激光焊接技術(shù)
- 2016-03-14 13:34:00
- sawchina 原創(chuàng )
- 8344
按焊接熔池形成的機理區分,激光焊接有兩種基本模式:熱導焊和深熔焊,前者所用激光功率密度較低(105~106W/cm2),工件吸收激光后,僅達到表面熔化,然后依靠熱傳導向工件內部傳遞熱量形成熔池。這種焊接模式熔深淺,深寬比較小。后者激光動(dòng)車(chē)密度高(106~107W/cm2),工件吸收激光后迅速熔化乃至氣化,熔化的金屬在蒸汽壓力作用下形成小孔激光束可直照孔底,使小孔不斷延伸,直至小孔內的蒸氣壓力與液體金屬的表面張力和重力平衡為止。小孔隨著(zhù)激光束沿焊接方向移動(dòng)時(shí),小孔前方熔化的金屬繞過(guò)小孔流向后方,凝固后形成焊縫(圖1)。這種焊接模式熔深大,深寬比也大。在機械制造領(lǐng)域,除了那些微薄零件之外,一般應選用深熔焊。
深熔焊過(guò)程產(chǎn)生的金屬蒸氣和保護氣體,在激光作用下發(fā)生電離,從而在小孔內部和上方形成等離子體。等離子體對激光有吸收、折射和散射作用,因此一般來(lái)說(shuō)熔池上方的等離子體會(huì )削弱到達工件的激光能量。并影響光束的聚焦效果、對焊接不利。通??奢o加側吹氣驅除或削弱等離子體。小孔的形成和等離子體效應,使焊接過(guò)程中伴隨著(zhù)具有特征的聲、光和電荷產(chǎn)生,研究它們與焊接規范及焊縫質(zhì)量之間的關(guān)系,和利用這些特征信號對激光焊接過(guò)程及質(zhì)量進(jìn)行監控,具有十分重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值。
由于經(jīng)聚焦后的激光束光斑?。?.1~0.3mm),功率密度高,比電弧焊(5×102~104W/cm2)高幾個(gè)數量級,因而激光焊接具有傳統焊接方法無(wú)法比擬的顯著(zhù)優(yōu)點(diǎn):加熱范圍小,焊縫和熱影響區窄,接頭性能優(yōu)良;殘余應力和焊接變形小,可以實(shí)現高精度焊接;可對高熔點(diǎn)、高熱導率,熱敏感材料及非金屬進(jìn)行焊接;焊接速度快,生產(chǎn)率高;具有高度柔性,易于實(shí)現自動(dòng)化。
激光焊與電子束焊有許多相似之處,但它不需要真空室,不產(chǎn)生X射線(xiàn),更適合生產(chǎn)中推廣應用。激光焊接實(shí)際上已取得了電子束焊接20年前的地位,成為高能束焊接技術(shù)發(fā)展的主流。
2.激光焊接設備
激光焊接設備主要由激光器、導光系統、焊接機和控制系統組成。
1.激光器
用于激光焊接的激光器主要有CO2氣體激光器和YAG固體激光器兩種。兩者優(yōu)缺點(diǎn)比較如表1所示。
激光器最重要的性能是輸出功率和光束質(zhì)量。從這兩方面考慮,CO2激光器比YAG激光器具有很大優(yōu)勢,是目前深熔焊接主要采用的激光器,生產(chǎn)上應用大多數還處在1.5~6kW范圍,但現在世界上最大的CO2激光器已達50kW。而YAG激光器在過(guò)去相當長(cháng)一段時(shí)間內提高功率有困難,一般功率小于1kW,用于薄小零件的微聯(lián)接。但是,近幾年來(lái),國外在研制和生產(chǎn)大功率YAG激光器方面取得了突破性的進(jìn)展,最大功率已達5kW,并已投入市場(chǎng)。由于其波長(cháng)短,僅為CO2激光的1/10,有利于金屬表面吸收,可以用光纖傳輸,使導光系統大為簡(jiǎn)化??梢灶A料,大功率YAG激光焊接技術(shù)在今后一段時(shí)間內將獲得迅速發(fā)展,成為CO2激光焊接強有力的競爭對手。
2. 導光和聚焦系統
導光聚焦系統由圓偏振鏡、擴束鏡、反射鏡或光纖、聚焦鏡等組成,實(shí)現改變光束偏振狀態(tài)、方向,傳輸光束和聚焦的功能。這些光學(xué)零件的狀況對激光焊接質(zhì)量有極其重要的影響。在大功率激光作用下,光學(xué)部件,尤其是透鏡性能會(huì )劣化使透過(guò)率下降;會(huì )產(chǎn)生熱透鏡效應(透鏡受熱膨脹焦距縮短);表面污染也會(huì )增加傳輸損耗。所以光學(xué)部件的質(zhì)量,維護和工作狀態(tài)監測對保證焊接質(zhì)量至關(guān)重要。
3.激光焊接機
它的作用是實(shí)現光束與工件之間的相對運動(dòng),完成激光焊接,分焊接專(zhuān)機和通用焊接機兩種。后者常采用數控系統,有直角坐標二維、三維焊接機或關(guān)節型激光焊接機器人。
3.改善和發(fā)展激光焊接的新技術(shù)
以下幾項技術(shù)有助擴展激光焊接的應用范圍及提高激光焊接自動(dòng)控制水平
l. 填充焊絲激光焊
激光焊接一般不填充焊絲,但對焊件裝配間隙要求很高,實(shí)際生產(chǎn)中有時(shí)很難保證,限制了其應用范圍。采用填絲激光焊,可大大降低對裝配間隙的要求。例如板厚2mm的鋁合金板,如不采用填充焊絲,板材間隙必須為零才能獲得良好的成形,如采用φ1.6mm的焊絲做為填充金屬,即使間隙增至1.0mm,也可保證焊縫良好的成形。
此外,填充焊絲還可以調整化學(xué)成分或進(jìn)行厚板多層焊。
2. 光束旋轉激光焊
使激光束旋轉進(jìn)行焊接的方法,也可大大降低焊件裝配以及光束對中的要求。例如在2mm厚高強合金鋼板對接時(shí),容許對縫裝配間隙從0.14mm增大到0.25mm;而對4mm厚的板,則從0.23mm增大到0.30mm。光束中心與焊縫中心的對準允許誤差從0.25mm增加至0.5mm。
3.激光焊接質(zhì)量在線(xiàn)檢測與控制
利用等離子體的光、聲、電荷信號對激光焊接過(guò)程進(jìn)行檢測,近年來(lái)已成為國內外研究的熱點(diǎn),少數研究成果已達到了閉環(huán)控制的程度。圖1是激光焊接質(zhì)量檢測和控制系統的實(shí)例。
該系統所用傳感器及其功能簡(jiǎn)單介紹如下:
(l)等離子體監測傳感器
1)等離子體光學(xué)傳感器(PS):它的作用是采集等離子體的特征光-紫外光信。
2)等離子體電荷傳感器(PCS);利用噴嘴做探針檢測由于等離子體帶電粒子(正離子、電子)的不均勻擴散而在噴嘴和工件之間形成的電位差。
(2)系統功能
1)識別激光焊接過(guò)程屬于何種方式。穩定深熔焊過(guò)程,有等離子體,PS、PCS信號均很強;
穩定熱導焊過(guò)程,不產(chǎn)生等離子體,PS、PCS信號幾乎等于零;
模式不穩定焊過(guò)程,等離子體間斷性地產(chǎn)生和消失,相應地PS、PCS信號間斷性地上升和下降。
2)診斷傳輸到焊接區的激光功率是否正常。當其他參數一定時(shí),PS和PCS信號的強弱與入射到焊接區的功率大小有對應關(guān)系。因此,監視PS和PCS信號就可以知道導光系統是否正常,焊接區的功率是否發(fā)生了波動(dòng)。
3)噴嘴高度自動(dòng)跟蹤。 PCS信號隨噴嘴-工件距離的增加而減小。利用這一規律進(jìn)行閉環(huán)控制可以保證噴嘴-工作距離不變,實(shí)現高度方向的自動(dòng)跟蹤。
4)焦點(diǎn)位置自動(dòng)尋優(yōu)和閉環(huán)控制。在深熔焊范圍內,光束焦點(diǎn)位置發(fā)生波動(dòng)時(shí),PS接收到的等離子體光信號亦隨之變化,以最佳焦點(diǎn)位置處(此對小孔最深)PS信號最小。依據所發(fā)現的這個(gè)規律,可以實(shí)現焦點(diǎn)位置自動(dòng)尋優(yōu)與閉環(huán)控制,使焦點(diǎn)位置波動(dòng)小于0.2mm,熔深波動(dòng)小于0.05mm。
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