā)的金屬可防止剩余能量被金屬反射掉.如果被焊金屬有良好的導(dǎo)熱性能,則會(huì)得到較大的熔深.激光在材料表面的反射、透射和吸收,本質(zhì)上是光波的電磁場(chǎng)與材料相互作用的結(jié)果.激光的光波入射材料時(shí),材料中的帶電粒子依著光波電矢量的步調(diào)振動(dòng),使光子的輻射變成了電子的動(dòng)能.物質(zhì)吸收激光后,首先產(chǎn)生的是某些

3、質(zhì)點(diǎn)的過量能量,如自由電子的動(dòng)能、束縛電子的激發(fā)能或者還有過量的聲子.這些原始激發(fā)能經(jīng)過一定的過程再轉(zhuǎn)化為熱能.激光加工時(shí),材料吸收的光能轉(zhuǎn)換是在極短的時(shí)間(約為109s)內(nèi)完成的.在這個(gè)時(shí)間內(nèi),熱能僅僅局限于材料的激光輻照區(qū),而后通過熱傳導(dǎo),熱能由高溫區(qū)傳向低溫區(qū)1.3 激光焊的特點(diǎn)（1）熱量輸入很小,焊縫深寬比大,熱影響區(qū)小,工件收縮和變形很小,無需焊后矯形.（2）焊縫強(qiáng)度高,焊接速度快,焊縫窄且通常表面狀態(tài)好,免去焊后清理等工作.（3）焊接一致性、穩(wěn)定性好,一般不加填充金屬和焊劑,并能實(shí)現(xiàn)部分異種材料焊接.（4）光束易于控制,焊接定位精確,易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化.（5）與其他焊接工藝方法比較,激

4、光焊接的前期投資較大.（6）被焊工件裝配精度高,相對(duì)而言對(duì)光束操控的精確性也有較高的要求.4 激光焊接在工業(yè)中的應(yīng)用情況激光焊接與其它傳統(tǒng)焊接工藝相比,有著許多優(yōu)點(diǎn).其最主要的優(yōu)勢(shì)之一就是能夠?qū)⒓す馐杏诜浅＊M小的區(qū)域,從而產(chǎn)生高能量密度的熱源,隨后,該集中熱源快速掃過被焊接縫,在這方面,激光束焊接可與電子束焊接相比擬,但激光焊接卻有著優(yōu)于電子束焊接的特點(diǎn),即激光焊接可在大氣壓下進(jìn)行,而無需真空室.通過視窗、透鏡及光纖,可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程位置與多工作臺(tái)的激光焊接,而且,激光焊接還可以在焊條和電子束無法達(dá)到的三維構(gòu)件內(nèi)部細(xì)微區(qū)域中實(shí)施.與電子束焊接類似,激光焊接可以實(shí)現(xiàn)單面焊接雙面成形,復(fù)層結(jié)構(gòu)也可

5、采取單面激光焊接,所以,對(duì)于那些用其它方法需從雙面焊接的接頭,如果采用激光焊接工藝,則可從單面施焊.這種靈活性開辟了接頭設(shè)計(jì)的許多新思想,特別是針對(duì)某些包含不可接觸表面的構(gòu)件.4.1 激光焊接在國外汽車工業(yè)中的應(yīng)用4.1.1 白車身激光焊接汽車工業(yè)中的在線激光焊接大量用在白車身沖壓零件的裝配和連接上.主要應(yīng)用包括車頂蓋激光焊、行李箱蓋激光釬焊及車架激光焊接.另一項(xiàng)比較重要的車身激光焊接應(yīng)用,是車身結(jié)構(gòu)件（包括車門、車身側(cè)圍框架及立柱等）的激光焊接.采用激光焊的原因是可提高車身強(qiáng)度,并可解決一些部位難以實(shí)施常規(guī)電阻點(diǎn)焊的難題.4.1.2 不等厚激光拼焊板車身制造采用不等厚激光拼焊板可減輕車身重量

6、、減少零件數(shù)量、提高安全可靠性及降低成本.此項(xiàng)應(yīng)用最早源于1985年Audi100的底板拼焊,目前已推廣到世界幾乎各大汽車公司.采用激光拼焊板所帶來的好處也顯而易見.如某車型的側(cè)圍門內(nèi)板采用三塊板拼焊在一起,在原材料成本不增加的前提下,較采用單張普通板材單車可節(jié)省用材16kg,提高了材料利用率；如果在不影響整車強(qiáng)度及耐蝕性的前提下,根據(jù)需要將不同部位的材料做局部替換（如用裸板代替鍍鋅板或用薄鋼板代替較厚板）,然后激光拼焊到一起單車可降成本13美元.4.1.3 齒輪及傳動(dòng)部件焊接20世紀(jì)80年代末,克萊斯勒公司的Kokomo分公司購進(jìn)九臺(tái)6kWCO2激光器,用于齒輪激光焊接,生產(chǎn)能力提高40%.

7、90年代初,美國三大汽車公司投入40多臺(tái)激光器用于傳動(dòng)部件焊接.奔馳公司經(jīng)研究利用激光焊接代替電子束焊接,因?yàn)榍罢吆缚p熱影響區(qū)小.美國福特汽車公司用4.7kWCO2激光器焊接車輪鋼圈,鋼圈厚1mm,焊接速度為2.5m/min.該公司還采用帶有視覺系統(tǒng)的激光焊接機(jī),將六根軸與鍛壓出來的齒輪焊在一起,成為轎車自動(dòng)變速器的齒輪架部件,生產(chǎn)率為200件/h2.4.2 光纖激光焊在造船及海洋工程方面的應(yīng)用目前,許多輪船都是先制造出許多獨(dú)立的局部組件結(jié)構(gòu)單元,再在水中的船臺(tái)上一個(gè)個(gè)進(jìn)行組裝.采用激光焊技術(shù)制造海洋建筑物局部組件非常合適,因?yàn)樗Y(jié)合了焊接切割自動(dòng)化技術(shù)與激光技術(shù).與弧焊方法相比,采用該技術(shù)可

8、以大大提高生產(chǎn)率.造船中,采用光纖激光技術(shù),可以無需進(jìn)行焊接邊緣預(yù)處理和焊前或焊后熱處理就能將部件焊接在一起.與弧焊相比,激光焊的焊接接頭窄,熱影響區(qū)小,而且沒有傳統(tǒng)弧焊方法中出現(xiàn)的由于弧吹或電極磨損引起的焊接缺陷.所以,接頭采用光纖激光焊,可以實(shí)現(xiàn)新的焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),這在以前是不可能實(shí)焊接接頭比弧焊焊接接頭更加經(jīng)濟(jì), 質(zhì)量更好3.4.3 激光焊在飛機(jī)制造中的應(yīng)用激光束焊具有能量密度高,熱影響區(qū)小,空間位置轉(zhuǎn)換靈活,可在大氣環(huán)境下焊接,焊接變形極小等優(yōu)點(diǎn).它主要應(yīng)用于飛機(jī)大蒙皮的拼接以及蒙皮與長桁的焊接,以保證氣動(dòng)面的外形公差.另外在機(jī)身附件的裝配中也大量使用了激光束焊接技術(shù),如腹鰭和襟翼的翼盒

9、,結(jié)構(gòu)不再是應(yīng)用內(nèi)肋條骨架支撐結(jié)構(gòu)和外加蒙皮完成,而是應(yīng)用了先進(jìn)的鈑金成形技術(shù)后,采閑激光焊接技術(shù)在三維空間完成焊接拼合,不僅產(chǎn)品質(zhì)量好,生產(chǎn)效率高,而且工藝再現(xiàn)性好,減重效果明顯.近年來激光焊也多見于薄壁零件的制造中,如進(jìn)氣道、波紋管、輸油管道、變截面導(dǎo)管和異型封閉件.這些零件的傳統(tǒng)焊接方法多采用微弧等離子弧焊,或者是小電流鎢極氬弧焊.隨著鈦合金材料的大量使用,即便采用了這些低線能量的焊接技術(shù),仍然由于薄壁材料引起的焊接變形超出公差范圍和焊接缺陷的無法修復(fù)等原因,導(dǎo)致傳統(tǒng)焊接工藝面臨淘汰的命運(yùn).激光束焊接配以局部保護(hù)措施,非常適合焊接薄壁鈦合金殼體零件4.4.4 復(fù)合激光焊的應(yīng)用復(fù)合激光焊技

10、術(shù)結(jié)合了激光焊和傳統(tǒng)氣體保護(hù)焊（GMAW）兩者的優(yōu)點(diǎn),激光焊能在較小的熱輸入量和小的焊接熱影響區(qū)（HAZ）情況下獲得較大的熔深；所附加的氣保焊（GMAW）可以大大擴(kuò)展接頭根部間隙的大小,改善表面狀態(tài)和雜質(zhì)的允許量；提高根部間隙填充和成形質(zhì)量以及加強(qiáng)對(duì)焊接冶金的控制.最初,這項(xiàng)技術(shù)是為美國海軍艦艇使用的高強(qiáng)鋼橫梁提供一種更具成本效益的焊接方法.如今,它之所以能夠應(yīng)用于商業(yè)生產(chǎn),關(guān)鍵還是其采用了來自于ESAB及其戰(zhàn)略合作伙（Applied Thermal Sciences and PLSystemof Brunswich,Marine）的實(shí)時(shí)閉環(huán)控制和自動(dòng)質(zhì)量檢測(cè)技術(shù).這個(gè)新系統(tǒng)包括以下幾個(gè)特點(diǎn)：

11、焊縫動(dòng)態(tài)跟蹤和測(cè)量；焊接過程檢測(cè)；主要焊接參數(shù)的實(shí)時(shí)閉環(huán)控制；焊縫表面自動(dòng)檢測(cè)和質(zhì)量評(píng)定；焊接缺陷識(shí)別、標(biāo)識(shí)和修復(fù)；焊接工藝和焊接質(zhì)量文件的記錄和輸出.目前復(fù)合激光焊在板料、船舶、橋梁、管道、鐵路機(jī)車等方面給均有相當(dāng)大的應(yīng)用5.4.5 激光焊在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用激光焊是用激光來加熱, 所以它可以穿透透明介質(zhì), 能夠焊到透明介質(zhì)容器的里邊去.這是其他焊接方法難以做到的.這種方法也被利用到醫(yī)學(xué)里邊,比方講我們有些患者視網(wǎng)膜脫落,視網(wǎng)膜是在眼球的后面,視網(wǎng)膜脫落以后眼睛就會(huì)失明.現(xiàn)在就用激光的辦法,透過眼球焊到眼球后面,把這個(gè)視網(wǎng)膜和眼球焊起來.這個(gè)已經(jīng)是很成功的手術(shù)了.5 激光焊的發(fā)展激光焊接作為一種高

12、質(zhì)量、高精度和高速度的先進(jìn)焊接法,已引起了廣泛關(guān)注. 在日本激光焊接研究開發(fā)已掀起高潮,激光焊接成為最有朝氣的焊接方法之一. 在激光焊接設(shè)備的開發(fā)(CO2激光45kW,YAG10kW)、多種材料激光焊接性研究、激光焊接過程觀察測(cè)試和激光焊接缺陷分析等方面做了大量工作.尤其是激光焊接技術(shù)已在多種制造業(yè)中如電氣電子工業(yè)、汽車、鋼鐵、重工業(yè)、建筑機(jī)械及維修技術(shù)等方面得到應(yīng)用67.5.1 高輝度LD 泵浦Slab 型Nd :YAG激光設(shè)備及其焊接美國最近開發(fā)出了利用Slab型Nd:YAG晶體的2臺(tái)LD泵浦固體激光設(shè)備,1臺(tái)為TRW公司開發(fā)的3kW級(jí)LD泵浦Nd:YAG激光,另1臺(tái)為GE2Fiberte

13、k公司開發(fā)的500W級(jí)Q2Switch(開關(guān)型)脈沖激光設(shè)備.焊接用3kW級(jí)的設(shè)備是準(zhǔn)CWLD陣列,最大20%負(fù)載率,其功率隨脈沖頻率而變化400Hz時(shí),脈沖寬0.5ms,脈沖能量7.5J,功率達(dá)到3000W,1750Hz時(shí),功率達(dá)到1950W.激光橫模為長方型低次多模,在出射口整形成8mm8m,用焦點(diǎn)距離350mm(F/50)的光學(xué)鏡頭聚焦后,含激光功率約95%的中央高輝度區(qū)域的尺寸為0.1mm ,非常小,最大功率密度平均60MWPcm2,峰值300MWPcm2,焦點(diǎn)深度約1cm.焊縫熔深熔寬及斷面形狀因縱橫模式不同而異,對(duì)板厚約70mm的低碳鋼只需2道即可實(shí)現(xiàn)熔透焊接.雖然用高密度激光可進(jìn)

14、行大熔深焊接這一點(diǎn)已經(jīng)證實(shí),但其問題是焊縫寬度窄,表面下塌大,對(duì)于某些焊接條件與合金會(huì)發(fā)生氣孔和裂紋等缺陷,因此其今后的解決方法受到關(guān)注.激光焊接因激光束直徑小,為了擴(kuò)大焊縫寬度,可采用擺動(dòng)模式即橫向移動(dòng)1mm的方法進(jìn)行焊接.5.2 10kWNd:YAG激光焊接最近日本和英國等都開發(fā)了大功率YAG激光設(shè)備,與CO2激光焊接時(shí)進(jìn)行比較,探討了熔化特性及等離子體的影響.英國TWI采用將3臺(tái)4kWYAG激光裝置的激光束,在直徑為1mm的SI 光纖中合成為一束的方法,研究了C2Mn鋼焊接的熔深,對(duì)15mm厚的鋼板,獲得了良好的熔透焊縫.為了保護(hù)鏡頭不受飛濺及煙塵損壞,利用了空氣刀,并對(duì)同軸保護(hù)氣體噴嘴

15、與側(cè)面噴嘴進(jìn)行比較,還探討了氣體照射位置、種類和流量的最優(yōu)化.輸出功率大時(shí),如何去除小孔中噴出的等離子體成為一個(gè)重要的技術(shù)問題.5.3 激光焊接在線監(jiān)測(cè)為了得到高質(zhì)量焊縫,希望采用可靠的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)控制焊接過程.實(shí)際上,激光焊接過程中存在許多有關(guān)物理現(xiàn)象的信息.關(guān)于過程監(jiān)測(cè),正在探討等離子體放出的光、蒸氣和等離子體;或熔池壓力變化引起的聲音、焊件中機(jī)械應(yīng)力引起的超聲波;金屬蒸氣或等離子介電常數(shù)、反射激光功率、熔池及小孔的直接觀察等.對(duì)于利用反射光的方法,在YAG激光焊機(jī)頭部裝上只能透過反射YAG激光的濾光片(=10645nm)和1列Si光二極管.CO2激光焊接時(shí),因波長長,利用了帶小間隙或孔的聚光

16、鏡.熔深愈大,任一位置反射激光功率愈小,從而可知,熔深與反射激光之間存在關(guān)系. 并揭示出反射激光功率在焦點(diǎn)位置附近小,而離焦點(diǎn)位置越遠(yuǎn)越大. 還進(jìn)一步發(fā)現(xiàn),送絲速度越快,則熔深越淺,反射激光功率越高,對(duì)于5XXX鋁合金,發(fā)現(xiàn)反射激光功率變動(dòng)大,則多數(shù)生成氣孔.從這一點(diǎn)看,利用反射激光功率監(jiān)測(cè)氣孔的生成是有可能的. 根據(jù)高速攝像機(jī)和反射激光功率同時(shí)測(cè)試結(jié)果,熔池以350Hz在振蕩.另外,日、德學(xué)者不僅對(duì)激光焊接中等離子體發(fā)光和聲音,還對(duì)小孔和熔池進(jìn)行了觀察、監(jiān)測(cè),并進(jìn)一步研究對(duì)此進(jìn)行適應(yīng)控制的方法.研究中用最高2900FPS高速攝像機(jī),也開發(fā)了商用CMOS攝像機(jī).拼板焊接時(shí),可以區(qū)別全熔透和半熔

17、透 ,也能監(jiān)測(cè)出間隙大小.并且利用廣范圍領(lǐng)域觀察的手段,能夠判斷試板與激光照射位置的關(guān)系,研究各種焊接缺陷的影響因素及適應(yīng)控制方法.以上試驗(yàn)了利用對(duì)小孔和熔池的直接觀察法及從小孔中反射出的激光直接顯示焊接狀況的方法,揭示了在熔池監(jiān)測(cè)和控制中可以利用的可能性.對(duì)鋁合金焊接,也有可能利用反射光診斷法評(píng)價(jià)過程穩(wěn)定性,檢測(cè)出氣孔及飛濺.但這點(diǎn)需要今后進(jìn)一步探討.5.4 激光與電弧復(fù)合焊接法德國ILT(激光科學(xué)技術(shù)研究所)和ISF(Aachen大學(xué))共同開發(fā)研究了CO2激光及YAG激光與TIG或MIG電弧復(fù)合焊接法.日本大阪大學(xué)接合科學(xué)研究所,三菱重工株式會(huì)社等也進(jìn)行了此方面的研究.首先,進(jìn)行了厚板激光

18、先行MIG在后的復(fù)合焊接(Combining Welding) ,從微觀和宏觀組織觀察與硬度分布測(cè)試結(jié)果看,可以獲得高質(zhì)量接頭.其次,開發(fā)了激光與電弧混合焊接法(Hybrid Welding),包括激光與TIG、離子體、MIG及雙槍電弧同時(shí)使用.激光TIG混合焊接法對(duì)薄板有效,對(duì)AlMg3L鋁合金,可以使焊接速度比激光單獨(dú)焊時(shí)高2倍的方法.對(duì)于不同厚度的拼板,在激光與等離子體混合焊接法中,激光通過中間空心的圓形電極到達(dá)焊縫. 本方法可提高焊接效率,同時(shí)因等離子體加熱冷卻速度變慢,有望減輕拼板焊接區(qū)的硬化.5.5 鋁合金的激光焊接最近,汽車用鋁合金的激光焊接受到注目,進(jìn)行了許多探討.已對(duì)鋁合金車

19、A2進(jìn)行了YAG激光焊.通常采用高Si的Al焊絲進(jìn)行YAG激光焊接.利用3kW光纖傳送YAG激光對(duì)6XXX合金進(jìn)行焊接,尤其探討了激光束的匹配問題,以及間隙許允度及重力的影響,向上、向下及模向焊接都可以.其他,還進(jìn)行了各種合金YAG激光的對(duì)接、搭接及T型接頭焊接試驗(yàn),比較了其焊接性及各種保護(hù)氣體下接頭的抗拉強(qiáng)度,進(jìn)行了鑄造材和擠出材的YAG激光焊接,探討了氣孔生成及各種焊接條件的影響 .5.6 鎂合金的激光焊接Mg合金比重比Al小36%,作為高比強(qiáng)材料受到注目.因此進(jìn)行了脈沖YAG激光和連續(xù)CO2 激光焊接試驗(yàn),對(duì)于板厚1.8mm的AZ31B2H24合金(3.27%Al,0.79%Zn)各種缺

20、陷較少的最佳焊接條件為平均功率0.8kW,5ms,120Hz,300mmPs,2.5kW,127mmPs,焦點(diǎn)尺寸0.42mm,連續(xù)CO2激光焊接獲得了良好的熔透焊縫.還測(cè)定了YAG激光焊接區(qū)的硬度分布,發(fā)現(xiàn)HAZ窄,幾乎沒有軟件化.對(duì)高壓Die2Cast(HPDC)和常壓DC的兩種AZ91(9%Al,1%Zn)合金進(jìn)行YAG激光焊接的結(jié)果表明,HPDC焊接區(qū)多發(fā)生大氣孔,而DC焊接區(qū)(高功率密度,高速度)沒有大氣孔和裂紋.進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn),焊縫金屬中形成了比r2Al12Mg17包圍的富Mg的細(xì)微等軸樹枝晶,使焊接區(qū)的硬度高于母材.對(duì)于任何Mg合金,由于Mg和Zn的蒸氣壓高,焊接中比Al優(yōu)先蒸發(fā)使成分發(fā)生變化8.5.7 在今后的發(fā)展中,激光焊接在制造業(yè)中的應(yīng)用還需解決如下任務(wù)：缺少關(guān)于厚板焊接和材料合成的激光焊接參數(shù)研究.創(chuàng)建激光焊擇優(yōu)參數(shù)的交互式計(jì)算機(jī)輔助數(shù)據(jù)庫.研究激光焊接厚板金屬焊縫和材料合成方面的