激光论文

浅谈激光焊接技术及其应用 摘要：激光焊接是利用激光束聚焦后所获得的能量高，方向性好的光束照射在工件所需的位， 光能转化为热能，从而熔化金属进行焊接的一种方法。激光焊接在机械，汽车，钢铁， 造船，航空航天等行业得到了日益广泛的应用，并促进了技术的发展和进步。 本文主要论述了激光焊接的工作机理及其特点，简单了影响激光焊接质量的因素，并介绍了激光焊接在现代工业实际中的应用。 关键词： 激光焊接　功率密度　熔焊　应用 1 激光焊接的工作机理 2 0世纪60年代以来，随着CO2，YAG等激光器的诞生，他们广泛应用于焊接中, 激光焊接的工作机理按激光器所提供的功率密度的大小可分为两种：其一是激光传热熔化 焊，工件面吸收射激光，然后通过热传导而形成一定体积的熔池，这类激光器的功率密度 为105～106w／cm2。另一种为激光深熔焊，它是由于在高的功率密度下瞬间汽化而形 成圆孔空腔，随着激光束和工件的相对运动似的远控附近的金属熔化，流动，封闭，凝固连 接形成焊缝，这类激光器的功率密度为106～108w／cm2。 2.　激光焊接的主要特性 　 与其他焊接方法相比，激光焊接的主要优点有： (1)激光焊接的功率密度大，方向性强 (2)激光焊接速度快，深度大，变形小 (3)激光焊接设备简单，可直接在大气中焊接，不需要真空或惰性气体的保护，便于用于实际生产。 (4)由于激光束能利用反射面将其向任何方向弯曲或聚焦，所以适合于焊接较复杂的零件。 (5)激光焊接还可以应用于异种金属材料的焊接，甚至可以焊接玻璃钢等非金属。 但是，激光焊接也存在着一定的局限性：1、要求焊件装配精度高，且要求光束在工件上 位置不能有显著偏移。这是因为激光聚焦后光斑尺雨寸小，焊缝窄，为加填充金属材料。若 工件装配精度或光束定位精度达不到要求，很容易造成焊接缺憾。2、激光器及其相关系统 的成本较高，一次性投资较大。 随着市场的进一步扩大，电源设备的价格也将会有所下降， 并将使激光混合焊接技术在更多的领域中得到应用。至少激光混合焊接技术在铝合金材 料的焊接中是一种非常合适的焊接工艺，将在较长的时期内成为主要的焊接生产工具。  　3.　影响激光焊接质量的因素 激光焊接参数是决定焊接能力的重要因素，直接影响焊接质量，因此必须对激光焊的 工艺参数进行研究和控制，才能有效采用激光焊接技术。 主要的工艺参数有：激光输出功率，激光输出波形，激光脉冲宽度，离焦量和焦距， 焊接速度，材料的吸收率，保护气体等。 1)激光功率。激光焊接中存在一个激光能量密度阈值，低于此值，熔深很浅，一旦达到或 过此值，熔深会大幅度提高。只有当工件上的激光功率密度超过阈值（与材料有关），等 子体才会产生，这标志着稳定深熔焊的进行。 2)光束焦斑。光束斑点大小是激光焊接的最重要变量之一，因为它决定功率密度。但对高 率激光来说，对它的测量是一个难，尽管已经有很多间接测量技术。 光束焦点衍射极限光斑尺寸可以根据光衍射理论计算，但由于聚焦透镜像差的存在，实际光 斑要比计算值偏大。最简单的实测方法是等温度轮廓法，即用厚纸烧焦和穿透聚丙烯板后测 量焦斑和穿孔直径。这种方法要通过测量实践，掌握好激光功率大小和光束作用的时间。 3)材料吸收值。材料对激光的吸收取决于材料的一些重要性能，如吸收率、反射率、热导率、 熔化温度、蒸发温度等，其中最重要的是吸收率。 4)焊接速度。焊接速度对熔深影响较大，提高速度会使熔深变浅，但速度过低又会导致材料 过度熔化、工件焊穿。所以，对一定激光功率和一定厚度的某特定材料有一个合适的焊接速 度范围，并在其中相应速度值时可获得最大熔深。 5)保护气体。激光焊接过程常使用惰性气体来保护熔池，当某些材料焊接可不计较表面氧化 时则也可不考虑保护，但对大多数应用场合则常使用氦、氩、氮等气体作保护，使工件在焊 接过程中免受氧化。氦气不易电离（电离能量较高），可让激光顺利通过，光束能量不受阻 碍地直达工件表面。这是激光焊接时使用最有效的保护气体，但价格比较贵。氩气比较便宜， 密度较大，所以保护效果较好。但它易受高温金属等离子体电离，结果屏蔽了部分光束射向 工件，减少了焊接的有效激光功率，也损害焊接速度与熔深。使用氩气保护的焊件表面要比 使用氦气保护时来得光滑。氮气作为保护气体最便宜，但对某些类型不锈钢焊接时并不适用， 主要是由于冶金学方面问题，如吸收，有时会在搭接区产生气孔。 4.　激光焊接工艺方法   1)、片与片间的焊接 包括对焊、端焊、中心穿透熔化焊、中心穿孔熔化焊等4种工艺方法。 对焊要求对缝质量较高，一般采用自动化焊接或手动焊接。 参考机型： 激光通用焊接机（氙灯泵浦Nd:YAG激光器）：AHL-W200、AHL-W400 光纤传输激光焊接机：AHL-FW200、AHL-FW400 2)、丝与丝的焊接 包括丝与丝对焊、交叉焊、平行搭接焊、T型焊等4种工艺方法。 对这种焊接一般不适合自动焊接，采用手动焊接或半自动焊接。 参考机型： 激光通用焊接机（氙灯泵浦Nd:YAG激光器）：AHL-W200、AHL-W400 光纤传输激光焊接机：AHL-FW200、AHL-FW400 激光点焊机（氙灯泵浦Nd:YAG激光器）：AHL-W75、AHL-W90 激光模具烧焊机（氙灯泵浦Nd:YAG激光器）：AHL-W120II、AHL-W180III、AHL-W180IV 　3)、金属丝与块状元件的焊接 采用激光焊接可以成功的实现金属丝与块状元件的连接，块状元件的尺寸可以任意。在 焊接中应注意丝状元件的几何尺寸。 参考机型： 激光点焊机（氙灯泵浦Nd:YAG激光器）：AHL-W75、AHL-W90 激光模具烧焊机（氙灯泵浦Nd:YAG激光器）：AHL-W120II、AHL-W180III、AHL-W180IV 4)、不同块的组焊及密封焊 在组件物体上缝上进行密封焊接及组焊，如传感器等 参考机型： 激光通用焊接机（氙灯泵浦Nd:YAG激光器）：AHL-W200、AHL-W400 光纤传输激光焊接机：AHL-FW200、AHL-FW400 激光模具烧焊机（氙灯泵浦Nd:YAG激光器）：AHL-W180III、AHL-W180IV\ 5)、块状物件补焊 采用激光将激光焊丝熔化沉积到基材上。一般适合模具等产品修补。参考机型： 激光模具烧焊机（氙灯泵浦Nd:YAG激光器）：AHL-W180III、AHL-W180IV 激光点焊机（氙灯泵浦Nd:YAG激光器）：AHL-W75、AHL-W90 5. 激光焊接在现代工业中的实际应用 在发达国家中，激光焊接已得到了普遍的应用，以汽车业为例，世界许多大的汽车商 车身都采用激光焊接，车身通常是由一个大的冲压件经过激光焊将平板坯拼接而成，由于 激光焊接小的体积变形，几乎没有扭曲，配合机器人的自动化操作，可得到符合条件 的车身，节省劳力和成本。同时激光焊接还可以将不同厚度，不同材质，不同强度的数块 板坯焊在一起，用来压制大型的覆盖件，这样可减少冲模，焊接设备和工具，提高部件的 精度，改善零件的整体性。 在国内，激光焊接在对板材拼接的焊接，多联齿轮的焊接，双金属锯条的焊接等激光 焊接工艺都有一定的研究。中科院长春广电研究所利用CO2激光器焊接双金属焊条，焊接功率为700K，焊速2m／min，焊后经过高温回火，得到电子束焊接的质量，使用寿命极高。 上海光电研究所和华中科技大学联合应用国产大功率C02激光器进行齿轮深熔焊接，得 到焊接深度4mm，深宽比为2：1的焊缝。为解决武汉钢铁公司和东风汽车公司车身激光 焊接的需要，我国研制了一套激光焊接设备，解决了高功率CO2焊接设备的关键技术对开展4～6mm激光焊接提供了重要作用。 6.改善和发展激光焊接的新技术    以下几项技术有助扩展激光焊接的应用范围及提高激光焊接自动控制水平    a）填充焊丝激光焊       激光焊接一般不填充焊丝，但对焊件装配间隙要求很高，实际生产中有时很难保证，限制了其应用范围。采用填丝激光焊，可大大降低对装配间隙的要求。例如板厚2mm的铝合金板，如不采用填充焊丝，板材间隙必须为零才能获得良好的成形，如采用φ1.6mm的焊丝做为填充金属，即使间隙增至1.0mm，也可保证焊缝良好的成形。    此外，填充焊丝还可以调整化学成分或进行厚板多层焊。    b.） 光束旋转激光焊      使激光束旋转进行焊接的方法，也可大大降低焊件装配以及光束对中的要求。例如在2mm厚高强合金钢板对接时，容许对缝装配间隙从0.14mm增大到0.25mm；而对4mm厚的板，则从0.23mm增大到0.30mm。光束中心与焊缝中心的对准允许误差从0.25mm增加至0.5mm。   c）激光焊接质量在线检测与控制       利用等离子体的光、声、电荷信号对激光焊接过程进行检测，近年来已成为国内外研究的热点，少数研究成果已达到了闭环控制的程度。该系统所用传感器及其功能简单介绍如下：  （l）等离子体监测传感器    1）等离子体光学传感器（PS）：它的作用是采集等离子体的特征光-紫外光信。     2）等离子体电荷传感器（PCS）；利用喷嘴做探针检测由于等离子体带电粒子（正离子、电子）的不均匀扩散而在喷嘴和工件之间形成的电位差。  （2）系统功能      1）识别激光焊接过程属于何种方式。稳定深熔焊过程，有等离子体，PS、PCS信号均很强；稳定热导焊过程，不产生等离子体，PS、PCS信号几乎等于零；模式不稳定焊过程，等离子体间断性地产生和消失，相应地PS、PCS信号间断性地上升和下降。      2）诊断传输到焊接区的激光功率是否正常。当其他参数一定时，PS和PCS信号的强弱与入射到焊接区的功率大小有对应关系。因此，监视PS和PCS信号就可以知道导光系统是否正常，焊接区的功率是否发生了波动。       3）喷嘴高度自动跟踪。 PCS信号随喷嘴-工件距离的增加而减小。利用这一规律进行闭环控制可以保证喷嘴-工作距离不变，实现高度方向的自动跟踪。 4）焦点位置自动寻优和闭环控制。在深熔焊范围内，光束焦点位置发生波动时，PS接收到的等离子体光信号亦随之变化，以最佳焦点位置处（此对小孔最深）PS信号最小。依据所发现的这个规律，可以实现焦点位置自动寻优与闭环控制，使焦点位置波动小于0.2mm，熔深波动小于0.05mm。 7.结束语 　　虽然激光技术仅有几十年广泛发展的历史，但随着科技的进步以及焊接与激光的紧密结合，激光焊接以其高的能量密度，方向性强及变形小的优势正逐步应用于制造业，国防工业，粉末冶金领域，电子工业，生物医学等领域，相信不久的将来，激光焊接技术会得到更为广泛的应用，极大地促进工业的发展和人类的文明和进步。 　　 　　 参考文献： 　　[1]张永康.激光焊接技术[M].化学工业出版社，2004：68-76. 　　[2]郑启光，激光先进制造技术[M].华中科技大学出版社,2001：110-120. 　　[3]王元良.焊接科学与工程[M].西南交通大学出版社,2008:68-70. 　　[4][美]howard B.Cary.现代焊接技术[M].化学工业出版社，2010：188，192-30.