j激光焊接的发展及应用

激光焊接的发展及应用摘要：论述了激光焊接工艺的特点，激光焊接存汽车工业、徽电子工业、生物医学等领域的应用以及研究现状，激光焊接的智能化控制，需进一步研究与探讨的问题关键词：激光焊接，混合焊接，焊接装置，应用领域Abstract：Thispaperdissertatesthecharacteristicofthelaserweldingcraft，itsapplicationandcurrentresearchinsuchfieldsasautoindustry，microelectronicsindustry，biomedicine，etc．，theintelligentcontroloflaserwelding，andtheproblemsthatneedfurtherresearchinganddiscussing．Kewwords：laserweldingcompositeweldingweldingequipmentapplicationfields1.引言激光焊接是激光加工技术应用的重要方而之一，20世纪70年代主要用于焊接薄壁材料和低速焊接，焊接过程属于热传导型，即激光加热工件表面，热量通过热传导向内部扩散，通过控制激光脉冲的宽度、能量、峰值功率和重复率等参数．使工件熔化，形成特定的熔池。激光焊接作为一种高质量、高精度、低变形、高效率和高速度的焊接方法，随着高功率CO2和高功率YAG激光器以及光纤传输技术的完善、金属钼焊接聚束物镜等的研制成功，其在机械制造、航空航天、汽车工业、粉末冶金、生物医学、徽电子行业等领域的应用越来越广。目前的研究丰要集中于CO2激光和YAG激光焊接各种金属材料时的理论．包括激光诱发的等离子体发光、吸收、散射特性、激光焊接智能化控制、复合焊接、激光焊接现象及小孔行为、焊接缺陷发生机理与防止方法等。并对镍基耐热合金、铝合金及镁合金的焊接性，焊接现象建模与数值模拟，钢铁材料、铜、铝合金与异种材料的连接，激光接头性能评价等方面做了广泛的研究[1]。2.激光焊接的质量与特点激光焊接是将高强度的激光辐射至金属表面，通过激光与金属的相互作用，金属吸收激光转化为热能使金属熔化后冷却结晶形成焊接。图1显示在不同的辐射功率密度下熔化过程的演变阶段，激光焊接的机理有两种：（1）热传导焊接；（2）激光深熔焊。2.1.激光焊接的焊缝形状对于大功率深熔焊由于在焊缝熔池处的熔化金属，南于材料的瞬时汽化而形成深穿的闭孔空腔，随着激光束与工件的相对运动使小孔周边金属不断熔化、流动、封闭、凝同而形成连续焊缝，其焊缝形状深而窄，即具有较大的熔深熔宽比，在高功率器件焊接时，深宽比可达5：1，最高可达10：1[2]。图2显示四种焊法在316不锈钢及DUCOLW30钢上的焊缝截面形状的比较，对比的结论有以下几点：（1)激光焊与电子束焊、钨极惰性气体电弧焊、等离子焊的主要优点相似：焊缝窄、穿透性强、焊缝两边平、热影响区小（2）电弧焊和等离子焊投资少，广泛应用了很多年，经验比较多；（3)激光焊和电子束焊须在真空或局部真空中进行，也可在空气中，但电子束穿透能力比激光差；（4）激光焊和电子束焊，焊缝窄且热影响区小．因而变形小。2.2.激光焊接焊缝的组织性能大功率激光焊接，因其能量密度极高，被焊工件经受快速加热和冷却的反复作用，使得焊缝和热影响区域极窄，硬度远远高于母材[3]，该区域的塑性相对较低。为了降低接头区域的硬度，应采取焊接前预热和焊后回火等相应的工艺措施。在激光焊接中，现行焊接艺一般不需要填充金属。在这种情况下，焊缝的组织和硬度主要南钢板的化学成分和激光照射条件来决定。采用填充焊丝的激光焊接南于可以选择任意合金成分的焊丝作为最佳的焊缝过渡合金，因而可以保证两侧母材的联结具有最佳性能[4]。3.激光焊接的应用领域3.1.制造业应用激光拼焊(TailoredBlandLaserWelding)技术在国外轿车制造中得到广泛的应用[6]，据统计，2000年全球范同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，Bulck，Audi等也采用了一些剪裁坯板结构。日本以CO2激光焊代替了闪光对焊进行制钢业轧钢卷材的连接，超薄板焊接，如板厚100~tm以下的箔片无法熔焊，但通过有特殊输出功率波形的YAG激光焊得以成功，显示了激光焊的广阔前途。日本还在世界上首次成功开发了将YAG激光焊用于核反应堆中蒸气发生器细管的维修等161，在同内苏宝蓉等还进行了齿轮的激光焊接技术[7]。20世纪80年代后期，千瓦级激光器成功应用于T业生产，而今激光焊接生产线已大规模出现在汽车制造业，或为汽车制造业突出的成就之一。9O年代美国通用、福特和克莱斯特公司竞相将激光焊接引入汽车制造，尽管起步较晚，但发展很快。意大利菲亚特在大多数钢板组，牛的焊接装配中采用了激光焊接，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接和切割工艺，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的越来越多，根据美国金属市场统计，至2002年底，激光焊接钢结构的消耗将达到7万吨，比1998年增加3倍。3.2.粉末冶金领域随着科学技术的不断发展．许多技术对材料有特殊要求．应用冶铸方法制造的材料已不能满足需要。由于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．它与其它零件的连接问题显得日益突出．使粉末冶金材料的应用受到限[8]。在20世纪80年代初期．激光焊以其独特的优点进入粉末冶金材料加T领域，为粉末冶金材料的应用开辟了新的前景，如采用粉末冶金。料连接中常用的钎焊方法焊接金刚石，由于结合强度低，热影响区宽特别是不能适应高温及强度要求高而引起钎料熔化脱落，采用激光焊接可以提高焊接强度以及耐高温性能[9-11]。3.3.电子工业激光焊接在电子T业中，特别是微电子工业中得到了广泛的应用[12]。由于激光焊接热影响区小，加热集中迅速、热应力低，因而正在集成电路和半导体器件壳体的封装中．显示了独特的优越性，在真空器件研制中，激光焊接也得到了应用，如钼聚焦极与不锈钢支持环、快热阴极灯丝组件等。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，电弧焊容易焊穿，等离子焊稳定性差，影响因素多，而采用激光焊接效果很好，得到广泛的应用。3.4.生物医学生物组织的激光焊接始于20世纪70年代，Klink等及Jain[13]用激光焊接输卵管和血管的成功及显示出来的优越性，使更多研究者尝试焊接各种生物组织，并推广到其它组织的焊接[14,15]。有关激光焊接神经方面，目前同内外的研究主要集中在激光波长、剂量及对功能恢复及激光焊料选择等方面[16-181，刘铜军在激光焊接小血管及皮肤[19]等基础研究的基础上又对大白鼠胆总管进行了焊接研究[20]。激光焊接疗法与与传统的缝合方法比较．激光焊接具有吻合速度快．愈合过程中没有异物反应，保持焊接部位的机械性质，被修复组织按其原生物力学性状牛长等优点[21]，将在以后的生物医学中得到更广泛的应用。3.5.其他领域在其他行业中，激光焊接也逐渐增加，特别是在特种材料焊接方面，我国进行了许多研究，如对BT20钛合金[22]、HE130合金[23]、Li—ion[24]电池等激光焊接。德国玻璃机械制造商GlamacoCoswig公司与IFW接合技术与材料实验研究院合作开发出了一种用于平板玻璃的激光焊接新技术。4.激光焊接设备的智能化控制激光焊接监控自动化的关键之一是熔池的实时监视，因此，跟踪传感器的选择成了一个至关重要的前提：在所有传感器中，光学传感器以其灵敏度和测量精度高，动态特性好，与I件无接触及包含的信息量大等特点，成为发展最快的跟踪传感器。而CCD(Charge—coupledDevice电荷耦合装置集成光学器件的应用，又使得光学传感器上升到视频传感的新高度[25]。激光焊接的优点之一是焊接速度快，薄板的焊接速度可达10m／min以上[26]，但在高速连续的焊接过程中，如果出现焊接缺陷，将在极短的时间内造成大量的废品。实现在线的激光焊接质量监测是保汪质量十分重要的环节，华中科技大学设计的信号处理及反馈控制系统，通过将声、光传感器所采集的信号放大、滤波、双限比较后进行A／D转换，再将数字信号由微机进行处理等，对激光输出功率、焊接速度、离焦量等r艺参数进行控制实现最佳工艺参数[27]。解决熔透问题，基本前提是对激光焊接过程进行实时检测和控制，提取激光焊接的特征信号。5.1.复合焊接人们在广泛应用激光焊接技术的同时，不断地对其进行深入的研究，发现它有一定的缺点：在激光焊接过程中，母材受热熔化、汽化，形成深熔小孔，孔中充满金属蒸汽，金属气体激光作用形成等离子云。等离子云吸收、反射激光，降低金属材料对激光的吸收率，使激光的能量利用率降低；对焊接母材端面接要求高，容易产生错位；容易生成气孔疏松和裂纹；焊后在母材端面之问的接口部位存在凹陷，焊接过程不稳定等。为减少或消除单热源激光焊接的缺陷，人们在保持激光加热优点的基础上，利用其他热源的加热特性来改善激光对工件的加热，从而把激光与其他热源一起进行复合热源焊接，主要有激光与电弧、激光与等离子弧、激光与感应热源复合焊接以及双激光束焊接等。激光与电弧焊接结合起来，这种复合工艺综合了激光与电弧的优点，即将激光的高能量密度和电弧的较大加热区组合起来，其优点：1）可增加焊接熔深；2）提高焊接速度与生产率；3）改善接头性能；4）降低设备成本，同时通过激光与电弧的相互作用，来改善激光能量的耦合特性和电弧的稳定性，以获得一种综合的效果，但是由于电弧的引入增加了焊接的热输入，从而使焊接热影响区和热变形增大。5.2.激光焊接的控制在激光焊接熔透控制研究中，建立熔池形状参数与焊接工艺间的关系是关键问题，在实验过程中，对熔池形状信息获知越丰富，对焊接过程熔透控制的效果越理想。许多学者根据激光深熔焊中的小孔机制，对激光焊接的温度场、液体流动及小孔形状、尺寸进行了计算并取得了一定效果。5.3.激光焊接的激光发生器及其工艺发展趋势目前的激光焊接所使用的激光器主要为大功率CO2，激光器和脉冲Nd：YAG激光器，对于CO2气体激光要解决大功率激光器的放电稳定性，对于YAG固体激光器要研制大容量、长寿命的光泵激励光源。光纤激光器具有高转换效率和极低损耗，极好光束质量、高效率和可靠性，并且结构非常紧凑，在不远的将来，单光纤、单模光纤的输出功率将超过千瓦级，在激光焊接领域将得到应用。采用直接二极管阵列激光输出波长在近红外区域的激光平均功率已达lkW，光电转换效率接近50％，这些激光设备和技术，将在焊接应用方面发挥更大的作用。在激光光束质量及加r外罔装置方面，应研究各种激光加工工艺对激光光束的质量要求、激光光束和加工质量监控技术、光学系统及加工头设计和研制，开展焊接艺及材料、焊接T艺对设备要求及焊接过程参数监测和控制技术研究，从而掌握普通钢材、有色金属及特殊钢材的焊接工艺。参考文献l.鹫尾邦彦Lasermaterialprocessingapplicationsinelectonicandeletricindustries【J】溶接学会论文集，2001，(19)：176～1912.关振中激光加工工艺手册，北京：：中国计量出版社，1998手家淳，激光焊接技术的发展与展望．激光技术，2001．25(1)：48～543.KristensenJK．Laserweldingintheheavysteelindustry，WeldingreviewInternational，1996，(2)：554.梅汉华，肖荣诗，左铁钏。采用填充焊丝激光焊接工艺的研究．北京工业大学学报，1996，22(3)：38～425.刘亚林，拿长义，吴海树．异种金属激光焊接熔焊区的组织合金化．现代口腔医学杂志，2002，16(4)：310～3126.胡伦骥，刘建华，汤漾平等．宽板激光拼接技术及设备．