激光焊接技術(shù)應用及其發(fā)展趨勢
- 2018-11-26 11:27:00
- 陸啟蒙 原創(chuàng )
- 10526
1 引言
激光焊接是激光加工技術(shù)應
用的重要方 面之 一,20 世紀 70 年代主 要用 于 焊接 薄壁材料和低速焊接,焊接 過(guò)程屬于熱傳導型 ,即激光加 熱工 件表面 ,熱量通過(guò)熱傳導向內部擴散 ,通過(guò) 控制激光 脈沖的寬度 、能 量、峰值功率和 重 復率等 參數 ,使工 件熔 化,形成 特 定 的熔池 。激光焊接 作為一 種高質(zhì)量 、高精度 、低變形 、高效率和高速度的焊接方 法,隨著(zhù)高功率 CO 2 和高功率 YAG 激光 器以及光 纖傳輸 技術(shù)的 完善 、金 屬鉬 焊接 聚束 物鏡 等的研制 成功 ,其 在 機械 制 造 、航空、航天 、汽車(chē)工業(yè)、 粉末冶 金、生物醫學(xué)、微電子 行業(yè)等領(lǐng)域的應用 越來(lái)越廣 。目前 的研究 主要集中于 CO 激光 和 YAG 激光焊接 各種 金 屬材料時(shí) 的理論,包括 激光 誘發(fā) 的等 離子體發(fā) 光、吸收 、散射 特性、激光焊接智能化控制、 復 合焊接、 激光焊接現 象 及 小孔 行為、焊接 缺陷 發(fā) 生機理 與防止 方法等。并對鎳 基耐熱合金、 鋁 合金及 鎂合金的焊接 性,焊接現 象 建模 與數值 模擬 ,鋼鐵 材料、銅 、鋁合金與 異種材料 的連接,激光接 頭性 能 評價(jià) 等方 面 做 了 廣泛的研究 。
2 激光焊接的質(zhì)量與特點(diǎn)
激光焊接是 將 高 強 度 的激光輻射至 金 屬表面 ,通過(guò) 激光與金 屬的相互 作 用,金屬吸收 激光 轉化為熱 能 使金 屬熔 化 后冷卻結晶 形成焊接。 圖1 顯示 在不同 的 輻射功率密度下 熔 化過(guò)程的 演 變階段 ,激光焊接的 機理 有兩 種 :(1) 熱傳導 焊接;(2)激光 深 熔焊。
2.1 激光焊接的焊縫形狀對于 大功率 深熔焊由 于在焊 縫熔池處的熔化金 屬,由于材料 的瞬時(shí)汽化而形成深穿 型的圓孔空腔,隨著(zhù)激光 束與工 件的相對運動(dòng) 使小孔周邊金屬不斷 熔化、流動(dòng)、封閉、凝固而形成 連續焊 縫,其焊縫形狀深而窄 ,即具有較 大的 熔深熔寬比,在高功率器件焊接 時(shí),深寬比可達 5:1,最高可達 10:1。
圖 2 顯示四 種焊法在 316不銹鋼 及 DUCOL W30 鋼上 的焊 縫截面形狀的比較 ,對比 的結論有以下幾點(diǎn):
(1)激光焊與電子 束焊、鎢極惰性氣體 電弧焊(TIG) 、等離子焊的 主要優(yōu)點(diǎn)相似:焊縫窄、穿透性強、焊縫兩邊平 行 、熱影響區小 ;
(2)電弧焊和等離 子焊 投資少,廣 泛應用了 很多年,經(jīng)驗比較 多;
(3)激光焊 和電子 束焊須在真空或局部真空中進(jìn) 行,也可在空氣中,但電子 束穿透 能力比激光差;
(4) 激光焊 和電子 束焊,焊縫窄 且熱影響區小 ,因而變形小。
2.2
激光焊接焊縫的組織性能大功率 激光焊接, 因其 能量密度 極高,被 焊工 件經(jīng)受快 速加熱和冷卻 的反復作 用,使得 焊縫和熱 影響區 域極窄 ,硬度遠遠 高于 母材,該區 域的 塑性相對較 低。為了 降低接 頭區 域的 硬度, 應 采取 焊接 前預熱和 焊后回火 等 相應的工藝 措施 。激光 回火 是一 種 在激光焊 后隨即采 用 非 聚 焦 的低 能 量 密 度 光束 對焊 道 進(jìn) 行 多道掃描從 而 降低 焊 縫硬度 的新工藝。激光焊接金 屬及熱影響區 的 組織 和 硬 度 是 由 化學(xué) 成分 和冷卻 速度 決定 的。在激光焊接中,現行焊接工藝一 般 不需要 填充金 屬。在 這種情況 下,焊縫的組織 和硬 度主 要 由鋼 板 的化學(xué) 成 分和 激光 照射條件來(lái) 決 定。 采 用填充 焊絲 的激光焊接 由 于 可 以 選擇任意合金 成 分 的焊 絲 作 為 最 佳的焊 縫過(guò) 渡合金,因而可 以保證 兩側母 材的 聯(lián)結具有最 佳 性能??梢詫Ω呷?點(diǎn)、高熱導率 、物 理性質(zhì) 差 異較大的 異 種 或 同種 金 屬材料 進(jìn)行 焊接,可以得到無(wú)污染 、雜質(zhì)少的焊縫 。激光焊接加 熱速度 快 ,焊接 熔池 迅速冷卻 ,與普通的 常規 焊接在金相 組織 上有 很大的 區別。
3 激光焊接的應用領(lǐng)域
3.1 制造業(yè)應用
激光拼焊 (TailoredBlandLaserWelding) 技術(shù)在 國外轎 車(chē)制 造 中得到 廣泛的應用,據統計 ,2000 年全球范圍 內 剪裁坯板 激光 拼 焊生產(chǎn)線(xiàn)超 過(guò) 100 條,年 產(chǎn)轎 車(chē)構 件 拼焊 坯板 7000 萬(wàn)件, 并 繼續以較 高速度 增長(cháng) 。 國 內 生產(chǎn) 的 引 進(jìn)車(chē) 型Passat,Bulck ,Audi 等也采 用了一些剪裁坯板 結 構。日本 以 CO 2 激光焊 代 替 了 閃 光 對 焊進(jìn) 行 制 鋼 業(yè) 軋鋼 卷材 的 連 接,超 薄 板 焊接,如 板厚 100mm 以下的箔片 無(wú) 法熔 焊,但通過(guò) 有 特殊 輸 出功率 波形 的 YAG激光焊 得以 成功 ,顯示 了激光焊的廣闊前途。日本還 在世界上首次 成功 開(kāi)發(fā)了將 YAG 激光焊用 于 核 反應堆中蒸氣發(fā) 生器細管 的維修 等,在 國 內 蘇寶蓉 等 還進(jìn) 行 了 齒輪 的激光焊接技術(shù)。20 世紀 80 年代 后期,千瓦級 激光 器成功 應用 于工業(yè)生 產(chǎn),而今激光焊接生 產(chǎn)線(xiàn) 已大 規模 出現在汽車(chē)制 造業(yè),成為汽車(chē)制造業(yè)突出 的成 就之一。
90 年代美 國通 用、福特和 克萊斯 特公司竟 相將激光焊接 引 入 汽車(chē)制 造,盡管起 步較 晚,但發(fā)展很快 。意大利菲亞 特在大 多 數 鋼 板組 件 的焊接裝 配 中采用了激光焊接, 日本 的 日產(chǎn) 、本田 和 豐田 汽車(chē) 公司 在制 造 車(chē) 身覆蓋 件 中 都 使 用了激光焊接 和 切割工藝,高強鋼 激光焊接裝 配件因 其性 能 優(yōu) 良 在汽車(chē)車(chē) 身制 造 中 使 用的 越來(lái)越 多 ,根 據 美國金屬 市場(chǎng) 統計 ,至 2002 年底,激光焊接 鋼結 構的 消耗 將達 到 7 萬(wàn)噸, 比 1998 年增加 3 倍。在工藝方 面美國 Sandia國 家實(shí) 驗 室 與Pratt Witney聯(lián) 合進(jìn) 行 在激光焊接 過(guò)程中 添 加 粉末金 屬和 金屬 絲的研究,德國 不萊梅應用光 束 技術(shù)研究 所在 使 用激光焊接 鋁 合金車(chē) 身骨架 方 面 進(jìn) 行 了大量的研究,認為在焊 縫中 添 加填充金屬 有 助于消除 熱 裂紋 ,提高 焊接 速度 ,解 決公 差 問(wèn)題,開(kāi) 發(fā) 的生產(chǎn)線(xiàn) 已 在奔馳公司 的工 廠(chǎng) 投 入 生產(chǎn)。
3.2 粉末冶金領(lǐng)域
隨著(zhù) 科學(xué)技術(shù)的 不斷 發(fā)展 ,許多技術(shù) 對材料 有特殊要 求, 應用 冶鑄 方 法 制造 的 材料 已 不 能 滿(mǎn)足 需要。由于粉末冶 金材料 具有 特殊的性能和 制造優(yōu)點(diǎn), 在某些領(lǐng)域 如汽車(chē)、飛機 、工具 刃 具 制 造業(yè)中 正 在取代傳 統的冶鑄材料 , 隨著(zhù)粉末冶金材料 的日益發(fā)展, 它與其 它零 件的連接問(wèn)題 顯得日益突出 , 使粉末冶金材料 的應用 受到 限 制。在 20世紀 80 年代初 期,激光焊以 其獨特的 優(yōu) 點(diǎn)進(jìn) 入 粉末冶 金 材料 加工領(lǐng)域,為粉末冶 金材料 的應用 開(kāi)辟 了新的前 景 ,如 采用粉末冶 金 材料 連接中 常 用的 釬焊方 法 焊接金 剛石 ,由于結 合 強度低 ,熱 影響區 寬特 別是 不 能 適應 高 溫 及強 度 要 求 高 而引起釬 料熔 化脫落 ,采用激光焊接可 以 提 高焊接 強 度以及 耐 高 溫 性能。
3.3 電子工 業(yè)
激光焊接在電子工業(yè)中, 特 別是微電子工業(yè)中 得到 了 廣 泛 的應用。由于激光焊接 熱影響區小,加熱集 中 迅 速 、熱應 力 低 ,因 而 正 在集成 電 路和 半 導體器件 殼 體 的 封裝中,顯示 了獨 特的 優(yōu) 越性 ,在 真空器件 研制中,激光焊接 也得到 了應用, 如 鉬聚 焦 極與 不銹鋼 支持環(huán)、快 熱陰極 燈絲組 件等。 傳感 器或 溫 控 器中的 彈 性薄壁 波紋片 其厚度 在 0.05~0.1mm ,采用 傳統 焊接方 法難 以 解 決 ,電 弧 焊 容易 焊穿 ,等離 子焊 穩 定性 差 ,影響 因 素多,而 采 用激光焊接 效果很好,得到廣泛的應用。
3.4 生物醫學(xué)
生物 組織 的激光焊接 始 于 20世紀 70 年代 ,Klink 等及 Jain用激光焊接輸卵管和血管的成功及顯示出來(lái)的 優(yōu)越性 ,使 更多研究 者嘗試焊接各種生物組織,并推廣到其它組織 的焊接。 有關(guān)激光焊接神經(jīng)方 面 ,目前 國內 外的研究 主要集中在激光 波 長(cháng)、劑 量及對功能恢復及激光焊 料 選擇 等方 面,劉銅 軍在激光焊接 小血管及皮膚等基 礎 研究的基 礎 上 又 對大 白鼠膽總 管進(jìn)行了焊接研究。激光焊接方 法 與與 傳 統 的縫 合方 法比較 ,激光焊接 具有 吻合 速度 快, 愈合過(guò)程中 沒(méi)有異 物反應 , 保持焊接 部位的 機械性質(zhì) , 被修復 組織 按其原生物 力學(xué) 性狀生 長(cháng)等 優(yōu)點(diǎn),將 在以后 的生物醫學(xué)中 得到 更 廣泛 的應用。
3.5 其他 領(lǐng)域
在其他 行業(yè)中,激光焊接 也逐漸增加,特 別是在特 種材料 焊接方面 , 我 國 進(jìn) 行了 許 多 研究, 如 對BT20 鈦 合金、HE130 合金 [23] 、Li-ion 電池等激光焊接。 德國玻璃 機械 制 造 商 Glamaco Coswig 公 司與 IFW 接合技術(shù)與 材料 實(shí)驗 研究院合 作 開(kāi) 發(fā) 出了一 種 用 于平 板 玻璃的激光焊接 新技術(shù)。
4 激光焊接 設備 的智能化 控制激光焊接 監 控自 動(dòng) 化的 關(guān)鍵之 一是 熔池 的實(shí) 時(shí)監視 ,因 此,跟蹤 傳 感 器 的 選擇 成 了一 個(gè)至 關(guān) 重要的 前提。在 所 有傳感 器中,光學(xué)傳 感器以其 靈敏 度和 測 量精度高 ,動(dòng)態(tài)特性好 ,與工 件無(wú) 接觸及包含的 信息 量大等特點(diǎn), 成 為發(fā)展最快的 跟蹤 傳感器。而 CCD (Charge-coupled Device 電荷耦 合裝置 )集成光學(xué) 器件 的應用, 又使得光學(xué) 傳感 器 上升 到視頻 傳 感的 新 高度。
激光焊接的 優(yōu)點(diǎn) 之 一是焊接 速度快 ,薄板的焊接 速度 可達 10m/min以 上,但在 高速 連續 的焊接 過(guò)程中,如果 出 現焊接 缺陷 ,將 在極 短的時(shí)間內造成 大量的廢品 。實(shí)現在線(xiàn) 的激光焊接 質(zhì)量 監測 是 保證 質(zhì)量 十分重要的 環(huán)節 ,華中科技大學(xué)設 計的信號 處 理及反饋控制系 統 ,通過(guò) 將聲、光傳 感 器所采集 的信 號放 大、濾 波、雙限比較后進(jìn)行 A/D轉換 ,再將數字 信 號由微機進(jìn) 行 處理等,對 激光 輸出功率 、焊接 速度 、離 焦 量 等工藝 參數 進(jìn) 行 控制 實(shí) 現最佳工藝 參數 。解決熔 透問(wèn)題,基本 前 提 是 對 激光焊接 過(guò) 程進(jìn) 行 實(shí)時(shí) 檢測和控制,提 取激光焊接的特征信號。近 10 來(lái),國內外的研究 機構 主 要 針 對 焊接 過(guò)程中光 致 等 離子 體產(chǎn)生的 聲、光、電、熱等信息 進(jìn)行 提 取,并 分 析 處 理 ,尋找 特 征 信號。在填絲 激光焊接 時(shí),激光 填絲 焊對接間 隙寬度 是主要的 參數 ,為了 保證 焊縫 全長(cháng) 都取得 良 好 均勻 的成形 ,實(shí) 現高質(zhì)量 的激光 填絲焊,研究 人員 開(kāi) 發(fā) 了高精度 對縫 間隙檢 測 傳 感器 以及 高質(zhì)量 送 絲 控制系 統 。
對于激光 深 熔焊而言 ,利 用光學(xué) 傳 感 器 檢測 焊接 過(guò)程中的等 離子 體和 反 射激光的 信號 特 征 是一種 簡(jiǎn)單 而有 效 的 實(shí)時(shí) 檢 測 焊接 過(guò)程的方 法 [32] 。目前 ,利用光電 管檢 測焊接 過(guò) 程中的等 離子 體 或反 射 光的方 法,主要從 工 件側面或 與激光同軸兩個(gè)方向進(jìn) 行。至于光學(xué) 傳 感器 的選擇 ,有 三種 不同 波段 的傳 感器可用于激光焊接 過(guò)程檢測。如 紫外 波段 的 傳 感 器用 于 CO 2 激光焊接時(shí) 的等 離 子體檢 測,可見(jiàn)光 波 段的 傳 感 器 用 于 CO 2 和 Nd:YAG 激光焊接 過(guò) 程等 離 子體 或 金 屬 蒸 汽羽焰 的 檢 測 , 紅 外 波 段 用 于 Nd:YAG 激光焊接的 檢 測。 到 目前 為止 ,檢測到的光學(xué) 信號與激光焊接參數 (如 焦點(diǎn)位置)的關(guān)系已有很 好的研究 成 果 并被 應用;另外 利 用光學(xué) 傳 感 器 對 激光焊接 過(guò) 程中 產(chǎn)生的 缺陷 ,如 燒穿、孔洞 或 駝 峰 狀表面 缺陷 的檢測也有相 關(guān)報道。
5 激光焊接發(fā) 展趨勢
5.1 復合 焊接
人們 在 廣 泛 應用激光焊接技術(shù)的 同 時(shí) ,不斷 地 對其進(jìn)行 深入 的研究,發(fā) 現 它有 一 定 的 缺 點(diǎn) :在激光焊接 過(guò) 程中, 母材 受熱熔 化、汽化,形成 深 熔小孔 ,孔中 充 滿(mǎn) 金 屬蒸汽,金 屬氣 體與激光 作用 形成 等離子云 。等 離子云吸收 、反射激光,降低金 屬材料 對激光的 吸收率 ,使激光的能 量利用率降 低;對 焊接 母材 端 面 接口 要 求 高, 容易 產(chǎn) 生 錯位;容易 生成氣孔 疏松 和裂紋 ;焊后 在 母材 端 面之 間的接 口 部 位 存在凹陷,焊接 過(guò)程 不穩定等。
為減少或消除 單熱源激光焊接的 缺陷 ,人們 在 保持 激光加 熱 優(yōu) 點(diǎn)的基 礎上,利 用其他 熱源的加 熱特 性來(lái) 改善激光 對 工件的加 熱 ,從而 把激光與 其 他 熱源 一 起 進(jìn)行復 合 熱 源 焊接。主要有激光與電 弧、激光與等離子 弧 、激光與 感應熱源 復 合焊接以及 雙激光 束焊接等。 激光與電弧焊接 結 合起來(lái),這種復 合工藝 綜合了激光與電 弧的優(yōu) 點(diǎn),即 將 激光的 高 能 量密 度和 電弧 的 較 大加 熱區組合 起來(lái),其優(yōu)點(diǎn):
1) 可 增 加焊接 熔 深;
2) 提 高 焊接 速度 與生 產(chǎn)率 ;
3) 改善 接頭 性 能;
4) 降 低 設備成本 ,同時(shí)通過(guò) 激光與電 弧 的相互作用,來(lái)改 善激光能 量的 耦 合特性和 電 弧 的穩定性 ,以獲得 一 種綜合的 效 果 ,但 是由 于電弧的 引 入增加了焊接的 熱輸 入,從 而 使焊接 熱影響區 和熱變形 增 大。
5.2 激光焊接的 控制 ( 熔池 尺寸、等離子效 應等)
在激光焊接 熔透 控制研究中,建 立 熔池形 狀參數 與焊接工藝 間的 關(guān) 系是 關(guān)鍵 問(wèn)題,在 實(shí) 驗過(guò) 程中, 對熔池形 狀 信息 獲知 越 豐富,對 焊接 過(guò) 程 熔透 控制的 效果 越理想。許多學(xué)者根據激光 深熔焊中的小孔 機制,對激光焊接的 溫度 場(chǎng)、液體流動(dòng) 及小孔 形狀、 尺寸 進(jìn)行了計算并 取得 了一 定效果 。John 等人提出 了入射激光的 逆韌致 吸收 模型,假定 能量通過(guò)傳導機 制傳遞給 小孔壁,通過(guò) 解熱傳導 方程,得到 了一 個(gè)最大的 理論熔深。Sonti 等人采用二 維 有 限 元 非線(xiàn) 形 模 型 進(jìn)行 了 鋁合金激光深熔焊接傳輸過(guò)程的三維計算,得到了激光焊接的三維溫度場(chǎng)。John 分析小孔 內的能 量和壓 力平衡,建 立一個(gè)小孔 內液體和蒸 氣流動(dòng) 的通用模 型。王海興 等對 前 人 提出 的計 算 激光焊接 深 熔焊 過(guò) 程中 熔池 尺寸 的方 法進(jìn) 行 了檢 驗 、改 進(jìn)與 推 廣,從 激光焊接 過(guò)程中的能 量 平衡 出發(fā),預報了不同焊接工 況下熔池 的 尺寸。劉順洪進(jìn) 行 了 薄 板 激光焊 溫 度 場(chǎng)的 分 析與 數值 模擬 ,在空間域 上用加 權余量法 , 時(shí) 間 域上 用 有 限 差分 法離散 ,考慮 了 材料熱 物性參數 的溫度相 關(guān)性、熔 化潛熱以及 對流輻 射等對 溫度場(chǎng)的 影響 ,建立 了有限元方程,并編制了 相應的程 序。隨著(zhù) 圖象傳 感方法 的改 進(jìn),人們 可以從熔池 圖 象 獲 得 熔池形 狀 更 多 的特 征信息 ,如熔池 的寬度 、長(cháng)度和面 積,利 用 這些 信息 建 立同 激光焊接工藝 參數之 間 的 關(guān)系,對激光焊接的焊 縫質(zhì)量 控制中 有著(zhù)重要的 作用,這 將 是激光焊接研究的一 個(gè) 重要方向。
5.3 激光焊接的激光發(fā) 生器 及其工藝發(fā)展趨勢
目前 的激光焊接 所 使 用的激光 器主 要為大 功率 CO 2 激光 器和脈沖 Nd:YAG 激光 器,對 于 CO2氣 體 激光要 解 決 大 功率 激光 器 的放 電穩定性 , 對于 YAG 固體 激光器要研制大 容量、長(cháng)壽命 的光 泵 激勵光源。光纖激光 器具有 高轉換 效率和 極低損 耗,極 好光束質(zhì)量 、高效率和 可 靠性 , 并 且結 構非常 緊湊,在 不 遠的將來(lái),單 光纖 、單 模 光纖 的輸出功率 將 超過(guò)千瓦級 ,在激光焊接領(lǐng)域 將 得到 應用。 采用直 接二 極 管 陣列 激光 輸出波 長(cháng) 在 近紅外 區域的激光 平 均功率 已達 1kW,光電 轉換 效率 接近 50豫,這些 激光設備 和技術(shù),將 在焊接應用方 面發(fā)揮更大的 作用。在激光光 束質(zhì)量 及加工 外圍 裝置方 面,應研究 各種 激光加工工藝 對 激光光 束 的 質(zhì)量 要求 、激光光 束和 加工 質(zhì)量 監 控技術(shù)、光學(xué)系 統 及加工 頭 設 計 和 研制,開(kāi)展 焊接工藝及 材料 、焊接工藝 對 設備 要 求 及焊接 過(guò) 程 參數 監測 和控制技術(shù)研究, 從而 掌握 普 通鋼 材、有色金屬 及特 殊鋼 材的焊接工藝。
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