激光焊接技術應用及其發(fā)展

激光焊接技術應用及其發(fā)展
激光焊接的質量與特點：
激光焊接是將高強度的激光輻射至金屬表面, 通過激光與金屬的相互作用,金屬吸收激光轉化為熱能，使金屬熔化后冷卻為結晶，從而形成焊接。激光焊接的機理有兩種: (1) 熱傳導焊接; (2)激光深熔焊。
激光焊接的優(yōu)缺點：
激光焊接作為新型的焊接方式，正逐漸普及，但是它在擁有大量優(yōu)點的同時，不可避免的就會出現(xiàn)一些缺點。
激光焊接的主要優(yōu)點 （1）可將入熱量降到最低的需要量，熱影響區(qū)金相變化范圍小，且因熱傳導所導致的變形亦最低；
（2）32mm板厚單道焊接的焊接工藝參數(shù)業(yè)經檢定合格，可降低厚板焊接所需的時間甚至可省掉填料金屬的使用；
（3）不需使用電極，沒有電極污染或受損的顧慮。且因不屬于接觸式焊接制程，機具的耗損及變形接可降至最低；
（4）激光束易于聚焦、對準及受光學儀器所導引，可放置在離工件適當之距離，且可在工件周圍的機具或障礙間再導引，其他焊接法則因受到上述的空間限制而無法發(fā)揮；
（5）工件可放置在封閉的空間（經抽真空或內部氣體環(huán)境在控制下）；
（6）激光束可聚焦在很小的區(qū)域，可焊接小型且間隔相近的部件；
（7）可焊材質種類范圍大，亦可相互接合各種異質材料；
（8）易于以自動化進行高速焊接，亦可以數(shù)位或電腦控制；
（9）焊接薄材時，不會像電弧焊接那樣容易有回熔的困擾；
（10）不受磁場所影響（電弧焊接及電子束焊接則容易），能精確的對準焊件；
（11）可焊接不同物性（如不同電阻）的兩種金屬；
（12）不需真空，亦不需做X射線防護；
（13）若以穿孔式焊接，焊道深一寬比可達10:1；
（14）可以切換裝置將激光束傳送至多個工作站。
激光焊接的主要缺點
（1）焊件位置需非常精確，務必在激光束的聚焦范圍內；
（2）焊件需使用夾治具時，必須確保焊件的最終位置需與激光束將沖擊的焊點對準;
（3）最大可焊厚度受到限制滲透厚度遠超過19mm的工件，生產線上不適合使用激光焊接；
（4）高反射性及高導熱性材料如鋁、銅及其合金等，焊接性會受激光所改變；
（5）當進行中能量至高能量的激光束焊接時，需使用等離子控制器將熔池周圍的離子化氣體驅除，以確保焊道的再出現(xiàn)；
（6）能量轉換效率太低，通常低于10%；
（7）焊道快速凝固，可能有氣孔及脆化的顧慮；
（8）設備昂貴。
激光焊接的應用領域： 1、制造業(yè)應用
激光拼焊(TailoredBlandLaserWelding)技術在國外轎車制造中得到廣泛的應用，據(jù)統(tǒng)計，2000年全球范圍內剪裁坯板激光拼焊生產線超過100條，年產轎車構件拼焊坯板7000萬件，并繼續(xù)以較高速度增長。國內生產的引進車型Passat，Buick，Audi等也采用了一些剪裁坯板結構。日本以CO2激光焊代替了閃光對焊進行制鋼業(yè)軋鋼卷材的連接，在超薄板焊接的研究，如板厚100微米以下的箔片，無法熔焊，但通過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行了齒輪的激光焊接技術。
2、粉末冶金領域
隨著科學技術的不斷發(fā)展，許多工業(yè)技術上對材料特
殊要求，應用冶鑄方法制造的材料已不能滿足需要。由于粉末冶金材料具有特殊的性能和制造優(yōu)點，在某些領域如汽車、飛機、工具刃具制造業(yè)中正在取代傳統(tǒng)的冶鑄材料，隨著粉末冶金材料的日益發(fā)展，它與其它零件的連接問題顯得日益突出，使粉末冶金材料的應用受到限制。在八十年代初期，激光焊以其獨特的優(yōu)點進入粉末冶金材料加工領域，為粉末冶金材料的應用開辟了新的前景，如采用粉末冶金材料連接中常用的釬焊的方法焊接金剛石，由于結合強度低，熱影響區(qū)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、汽車工業(yè)
20世紀80年代后期，千瓦級激光成功應用于工業(yè)生產，而今激光焊接生產線已大規(guī)模出現(xiàn)在汽車制造業(yè)，成為汽車制造業(yè)突出的成就之一。德國奧迪、奔馳、大眾、瑞典的沃爾沃等歐洲的汽車制造廠早在20世紀80年代就率先采用激光焊接車頂、車身、側框等鈑金焊接，90年代美國通用、福特和克萊斯勒公司竟相將激光焊接引入汽車制造，盡管起步較晚，但發(fā)展很快。意大利菲亞特在大多數(shù)鋼板組件的焊接裝配中采用了激光焊接，日本的日產、本田和豐田汽車公司在制造車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)良在汽車車身制造中使用得越來越多，根據(jù)美國金屬市場統(tǒng)計，至2002年底，激光焊接鋼結構的消耗將達到70000t比1998年增加3倍。根據(jù)汽車工業(yè)批量大、自動化程度高的特點，激光焊接設備向大功率、多路式方向發(fā)展。在工藝方面美國Sandia國家實驗室與PrattWitney聯(lián)合進行在激光焊接過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研究所在使用激光焊接鋁合金車身骨架方面進行了大量的研究，認為在焊縫中添加填充余屬有助于消除熱裂紋，提高焊接速度，解決公差問題，開發(fā)的生產線已在奔馳公司的工廠投入生產。
4、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(qū)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，顯示出獨特的優(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(tǒng)焊接方法難以解決，TIG焊容易焊穿，等離子穩(wěn)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。
5、生物醫(yī)學
生物組織的激光焊接始于20世紀70年代，Klink等及jain[13]用激光焊接輸卵管和血管的成功焊接及顯示出來的優(yōu)越性，使更多研究者嘗試焊接各種生物組織，并推廣到其他組織的焊接。有關激光焊接神經方面目前國內外的研究主要集中在激光波長、劑量及其對功能恢復以及激光焊料的選擇等方面的研究，劉銅軍進行了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行了焊接研究。激光焊接方法與傳統(tǒng)的縫合方法比較，激光焊接具有吻合速度快，愈合過程中沒有異物反應，保持焊接部位的機械性質，被修復組織按其原生物力學性狀生長等優(yōu)點將在以后的生物醫(yī)學中得到更廣泛的應用。
6、其他領域
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中國內進行了許多研究，如對BT20鈦合金、HEl30合金、Li-ion電池等激光焊接，德國玻璃機械制造商GlamacoCoswig公司與IFW接合技術與材料實驗研究院合作開發(fā)出了一種用于平板玻璃的激光焊接新技術。
激光焊接發(fā)展趨勢:
1 復合焊接
人們在廣泛應用激光焊接技術的同時,不斷地對其進行深入的研究,發(fā)現(xiàn)它有一定的缺點:在激光焊接過程中,母材受熱熔化、汽化,形成深熔小孔,孔中充滿金屬蒸汽,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,焊接過程不穩(wěn)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)點的基礎上,利用其他熱源的加熱特性來改善激光對工件的加熱,從而把激光與其他熱源一起進行復合熱源焊接。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, 這種復合工藝綜合了激光與電弧的優(yōu)點,即將激光的高能量密度和電弧的較大加熱區(qū)組合起來,其優(yōu)點: 1) 可增加焊接熔深; 2) 提高焊接速度與生產率; 3) 改善接頭性能;4) 降低設備成本,同時通過激光與電弧的相互作用,來改善激光能量的耦合特性和電弧的穩(wěn)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(qū)和熱變形增大。
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(shù)與焊接工藝間的關系是關鍵問題,在實驗過程中,對熔池形狀信息獲知越豐富,對焊接過程熔透控制的效果越理想。許多學者根據(jù)激光深熔焊中的小孔機制,對激光焊接的溫度場、液體流動及小孔形狀、尺寸進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,假定能量通過傳導機制傳遞給小孔壁, 通過解熱傳導方程, 得到了一個最大的理論熔深。Sonti 等人采用二維有限元非線形模型進行了鋁合金激光深熔焊接傳輸過程的三
維計算,得到了激光焊接的三維溫度場。John 分析小孔內的能量和壓力平衡, 建立一個小孔內液體和蒸氣流動的通用模型。王海興等對前人提出的計算激光焊接深熔焊過程中熔池尺寸的方法進行了檢驗、改進與推廣, 從激光焊接過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。劉順洪進行了薄板激光焊溫度場的分析與數(shù)值模擬, 在空間域上用加權余量法,時間域上用有限差分法離散,考慮了材料熱物性參數(shù)的溫度相關性、熔化潛熱以及對流輻射等對溫度場的影響, 建立了有限元方程,并編制了相應的程序。隨著圖象傳感方法的改進, 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、長度和面積,利用這些信息建立同激光焊接工藝參數(shù)之間的關系, 對激光焊接的焊縫質量控制中有著重要的作用,這將是激光焊接研究的一個重要方向。
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二氧化碳激光器和脈沖Nd:YAG 激光器,對于二氧化碳氣體激光要解決大功率激光器的放電穩(wěn)定性,對于YAG 固體激光器要研制大容量、長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,極好光束質量、高效率和可靠性,并且結構非常緊湊,不遠的將來,單光纖、單模光纖的輸出功率將超過千瓦級,在激光焊接領域將得到應用。采用直接二極管陣列激光輸出波長在近紅外區(qū)域的激光平均功率已達1kW,光電轉換效率接近50豫,這些激光設和技術,將在焊接應用方面發(fā)揮更大的作用。在激光光束質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量要求、激光光束和加工質量監(jiān)控技術、光學系統(tǒng)及加工頭設計和研制,開展焊接工藝及材料、焊接工藝對設備要求及焊接過程參數(shù)監(jiān)測和控制技術研究,從而掌握普通鋼材、有色金屬及特殊鋼材的焊接工藝。
相信在今后的工業(yè)生產中，激光焊接技術會占據(jù)越來越大的比重，而激光技術也將引領工業(yè)進入一個新的天地。