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激光焊接原理应用及最新进展

作者:admin 来源:未知 点击:58 更新时间:2019-04-08
 激光是20世纪以来,继原子能、计算机、半导体之后,人类的又一重大发明,被称为“最快的刀”、“最准的尺”和“最亮的光”。其亮度为太阳光的100亿倍,它的原理早在1916年已被著名的美国物理学家爱因斯坦发现,但直到1960年激光才被首次成功制造。激光是在有理论准备和生产实践迫切需要的背景下应运而生的。它一问世,就获得了异乎寻常的飞速发展,激光的发展不仅使古老的光学科学和光学技术获得了新生,而且导致一门新兴产业的出现。激光可使人们有效地利用前所未有的先进方法和手段去获得空前的效益和成果,从而促进生产力发展。
焊接 ,作为现代重要的加工技术之一,自1882年出现碳弧焊开始,迄今已经历了100多年的发展历程,为了适应工业发展及技术进步的需要,先后产生了埋弧焊、电阻焊、电渣焊及各种气体保护焊等一系列新的焊接方法。进入20世纪60年代后,随着焊接新工艺和新能源的开发研究,等离子弧切割与焊接、真空电子束焊接及激光焊接等高能束技术也陆续应用到各工业部门,使焊接技术达到了一个新的水平。尤其是近年来,各种尖端工业的发展需求,不断提出了具有特殊性能材料的焊接问题,如高强钢、超高强钢、特种耐热耐腐蚀钢、高强不锈钢、特种合金及金属间化合物、复合材料、难熔金属及异种材料焊接等。激光焊(LaserBeamWelding,LBW)是利用能量密度极高的激光束作为热源的一种高效精密焊接方法,与其它熔化焊相比独具深宽比高、焊缝宽度小、热影响区小、变形小、焊接速度快、焊缝质量高、无气孔、可精确控制、聚焦光点小、定位精度高、易实现自动化等优点,在各种加工制造业中受到了高度重视。
  1 激光焊 的原理
  激光是指激光活性物质(工作物质)受到激励,产生辐射,通过光放大而产生一种单色性好、方向性强、光亮度高的光束。经透射或反射镜聚焦后可获得直径小于0.01mm、功率密度高达106~l012W/cm2的能束,可用作焊接、切割及材料表面处理的热源。
  激光焊实质上是激光与非透明物质相互作用的过程,微观上是一个量子过程,宏观上则表现为反射、吸收、加热、熔化和汽化等现象。激光焊时,激光照射到被焊接件的表面,与其发生作用,一部分被反射,另一部分进入焊件内部。
  激光焊的热效应取决于焊件吸收光束能量的程度,常用吸收率来表征。金属对激光的吸收率,主要与激光波长,金属的性质、温度、表面状况以及激光功率密度等因素有关。
  材料的加热:吸收了光子而处于高能级的电子将在与其他电子的碰撞以及与晶格的互相作用中进行能量的传递,光子的能量最终转化为晶格的热振动能,引起材料温度升高,改变材料表面及内部温度。
  材料的熔化及汽化:激光加工时,材料吸收的光能向热能的转换是在极短的时间(约为10-9s)内完成的。在这个时间内,热能仅仅局限于材料的激光辐射区,而后通过热传导,热量由高温区传向低温区。
  当功率密度大于106W/cm2时,被焊材料会产生急剧的蒸发。
  在连续激光深熔焊接时,由于被焊材料蒸发,蒸气压力和蒸气反作用力等能克服熔化金属表面张力及液体金属静压力而形成“小孔”。“小孔”类似于“黑洞”,有助于对光束能量的吸收。
  壁聚焦效应:激光束射入小孔中时,由于激光束聚焦后不是平行光束,与孔壁间形成一定的入射角,激光束照射到孔壁上后,经多次反射而达到孔底,最终被完全吸收。
  焊缝的形成:随着工件和光束做相对运动,由于被焊材料剧烈蒸发产生的表面张力使“小孔”前沿的熔化金属沿某一角度得到加速,在“小孔”后面的近表面处形成熔流。“小孔”后方液态金属由于散热的结果,温度迅速降低,凝固而形成连续的焊缝。
 
2 激光焊 的特点
  2.1激光焊接与传统的熔焊工艺相比,具有的优势主要集中在以下几个方面:
  (1)可将热输入降到最低的需要量,热影响区小,且因热传导所导致的变形亦最低。
  (2)32mm板厚单道焊接的焊接工艺参数业经检定合格,可降低厚板焊接所需的时间甚至可省掉填料金属的使用。(5)工件可放置在封闭的空间(经抽真空或内部气体环境在控制下)。
  (3)不需使用电极,没有电极污染或受损的顾虑。且因不属于接触式焊接制程,机具的耗损及变形皆可降至最低。
  (4)激光束易于聚焦、对准及受光学仪器所导引,可放置在离工件适当之距离,且可在工件周围的机具或障碍间再导引,其他焊接法则因受到上述的空间限制而无法发挥。
  (5)激光束可聚焦在很小的区域,可焊接小型且间隔相近的部件。
  (6)可焊材质种类范围大,亦可相互接合各种异质材料。
  (7)易于以自动化进行高速焊接,亦可以计算机控制,可方便地进行任何复杂形状的焊接。
  (8)焊接薄材或细径线材时,不会像电弧焊接般易有回熔的困扰。
  (9)不受磁场所影响(电弧焊接及电子束焊接则容易受磁场影响),能精确的对准焊件。
  (10)可焊接不同物理性质(如不同电阻)的两种金属。
  (11)不需真空环境,亦不需做X射线防护。
  (12)若以穿孔式焊接,焊道深-宽比可达12:1。
  (13)可以切换装置将激光束传送至多个工作站。
  2.2激光焊接也存在一些不足:
  (1)焊件位置需非常精确,务必在激光束的聚焦范围内。
  (2)焊件需使用夹具时,必须确保焊件的最终位置与激光束将冲击的焊点对准。
  (3)最大可焊厚度受到限制,渗透厚度远超过19mm的工件,不适合使用激光焊接。
  (4)高反射性及高导热性材料如铝、铜及其合金等,焊接性会受激光所改变。
  (5)当进行中能量至高能量的激光束焊接时,需使用等离子控制器将熔池周围的离子化气体驱除,以确保焊道的再现。
  (6)能量转换效率太低,通常低于10%。
  (7)焊道快速凝固,因而有产生气孔及脆化的顾虑。
    (8)设备昂贵。  
3激光焊的应用
  目前激光焊应用领域很广,主要应用于:制造业、粉末冶金领域、汽车工业、电子工业、生物医学、塑料激光焊接、新材料激活激光焊接、航空航天、造船以及其他领域。
  3.1制造业的应用
  在国外轿车制造中,激光拼焊(Ta-iloredblandLaserWelding)技术得到了广泛应用,据统计,2000年全球范围内剪裁坯板激光拼焊生产线超过100条,年产轿车构件拼焊坯板7000万件,并继续以较高速度增长。国内生产的引进车型Passat,Buick,Audi等也采用了一些剪裁坯板结构。日本在世界上首次成功开发了将YAG激光焊用于核反应堆中蒸汽发生器细管的维修等,在国内苏宝蓉等还开发了齿轮的激光焊接技术[3]。
  3.2粉末冶金领域的应用
  因粉末冶金材料具有特殊的性能和制造优点,在某些领域如汽车、飞机、工具刃具制造业中正在取代传统的冶铸材料,随着粉末冶金材料的日益发展,它与其他零件的连接问题日益突出,使粉末冶金材料的应用受到限制。20世纪80年代初期,激光焊以独特的优点进入粉末冶金加工领域,为其应用开辟了新前景,采用激光焊可提高焊接强度及耐高温性[4]。
  3.3汽车工业的应用
  德国大众、奔驰、奥迪,瑞典的沃尔沃等欧洲汽车制造厂早在20世纪80年代就率先采用激光焊接车顶、车身、侧框等,20世纪90年代美国通用、福特和克莱斯勒公司竞相将激光焊接引入汽车制造,尽管起步晚,但发展快。意大利菲亚特在大多数钢板组件的焊接装配中采用了激光焊,日本的日产、本田和丰田汽车公司在制造车身覆盖件中都使用了激光焊,高强钢激光焊接装配件因其性能优良在汽车车身制造中使用越来越多[5]。
  激光焊接还广泛应用到变速箱齿轮、半轴、传动轴、散热器、离合器、发动机排气管、增压器轮轴及底盘等汽车部件的制造,成为汽车零部件制造的标准工艺。应当看到我国一些汽车制造厂家已经在部分新车型中采用激光焊接技术,而且从激光焊接技术本身研究的角度看,我国一些科研院所在一些具有特色的领域取得了特色的成果。随着我国汽车工业的快速发展,一定会在汽车制造领域取得丰硕的成果和广泛的应用。
  3.4电子工业的应用
  电子工业,特别是微电子工业中激光焊得到了广泛应用。在集成电路和半导体器件壳体封装中,显示出独特的优越性。真空器件研制中,激光焊也得到了应用。传感器或温控器中的弹性薄壁波纹片其厚度在0.05~0.1mm,采用传统焊接方法难以解决,TIG焊易焊穿,等离子焊稳定性差,影响因素多,而采用激光焊接效果很好,得到了广泛的应用。
  3.5生物医学的应用
  生物组织的激光焊始于20世纪70年代,Klink等用激光焊接输卵管和血管的成功显示出了优越性,使更多研究者尝试焊接各种生物组织,并推广到其他组织的焊接。目前,有关激光焊接神经方面,国内外的研究主要集中在激光波长、剂量及其对功能恢复以及激光焊料的选择等方面。激光焊作为一种焊接牙科合金的新技术,经过十余年的设备改进、技术更新,在口腔修复领域的应用逐步增多,日趋成熟。主要应用于钛合金、金合金和镍铬、钴铬合金的焊接,适用于铸造支架、烤瓷冠桥和附着体等的焊接。
  3.6塑料激光焊接
  激光焊可应用于绝大部分塑料。激光焊是一项无振动焊接技术,特别适用于鼠标、移动电话、连接器等精密的电子元器件,以及需要以更清洁的方式来熔接的复杂部件,例如含有线路板的塑料制品、医疗设备等。
  在汽车工业中,激光焊接塑料技术可用于制造很多汽车零部件,激光还可以将塑料薄膜焊在一起,操作过程快捷[10]。
  塑料对近红外线激光的吸收率也是影响激光焊接效果的重要因素。为克服激光焊接的局限性,一些塑料生产商积极研究开发有助于改善激光透射率及吸收率的新材料,并取得了可喜的进展,为激光焊接技术带来更广阔的应用前景。
3.7航空航天工业的应用
  20世纪70年代初,美国在航空、航天工业中即已利用15kW的CO2激光器针对飞机制造业中的各种材料、零部件,进行焊接试验及评估工艺的标准化。欧盟国家中,意大利首先于20世纪70年代末从美国引进15kW的CO2激光器,随后由欧盟对航空发动机、航天工业中的各种容器及轻量级结构立项,开展了长达8年的激光焊接应用研究。材料涉及钛合金、镍基、铁基高温合金等。近年来新的应用成果是铝合金飞机机身的制造,用激光焊接技术取代传统的铆钉,从而减轻机身自重、提高强度均近20%,此项技术计划用于空客318、380以及一些无人驾驶飞机的制造。
  3.8造船工业的应用
  造船是激光焊应用又一个重要领域。造船的主要工艺是焊接。采用激光焊的优点在于可得到高强度的焊件,从而在设计上减小所用材料的厚度,达到轻重量、高强度的目标。美国经计算得出航空母舰如采用激光焊可减轻重量200t。实际上当前欧洲的一些大型游轮的建造,激光焊的应用达到20%左右,近期目标达到50%。此外,海洋平台、潜艇的结构件还有许多激光焊接的例子。
  4激光焊技术最新进展
  自激光焊接技术问世以来,科技工作者从未停止对它的深入研究。近年来的最新进展主要体现在以下几个方面:
  4.1大功率激光器的研发
  由于生产的需要,高功率、短波长的激光器一直是国内外研究的重点,目前工业用CO2激光器的最大功率已达到万瓦级,YAG激光器也有千瓦级,如TRUMPF公司已有20kW的CO2激光器和6kW的YAG激光器的供应。国内武汉金石凯公司也能够生产20kW的CO2激光器。而近几年,许多新型激光器也正在迅速地发展,如CO激光器和光纤激光器。
  4.2激光焊接机器人
  把激光用于焊接机器人是激光焊的一种重要形式。焊接机器人具有多自由度、编程灵活、自动化及柔性程度高等优点,是焊接生产线的重要组成部分。将激光器安装在焊接机器人上进行焊接,可大大提高焊接机器人的焊接质量和适用范围,在船板、汽车生产线中具有越来越重要的地位。
  4.3激光-电弧复合焊
  激光焊接具有焊缝深宽比大、热影响区窄、焊接速度快、焊接热输入少、焊接变形小、聚焦后的光斑直径小以及能量密度高的优点,但是对焊接接头装配精度和间隙要求高,焊缝易出现气孔、裂纹和咬边等缺陷,设备投资大,能量转换率低。而常规的熔化极电弧焊虽然焊接速度慢、焊接热输入大、熔深小、热影响区宽、焊接变形大,但是设备投资小,对间隙不敏感,能填充金属。所以,近年来激光焊接的发展趋势之一就是采用激光+电弧的复合焊接方法,将激光和电弧两种热源的优点集中起来,弥补单热源焊接工艺的不足。
4.4激光填丝焊
  激光填丝焊与普通填丝焊焊接工艺类似,在激光照射焊缝的同时,输入特定金属丝。采用该方法的优点是:解决了对工件装夹要求严格的问题,可以实现小功率激光器焊接厚大的构件,更重要的是,适当地选择填丝种类,能够改善焊缝质量,获得硬度和塑性较好的焊接接头。Salminen对激光束与焊丝的相互作用进行了专门的试验研究,并对焊丝反射部分的能量进行了测量,发现反射的激光功率受送丝速度的影响很大,送丝速度的提高将使激光的反射能量明显增加[15]。因此,选择合适的送丝速度是激光填丝焊的关键。
  5结束语
  激光焊接技术是集激光技术、焊接技术、自动化技术、材料技术、机械制造技术及产品设计为一体的综合技术。汽车工业的发展对焊接质量提出了更高的要求。激光焊因其高能量密度、深穿透、高精度、适应性强等优点,在汽车工业中充分发挥了其先进、快速、灵活的加工特点,不仅焊接生产率高于传统焊接方法,而且焊接质量也得到了显著的提高。激光焊接技术发展到今天,其逐步取代电弧焊、电阻焊等传统焊接方法的趋势已不可逆转。在21世纪中,激光焊接技术在材料连接领域必将起到至关重要的作用。
  激光焊接是一种焊接新技术,其应用范围和焊接能力并没有被人们完全认识,还有待于科技工作者进一步研究和开发。相信不久的将来,激光焊接技术不仅会在更多的加工领域出现,而且还会成为这些领域的主流加工技术之一。    
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