激光焊接

激光焊接（精选十篇）

激光焊接篇1

激光焊接技术是利用激光作为热源, 它具有高功率密度, 可以获得高精密的焊接工件。激光器能发射高功率激光束, 被广泛应用于汽车制造行业中, 国外的汽车生产中对激光器的使用在以较高速度增长。其中欧洲汽车工业生产中就应用激光来焊接, 加工汽车零部件, 德国大众就在许多车型中应用了激光焊接技术, 例如汽车车顶激光焊接, 汽车后盖激光焊接。

1 激光焊接工艺

激光器现已广泛用于汽车制造业, 例如铝合金车身焊接, 激光钎焊, 汽车齿轮的激光焊接, 发动机阀的堆焊, 喷嘴焊接, 汽车车身零件的剪裁, 线圈零件的激光切割, 激光切割液压成型件, 激光打孔等。激光焊接在汽车加工过程中对激光功率、焊接速度、光斑直径、离焦量、保护气等参数要求很高。

激光功率的高低是决定焊缝熔深的主要因素, 在微秒级的时间里, 高功率激光就可以使表层加热直至沸点, 在工件表面产生大量气化现象。如果是在毫秒级时间内, 低功率激光使工件表层温度达到沸点, 在工件表层气化前, 工件底层的温度就达到了熔点, 易形成良好的熔融焊接。焊接时激光焦点上的功率密度必须大于106W/cm2, 要提高功率密度或者提高激光功率, 或者减小光斑直径, 但是如果增大激光的功率, 就会使熔池的温度很高, 焊缝的熔宽增大, 同时热影响区域也增大, 大大增加了焊料在焊接过程中的飞溅, 使工件上的焊接镜受到污染。

焊接工艺同时受到焊接速度的影响, 如果提高焊接速度, 则光源的热输入量就会下降, 焊件上的熔深深度就会减小, 就很难形成深熔小孔, 在实际操作中如果熔深达到一定直时, 则熔深就不会发生变化了。当激光为脉冲激光时, 焊接速度还要受到脉冲频率和熔斑重叠度的影响, 要获得更小的光斑, 就必须低阶模聚焦, 减小激光发散角也可以获得较小的光斑。

离焦量也影响着焊接工艺, 它是加工工件表面距离焦点的距离, 当工件表面在焦点以内时, 离焦量为负值, 当工件表面在焦点以外时, 离焦量为正值, 加工工件表面光斑的大小程度受到离焦量的影响, 热源的激光功率密度分布也受到离焦量的影响, 而且离焦量也影响激光光束的入射方向, 对焊件的焊缝形状产生影响, 焊缝的熔深和焊缝的横截面积都有很大的影响。

保护气体的选择也有很重要的作用, 激光焊接工艺在传统上采用Ar, N2, He三种保护气, 而如果在焊接过程中采用惰性气体保护气, 由于惰性气体质量较轻而逸出, 生产中不致产成气孔, 所以, 在加工工件时采用混合气体保护气。保护气的作用是在激光焊接时保护焊缝金属不受有害气体的侵袭, 焊接过程中的等离子体得到有效控制。

2 激光焊接的特性

激光焊接有很多优点, 传统的焊接 (电弧焊, 电阻焊) 的热源就远不如激光焊接。激光焊接质量高, 焊接速度快, 焊缝深度大, 工件表面形变量小, 在加工过程中不需要接触工件, 就可以直接进行加工。激光焊接不仅能焊接一般材料, 对那些熔点高, 强度高的合金材料也能焊接。激光光速聚焦后, 虽然光束能量密度很高, 但是对没有被激光照射的部位不产生影响, 对工件的热影响区域较小。不仅能在室温下焊接, 而且还能在特殊条件下焊接, 虽然焊接设备简单, 但是有很大的灵活性, 可以对非接触区域焊接。激光器与机器人连接, 实现自动化控制, 自动化程度很高, 调节激光束导向和聚焦, 变换传播方向, 可以对比较复杂的工件进行加工, 加工方法更为灵活。还可以进行拼焊, 将两个或者多个工件进行拼接, 也可以拼接不同类型和不同厚度的工件, 这样就可以减小工件材料的重量, 节约材料。在激光焊接过程中不受磁场的影响, 对加工材料是否导电不加以限制, 加工时也不需要真空操作。最重要的是在实际生产中可以提高生产效率, 提高加工质量, 提高经济效益, 节约国家能源。

3 激光焊接的局限性

在实际的焊接加工中, 往往也会出现焊接缺陷, 如果焊接下料选择不当, 焊接环境恶劣, 焊接条件不符合要求, 则焊接缺陷就会产生。

(1) 实际的焊接生产时会产生裂纹, 产生原因是由于焊料材质不同, 选择工艺参数时不符合加工标准。

(2) 如果焊接过程中装备的精度不高, 则激光光束照射到工件上的位置会有显著的偏移。

(3) 激光焊接过程中产生外观上的缺陷, 如咬边, 内凹和下陷, 焊缝高低不平, 加强高过高等。

(4) 焊接时会有气孔产生, 是由于保护气体和空气的卷入而产生的。

(5) 焊接系统中的激光器及其体部件的经济成本较高, 能量转换效率较低, 成本过高。

(6) 设备维修和使用期间存在触电危险, 因此应注意生产操作安全, 避免电击, 造成人身伤亡。

4 激光焊接原理

激光焊接原理是将高功率密度的激光束聚焦后照射到生产工件的金属表面, 高强度的激光被金属表面吸收, 与工件表面的金属相互作用, 使之产生热能, 工件表面得金属被激光融化后又经历冷却阶段, 冷却后焊料与焊件结晶后形成焊接。

按照激光焊接机理的不同, 把激光焊接分为两种:热传导焊和激光深熔焊。

4.1 热传导焊的机理。

用高功率激光器照射焊接金属表面, 照射到表面的激光被反射和吸收, 能量发生了转化, 光能转化成了热能, 大量热能将焊件表面融化, 由于金属具有热传导性, 它把这些热能传递出去, 逐步将焊件融化, 最终使两个焊接工件结合在一起。它的特点是焊接熔池表面封闭, 不影响其它区域, 在焊接过程中激光束并没有穿透整体焊件, 只在表面进行焊接, 同时焊件的焊缝处不容易被气体侵入。

4.2 激光深熔焊的机理。

在理论上激光深熔焊前期跟热传导焊类似, 也是将大功率密度的激光的能量转化成热能, 焊接材料被融化, 但是融化到气化程度, 则会在焊件表面产生金属蒸汽, 在其反作用力的影响下, 已经融化的金属液体就会向材料表面的四周排挤, 同时就在焊件表面上形成了凹陷, 随着照射时间的增加, 凹陷继续加深, 当停止照射后, 被排挤出去的溶液就会又回流到凹陷内, 等到溶液冷却后, 两个焊件就会很好的焊接到一起了。这种焊接的特点是焊件表面的熔池被穿成了小孔, 从而导致小孔不能关闭, 进而产生了气孔, 但是在一些情况下这两种焊接机理也可以互相转化。在实际生产实践中, 有时并不区别到底是哪种焊接机理。

5 结语

激光焊接的应用日趋广泛, 是与其优异性能分不开的, 今年来激光焊接技术稳步提高, 日益成熟, 越来越受到人们的关注。在汽车生产行业中, 汽车车身焊接中, 汽车后厢盖焊接中, 激光焊接技术应用很广泛, 提高生产效率, 提高经济效益。符合国家提倡的低能耗, 短流程, 高效率的发展趋势。

摘要：介绍了激光焊接工艺, 激光焊接的优点和局限性, 激光焊接原理。

关键词：激光器,激光焊接

参考文献

[1]易树平.激光焊接在车体制造中的应用.中国机械工程, 1994 (5)

[2]张旭东.CO2激光2M I G同轴复合焊方法及铝合金焊接的研究.应用激光, 2005 (2)

[3]胡强.不锈钢的激光焊接.电焊机, 2002 (6)

[4]林志.YAG激光焊接Be/Al合金的结晶组织分析.北京科技大学学报, 2003 (10)

[5]胡伦骥.汽车板激光焊工艺研究.钢铁研究, 1995 (5)

激光焊接前景讲解篇2

摘要：焊接是一种将材料永久连接，并成为具有给定功能结构的制造技术。近几年中国完成的一些标志性工程来看，焊接技术发挥了重要作用。但传统焊接已不能满足越来越高的技术要求和条件限制，激光焊接便有了很大的发展空间。激光技术涉及材料学、力学、计算机科学等。研发是一个消耗的过程，其投入要求高，资金回收期较长。单靠企业研发，速度很难跟上，于是有一部分压力转移到国家科研机构。所以产业化需要强大的经济实体后盾和政策支持。关键词：焊接技术

关键制造工艺

激光焊接

产业化

焊接是一种将材料永久连接，并成为具有给定功能结构的制造技术。几乎所有的产品，从几十万吨巨轮到不足1克的微电子元件，在生产制造中都不同程度地应用焊接技术。焊接已经渗透到制造业的各个领域，直接影响到产品的质量、可靠性和寿命以及生产的成本、效率和市场反应速度。中国2005年钢产量达到3．49亿吨，成为世界最大的钢材生产与消费国，而焊接结构的用钢量也突破1．3亿吨，相当于美国一年的钢产量，成为世界上空前最大的焊接钢结构制造国。近几年中国完成的一些标志性工程来看，焊接技术发挥了重要作用。例如三峡水利枢纽的水电装备就是一套庞大的焊接系统，包括导水管、蜗壳、转轮、大轴、发电机机座等，其中马氏体不锈钢转轮直径10．7m高5．4m重440t，为世界最大的铸－焊结构转轮。该转轮由上冠、下环和13或15个叶片焊接而成，每个转轮的焊接需要用12t焊丝，耗时4个多月。神舟6号飞船的成功发射与回收，标志着中国航天事业的巨大进步，其中两名航天员活动的返回舱和轨道舱都是铝合金的焊接结构，而焊接接头的气密性和变形控制是焊接制造的关键。由第一重型机械集团为神华公司制造的中国第一个煤直接液化装置的加氢反应器，直径5．5m长62m厚337mm重2060t，为当今世界最大、最重的锻－焊结构加氢反应器，采用国内自主知识产权的全自动双丝窄间隙埋弧焊技术，每条环焊缝需连续焊接5天。西气东输的管线长4000km，是中国第一条高强钢（X70）大直径长输管线，所用的螺旋钢管和直缝钢管全部是板－焊形式的焊接管。2005年我国造船的总吨位达到1212万吨，占世界造船总量的17％，居于日、韩之后，稳居世界第三位，正向年产2500万吨的世界水平迈进。国内制造的30万吨超级油轮、新型5668标箱集装箱船、15万吨散装货船，以及为世界瞩目的，被称为“中华第一盾”的170舰，都是中国造船界的骄傲，船体是典型的板－焊结构。另外，上海中泸浦大桥是世界最长的全焊钢拱桥；国家大剧院的椭球型穹顶是世界最重的钢结构穹顶；奥林匹克主体育场的鸟巢式钢结构重4万多吨，也是世界之最。这些大型结构都是中国焊接制造的最大、最重、最长、最高、最厚、最新的具有代表性的重要产品。由此可见，焊接在国民经济发展和国防建设中具有非常重要的地位和作用。从“十一五”规划的二十项国家重大技术装备的研制项目可以看出，在百万千瓦级核电机组、超超临界火力发电机组成套设备、高水头超大容量水电机组、大型抽水蓄能机组、30～60万瓦级循环硫化床（CFB）锅炉的成套技术装备、百万吨级大型乙烯成套设备、百万吨级大型对苯二甲酸成套设备、大型煤制气成套设备以及大型煤矿综合采掘成套技术与装备中，焊接制造都是关键制造工艺之一。

但传统焊接已不能满足越来越高的技术要求和条件限制，激光焊接便有了很大的发展空间。

1、激光焊接原理——激光是辐射的受激发射光放大的简称，由于其独有的高亮度、高方向性、高单色性、高相干性，自诞生以来，其在工业加工中的应用十分广泛，成为未来制造系统共同的加工手段。用激光焊接加工是利用高辐射强度的激光束，激光束经过光学系统聚焦后，其激光焦点的功率密度为104~107W/cm2，加工工件置于激光焦点附近进行加热熔化，熔化现象能否产生和产生的强弱程度主要取决于激光作用材料表面的时间、功率密度和峰值功率。控制上述各参数就可利用激光进行各种不同的焊接加工。

2、激光焊接的一般特点——激光焊接是利用激光束作为热源的一种热加工工艺，它与电子束等离子束和一般机械加工相比较，具有许多优点：（1）激光束的激光焦点光斑小，功率密度高，能焊接一些高熔点、高强度的合金材料；（2）激光焊接是无接触加工，没有工具损耗和工具调换等问题。激光束能量可调，移动速度可调，可以多种焊接加工；（3）激光焊接自动化程度高，可以用计算机进行控制，焊接速度快，功效高，可方便的进行任何复杂形状的焊接；（4）激光焊接热影响区小，材料变形小，无需后续工序处理；（5）激光可通过玻璃焊接处于真空容器内的工件及处于复杂结构内部位置的工件；（6）激光束易于导向、聚焦，实现各方向变换；（7）激光焊接与电子束加工相比较，不需要严格的真空设备系统，操作方便；（8）

激光焊接生产效率高，加工质量稳定可靠，经济效益和社会效益好。中国科学院力学研究所发动机科学与工程联合实验室近期在涡轮增压器异种材料激光焊接技术方面取得重要进展，优化后的激光焊接工艺为提高柴油发动机性能提供了重要支持。

目前，柴油发动机应用广泛，在国民经济发展中占据重要地位。作为柴油发动机的关键部件，涡轮增压器对于发动机动力性能的改善有显著作用，其异种材料焊接质量对整机性能有重要影响。在柴油发动机增压器中，涡轮叶片和涡轴杆的材料不同，参数有很大差异，对两者进行连接时易形成焊接裂纹，具有淬硬倾向。目前，业界多采用摩擦焊方式进行连接，但强度不高、成形精度差是摩擦焊的缺陷。激光焊接是一种新方式，它利用激光的相干性等特性，很好地解决了焊缝偏熔和未熔合的问题。与传统焊接工艺相比，优化后的激光焊接工艺在满足高焊接强度要求的同时，极大提高了焊接效率，为提高柴油发动机性能提供了重要技术支持。

中国科学院力学所发动机科学与工程联合实验室副主任虞刚认为，随着市场需求的扩大，汽车行业近年来的发展势头很好，但自主技术稀少、自主研发环境欠缺的问题始终没能解决。国内企业与跨国公司合作，很难获得核心技术。“没有核心技术以及后续的研发、改进，将会给产业发展带来不良影响。当前，一些汽车制造企业及科研机构已经开始独立研发，但„拿来主义‟的观念仍然很强，真正的自主研发成果少之又少。”

激光技术涉及材料学、力学、计算机科学等。研发是一个消耗的过程，其投入要求高，资金回收期较长。单靠企业研发，速度很难跟上，于是有一部分压力转移到国家科研机构。中国科学院下属研究所包含所有自然科学及工程研究领域，从技术上讲，是国家最有代表性的部门。虞刚说：“正是在这样的背景下，我们力学所从最基础的角度着手开始攻关。在激光异种材料焊接这个领域，国际上一直没有新进展。经过长期努力，我们力学所取得了突破性进展，领先国际水平。可以说，这是一项百分之百拥有自主知识产权的国际先进技术。”

谈到异种材料激光焊接技术的产业化前景，虞刚说，这项技术已经非常成熟，市场也有这方面的需求，其产业化潜力很大。但产业化有风险。虞刚给记者算了一笔账，如果一项基础研究只要投入1元钱，那么，将这项研究成果变成可用的技术就需要10元钱，而真正的产业化则需要100元钱。“这个比例让很多企业承受不了。国内大部分企业还不具备这种抗风险的能力，所以许多企业不愿意做。所以产业化需要强大的经济实体后盾和政策支持。参考文献：

《实用焊接手册》顾纪清上海科学技术出版社

《现代焊接生产手册》上海市焊接协会上海科技(2007-05出版)《焊接技术手册》河南科学技术出版社2004 年7月(1999-04出版)《激光原理与技术》阎吉祥高等教育出版社【书号】 7040145677 个人介绍“

姓名：孟军

性别：男

出生年月：1980.06 毕业院校：兰州理工大学

专业：机电工程学院机械制造

惰性气体和激光焊接比较篇3

【关键词】铝合金；激光焊接；机械性能

1、引言

在5000系列铝合金中，主要合金元素是镁，是铝的最有效和广泛使用的添加剂之一。镁的含量高达约5%，这也提高了铝合金元素的可焊合金的性能，锰可与镁合成以增加合金的强度。因此，如果设计制造一种具有尽可能高的制造焊接强度和延展性的熔焊合金，如5086，5083和5456这种合金是最好的选择。

铝合金的激光束焊接的困难在于它高的反射率，在焊接金属过程中容易发生汽化造成气孔形成。对激光束的焊接厚度5mm珠上板焊缝的机械性能进行了研究，在同一合金的TIG焊缝进行了测试。研究焊接工艺过程对机械性能的影响，对拉伸试验和焊接接头及母材金属的微硬度进行了测量。

2、实验过程

在LB焊接应用于5毫米厚的非热处理的采用3.5千瓦的CO2激光器铝合金AA5083-H321。珠上板与焊缝全焊透被执行。板被切割成尺寸300×150毫米的条状。该板的表面是用金属丝刷和丙酮清洗。激光束被聚焦在焊接板的表面上。珠上板焊缝已于自发使用交流电TIG焊用标准的2%钍钨电极的铝合金板制成。焊接后，将使用电火花切割机对样品横跨焊缝进行金相分析和拉伸试验。横向拉伸试样的形状和尺寸制备参照ASTM-E8标准。在每种条件下，三个试样均已在室温下进行测试。

优于拉伸试验，横跨焊缝、热影响区（HAZ）和偏碱金属的维氏硬度型材已经使用自动微硬度测试仪在1千克力的负载沿拉伸试样的横截面的中心线15秒下测量了。在基体金属的化学组成中，TIG和LB焊缝的样品用是真空光学发射光谱仪火花测定。化学组合物采取对焊缝两个位置的平均读数。

3、实验结果

（1）拉伸性能

对LB焊件的拉伸性能与这些基板和TIG焊接进行了比较。一般情况下，TIG和LB焊缝的拉伸性能劣于基体金属性质。所有的TIG和LB的焊接在熔融区域不合格，而不是在基体金属的拉伸试样。横向拉伸性能如屈服应力，极限拉伸强度和AA5083-H321铝合金接头的伸长率进行了评价。母材的屈服强度和抗拉强度分别为262兆帕和291兆帕。但是TIG的屈服强度和抗拉强度的焊接接头分别是176兆帕和266兆帕。这表明，在TIG焊接中，降低33%屈服强度和9%拉伸强度。LB的屈服强度和抗拉强度的焊接试样分别是222兆帕和246兆帕。这表明，由LB焊接这两个屈服强度和拉伸强度下降15%。LB焊缝的焊接屈服强度比TIG焊的焊缝屈服强度焊接样品26%更好。延展性是伸长率或面积减少率的量度。TIG和LB焊缝的延伸率也小于该基体金属。无论氩弧焊和LB焊缝的韧性是其母材的50%左右。

（2）硬度

TIG焊件的强度的减少在硬度方面中得到很好的体现。与此相反，这不能体现LB焊件的强度的降低。在TIG焊接的情况下，焊接区的硬度减少22%，而在LB焊接的情况下观察到有硬度增加9%。

（3）汽化

在TIG的熔合区，焊接试样中39%的镁，16.5%的锰和18.3%的锌损失，而镁存在于LB焊接试样中的比率要比其母材金属的高14%（收益）。在LB焊接中锰损失约18.3%。同样的锌在LB损失焊接样品中的损失高达91.7%。

4、实验结果讨论

（1）焊道外观

LB的焊缝外观是比TIG焊的外观更好的焊接板。TIG焊的再凝固部分的宽度焊接近800毫米，而LB的焊接板的只有2毫米。在TIG的较宽的宽度焊接板负责熔池中合金元素多的蒸发，从而降低其拉伸性能。

（2）拉伸性能

TIG焊接的屈服强度的降低33%是由于镁，锰和锌从焊接熔化区的蒸发导致的，应变的损耗硬化效果由于熔焊，以及毛孔由于形成氢孔隙等的存在。然而，存在屈服强度降低较少的LB焊接，即从焊接熔化区的镁元素的应变硬化效应最小损耗的最小蒸发只有15%是由于熔合区和热影响区的宽度和在焊缝区的原因而更少。在LB焊接过程中，晶粒生长得以控制是由于非常快速的加热和冷却，也由于LB焊接速度控制在3.5米/分钟，而TIG焊接是一个缓慢的加热和冷却过程中，相比于LB焊接过程中的晶粒生长比较粗糙。

（3）硬度

在研究中，在LB焊接的熔合区更高的硬度值进行了观察。这可能是由于LB焊接工艺的晶粒细化效果。

（4）汽化

TIG焊接样品中39%镁的损失主要是因为在TIG焊接过程中屈服应力值下降。与此相反，在LB焊缝过程中镁的比例略有增加，主要是在LB焊接过程中增加屈服应力。镁比例的减少自然会影响焊接接头的抗拉性能。由于锰的蒸发损失也同时影响焊接的样品的拉伸性质。已观察到，由于锁孔的形成在LB焊接试样中锌的蒸发损失是更多的。

5、结论

从上述研究得出结论：

（1）LB焊缝抗屈强度比TIG焊接高26%，LB焊接UTS的成本比TIG焊低7.5%。TIG和LB焊缝的断裂伸长率的比例几乎相同。

（2）硬度方面，在TIG焊接的情况最低的硬度分布于熔融区域中，在LB焊接的情况下绝对最小硬度值分别位于基本金属。

（3）如镁这样的挥发性元素，在TIG焊接比在LB焊接的汽化更多，而锰和锌的汽化在LB焊接中更多。总结实验结果可以看出，与TIG焊焊接相比，LB焊接工艺更适合于AA 5083 - H321 焊接。

参考文献

[1]胡昌奎，陈培锋，黄涛.激光深熔焊接光致等离子体行为及控制技术[ J ].激光杂志，2003，24 （5）：78- 80

[2]刘必利，谢颂京，姚建华.激光焊接技术应用及其发展趋势[ J ] .激光与光电子学进展， 2005，42 （9）：43- 46

作者简介

激光焊接技术综述篇4

关键词：激光,激光焊接,深熔焊接,热传导焊接

激光是20世纪以来, 人类的又一重大发明, 它是由美国科学家C.H.Townes和T.H.Maiman等在1960年发明出来的。激光是辐射的受激发射光放大的简称, 是一种电磁波, 是通过人工增幅产生的。其产生的基本条件包括泵浦源、激光介质和谐振腔等, 激光具有高的单色性、方向性、相干性和亮度性, 激光是一种新型热源[1,2]。

激光焊接是激光加工技术应用的重要方面之一, 更是2l世纪最受瞩目、最有发展前景的焊接技术[3]。与传统焊接方法对比, 激光焊接具有很多优势, 实践证明, 激光焊接应用范围越来越广泛, 基本上传统焊接工艺可以使用的领域, 激光焊接都能胜任, 且焊接质量更高, 效率更快。随着新的激光焊接技术和设备的研发, 激光焊接正在逐渐取代传统的焊接技术。自20世纪70年代以来, 已广泛应用于工业的各个领域。

1 激光焊接机理

激光焊接属于熔融焊, 以激光束作为焊接热源, 其焊接原理是:通过特定的方法激励活性介质, 使其在谐振腔中往返振荡, 进而转化成受激辐射光束, 当光束与工件相互接触时, 其能量则被工件吸收, 当温度高达材料的熔点时即可进行焊接[4]。图1为激光器原理示意图, 图2为激光焊接示意图。

按焊接熔池形成的机理划分, 激光焊接有两种基本的焊接机理:热传导焊接和深熔 (小孔) 焊接[5]。热传导焊接时产生的热量通过热传递扩散至工件内部, 使焊缝表面熔化, 基本不产生汽化现象, 常用于低速薄壁构件的焊接。深熔焊使材料汽化, 形成大量等离子体, 由于热量较大, 熔池前端会出现小孔现象。深熔焊能彻底焊透工件, 且输入能量大、焊接速度快, 是目前使用最广泛的激光焊接模式。

1.1 热传导焊接机理[6]

当激光功率密度小于105W/cm2时, 金属表面温度迅速加热到熔点和沸点之间而熔化, 通过热传导把热能向金属内部传递, 使熔池逐渐扩大, 冷却凝固时结晶形成焊点或者焊缝, 焊缝类似为椭球形。激光与材料的相互作用过程中, 很大一部分激光束被金属表面反射, 激光的吸收率较低, 没有蒸汽压的作用, 激光光斑功率密度也会变得较低, 不产生小孔效应。因此, 热传导焊接时熔深浅, 速度较慢。图3为热传导焊接机理示意图。

1.2 深熔焊接机理[7]

当照射到金属表面的激光功率密度大于106W/cm2时, 金属表面温度可在极短的时间内 (10-6～10-5S) 使加热区域的金属熔化及汽化, 产生金属液体和金属蒸汽, 气态金属产生的蒸汽压很高, 足以克服液态金属的表面张力, 把熔化的金属向四周吹散, 形成小孔。随着金属蒸汽的逸出, 在工件上方及小孔内部形成等离子体, 较厚的等离子体云会对入射激光具有一定屏蔽作用。激光束在小孔内产生多重的反射, 小孔几乎可以吸收全部的激光能量, 使小孔进一步加深, 当激光束在小孔产生的金属蒸汽压力与液态金属的表面张力和重力平衡后, 小孔不再加深而形成一个深度稳定的小孔, 这就是小孔效应。

当工件以一定的速度相对于激光束移动时, 小孔前方的金属不断熔化和汽化, 液态金属流向小孔后方, 逐渐凝固形成焊缝, 这种焊接机理叫深熔焊, 是激光焊接中最常用的焊接模式。在激光深熔焊时, 材料对激光束的吸收决定于小孔和等离子体效应。一般来说, 工件表面的等离子体云吸收部分激光, 使激光有效的能量较低, 并使光束波前畸变导致焦光斑扩散, 使表面熔化区扩大, 因此等离子体云对焊接过程有害。常采用以下两种预防措施:一是使用保护气体吹散激光与工件作用点反冲出的金属蒸汽;第二种是使用保护气体, 抑制金属蒸汽电离, 阻止等离子体云的产生。图4为深熔焊接机理示意图。

2 激光焊接特点

激光焊接经历了由脉冲激光焊接到连续激光焊接, 低功率焊接到高功率焊接, 薄板焊接到厚板焊接, 低速焊接到高速焊接的过程。与传统焊接相比, 其主要优势集中在以下几个方面:

(1) 能量密度高。功率密度达106～108W/cm2, 深宽比大, 最高可达10:1, 焊缝晶粒细小致密[8,9,10,11]。

(2) 激光焊接速度快、熔深大[8,12,13]。由于能量密度大, 激光焊接过程中, 在金属材料上产生匙孔, 激光能量通过小孔往工件焊接方向传导, 而横向传导较少, 因而在焊接时, 能量较集中, 熔深大, 焊接速度快。

(3) 激光焊接热输入量小, 热影响区小, 焊接变形小[8,14]。由于激光焊接功率密度高, 所以很小的热输入量就可以实现良好的焊接, 从而热影响区及焊接变形很小。

(4) 激光焊缝力学性能好, 力学性能强于母材[15]。焊缝强度高、焊接速度快、焊缝窄且表面状态好, 免去焊后清理等工作。

(5) 能在室温或特殊条件下进行焊接。激光在真空、空气及某种气体环境中均能焊接, 并能通过玻璃或对光束透明的材料进行焊接。

(6) 可以焊接一般焊接方法难以焊接的材料, 以及同种或异种难焊材料[16]。如高熔点金属等, 甚至可用于非金属材料的焊接, 如陶瓷等。

(7) 可实施非接触远距离焊接。没有工具损耗或工具调换等问题[17]。

(8) 激光焊接属非接触加工, 与接触焊工艺相比, 无电极、工具等的磨损消耗, 无加工噪声, 对环境无污染[17]。

(9) 焊接系统具有高度的柔性化。与CAD/CAM或机器人联合组成的焊接系统可形成多功能的激光加工系统, 易于实现自动化[18]。

但是, 激光焊接与传统焊接方法相比, 也存在一定的局限性, 主要集中在以下几个方面:

(1) 对焊接工件加工、装配精度、定位精度要求较高, 且要求光束在工件上的位置不能有显著偏移, 这是因为激光聚焦后光斑尺寸小, 焊缝窄。如工件装配精度或光束定位精度达不到要求, 很容易造成焊接缺陷[4,8,19,20]。

(2) 激光器及焊接系统各配件的价格较为昂贵, 一次性投资大, 初期投资及维护成本比传统焊接工艺高, 经济效益较差[18]。

(3) 受熔深的限制, 激光焊接不适宜焊接厚度较大的材料。

(4) 由于固体材料对激光的吸收率较低, 特别是在出现等离子体后, 因此激光焊接的转化效率普遍较低[21,22] (通常为5%～30%) 。

(5) 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[21,22]。

3 影响激光焊接的工艺参数

影响激光焊接质量的工艺参数较多, 如功率密度、激光脉冲波形、离焦量、焊接速度和辅助吹气等。

3.1 激光功率密度

功率密度是激光加工中最关键的参数之一。采用较高的功率密度, 在微秒时间范围内, 表层即可加热至沸点, 产生大量汽化。因此, 高功率密度对于材料去除加工, 如打孔、切割、雕刻有利。对于较低功率密度, 表层温度达到沸点需要经历数毫秒, 在表层汽化前, 底层达到熔点, 易形成良好的熔融焊接。因此, 在热传导型激光焊接中, 功率密度范围在104～106W/cm2。

3.2 激光脉冲波形

激光脉冲波形既是区别是材料去除还是材料熔化的重要参数, 也是决定加工设备体积及造价的关键参数。当高强度激光束射至材料表面, 材料表面将会有60～90%的激光能量被反射损失掉, 且反射率随着表面温度的变化而变化。在一个激光脉冲作用周期内, 被加工金属的反射率的变化也很大。

图5-8为不同材质的激光焊接脉冲波形。

3.3 激光脉冲宽度

激光脉冲宽度是激光焊接中的一个重要问题, 尤其对于薄壁构件焊接时, 显得更为重要。激光脉冲宽度由熔深与热影响分区决定, 激光脉冲宽度越长, 热影响分区就越大, 熔深随着激光脉冲宽度的1/2次方增大。但激光脉冲宽度的增大会降低其峰值功率, 较低的峰值功率又会导致多余的热输入。

3.4 离焦量焦斑

激光焊接通常需要一定的离焦, 因为激光焦点处光斑中心的功率密度过高, 容易蒸发成孔。离开激光焦点的各平面上, 功率密度分布相对均匀。离焦方式有两种[7]:正离焦与负离焦。焦平面位于工件上方为正离焦, 反之为负离焦。按几何光学理论, 当正负离焦量相等时, 所对应平面上功率密度近似相同, 但实际上所获得的熔池形状不同。负离焦时, 可获得更大的熔深, 这与熔池的形成过程有关。实验表明, 激光加热50～200us材料开始熔化, 形成液相金属并出现部分汽化, 形成高压蒸汽, 并以极高的速度喷射, 发出耀眼的白光。与此同时, 高浓度汽体使液相金属运动至熔池边缘, 在熔池中心形成凹陷。当负离焦时, 材料内部功率密度比表面还高, 易形成更强的熔化及汽化, 使光能向材料更深处传递。所以在实际应用中, 当要求熔深较大时, 采用负离焦;焊接薄壁材料时, 宜用正离焦。通常长焦距的能量密度低, 光斑大, 能量密度足够情况下, 可用于对接头定位精度不高的焊接;短焦距的能量密度较高, 光斑小, 要求工件配合间隙要小。由D=fθ可知, 聚焦镜焦距越小, 焦点光斑直径越小, 穿透力越强, 对高度也越敏感。激光光束的聚焦光斑直径与激光器输出光束的模式密切相关, 模式越低, 聚焦后的光点越小, 焊缝越窄, 热影响区越小。

3.5 焊接速度

焊接速度决定了焊接表面质量、熔深、热影响区等。焊接速度的快慢会影响单位时间内的热输入量, 焊接速度过慢, 则热输入量过大, 导致工件烧穿, 焊接速度过快, 则热输入量过小, 造成工件焊不透。通常采用降低焊接速度的方法来改善熔深。

3.5 辅助吹保护气

辅助吹保护气在高功率激光焊接中是必不可少的一道工序。一方面是为了防止金属材料溅射而污染聚焦镜;另一方面是为了防止焊接过程中产生的等离子体过多聚集, 阻挡激光到达材料表面。激光焊接过程常使用氦、氩、氮等惰性气体保护熔池, 使工件在焊接过程中免受氧化[23]。保护气体种类和气流大小、吹气角度等因素对焊接结果有较大影响, 不同的吹气方法也会对焊接质量产生一定的影响[24]。

4 结束语

激光焊接篇5

先进激光焊接与电子束焊接技术发展及其应用

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先进激光焊接与电子束焊接技术发展及其应用

摘要:介绍激光焊接与电子束焊接技术的发展历史，阐明这两种焊接的发展与应用现状及未来的发展前景，论述这两种焊接工艺的特点及需进一步研究与探讨的问题，将激光焊接(LBW)与电子束焊接(EBW)进行分析，指出这两种焊接工艺的优势所在及其存在的问题。

关键词：激光焊接电子束焊接发展与应用

前言

焊接，作为现代重要的加工技术之一，自1882年出现碳孤焊开始，迄今己经历了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、电渣悍及各种气体保护焊等一系列新的焊接方法。进入20世纪50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。特别是近年来，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等。激光焊接技术与其它熔化焊相比独具的深宽比高，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。电子束焊接具有其它熔焊方法难以比拟的优势和特殊功能:其焊接能量密度极高，容易实现金属材料的深熔透焊接、焊缝窄、深宽比大、焊缝热影响区小、焊接残余变形小、焊接工艺参数容易精确控制、重复性和稳定性好等。这两个焊接方法在各种加工制造业中得到了高度重视。激光焊接技术

激光焊接是一种新型的熔化焊接方式，是利用原子受激辐射的原理，使工作物质(激光材料)受激而产生的一种单色性好、方向性强、强度很高的激光束。聚焦后的激光束最高能量密度可达1013w/cm²，在千分之几秒甚至更短时间内将光能转换成热能，温度可达一万摄氏度以上，利用这种高能量的激光脉冲对材料进行微小区域内的局部加热，激光辐射的能量通过热传导向材料的内部扩散，将材料熔化后形成特定熔池，从而达到焊接的目的。激光焊接主要针对薄壁材料、精密零件的焊接，可实现点焊、对接焊、叠焊、密封焊等。

激光焊接中应用的激光器主要有两大类，一类是固体激光器，又称Nd: YAG激光器。Nd(钦)是一种稀土族元素，YAG代表忆铝拓榴石，晶体结构与红宝石相似。Nd: YAG激光器波长为1.06mm，主要优点是产生的光束可以通过光纤传送，因此可以省去复杂的光束传送系统，适用于柔性制造系统或远程加工，通常用于焊接精度要求比较高的工件。另一类是气体激光器，又称CO2激光器，分子气体作工作介质，产生平均为10.6mm的红外激光，可以连续工作并输出很高的功率，标准激光功率在2—5千瓦之间。1.1激光焊接的种类

激光焊接分为脉冲激光焊接和连续激光焊接两大类。脉冲激光焊特别适用于对电子工业和仪表工业微形件的焊接，可以实现薄片(0.2mm以上)、薄膜(几微米到几十微米)、丝与丝(直径0.02—2mm)、密封缝焊和异种金属、异种材料的焊接，如集成电路外引线和内引线(硅片上蒸镀有的铝膜和厚铝箔间)的焊接，微波器件中速调管的担片和钥片的焊接，零点几毫米不锈钢、铜、镍、担等金属丝的对接、重迭、十字接、T字接，密封性微型继电器、石英晶体器件外壳和航空仪表零件的焊接等。连续激光焊接主要使用CO2大功率气体激光器，适合于从薄板精密焊到50mm厚板深穿入焊的各种焊接。

1.2激光焊接的特点

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)能量密度大且放出极其迅速，在高速加工中能避免热损伤和焊接变形，可进行精密零件、热敏感性材料加工。

(2)被焊材料不易氧化，可以在大气中焊接，不需要气体保护或真空环境。

(3)激光可对绝缘材料直接焊接，对异种金属材料焊接比较容易，甚至能把金属与非金属焊接在一起。

(4)激光焊接装置不需要与被焊接工件接触。激光束可用反射镜或偏转棱镜将其在任何方向上弯曲或聚焦，还可用光导纤维将其引到难以接近的部位进行焊接。激光还可以穿过透明材料进行聚焦，因此可以焊接一般方法难以接近的接头或无法安置的接焊点，如真空管中电极的焊接。

(5)激光束不会带来任何磨损，且能长时间稳定工作。激光焊接的不足主要表现在以下两点:(1)要求焊件装配精度高，且要求光束在工件上的位置不能有显著偏移。这是因为激光聚焦后光斑尺寸小，焊缝窄。如工件装配精度或光束定位精度达不到要求，很容易造成焊接缺陷。

(2)激光器及其相关系统的成本较高，一次性投资比较大。2激光焊接在加工生产中的应用

激光焊接最主要的应用领域是汽车、航空航天、船舶等加工中的焊接制造。以汽车制造为例，激光焊接己实现规模化，并且己出现了相关的自动生产线和焊接机器人。据有关资料统计，在欧美发达工业国家中，有50%—70%的汽车零部件是用激光加工来完成的。其中主要以激光焊接和激光切割为主，激光焊接在汽车工业中己成为标准工艺。我国汽车工业界也开始重视这种先进的焊接技术，如率先使用激光焊接技术的上海大众，新近上市的多功能轿车的车身上，使用激光焊接技术的总长度达到41米。汽车工业中，激光技术主要用于车身拼焊、焊接和零件焊接。

激光用于车身面板的焊接可将不同厚度和具有不同表面涂镀层的金属板焊在一起，然后再进行冲压，这样制成的面板结构能达到最合理的金属组合。由于很少变形，也省去了二次加工。激光焊接加速了用车身冲压零件代替锻造零件的进程。采用激光焊接，可以减少搭接宽度和一些加强部件，还可以压缩车身结构件本身的体积。仅此一项车身的重量可减少50kg左右。而且激光焊接技术能保证焊点连接达到分子层面的接合，有效提高了车身的刚度和碰撞安全性，同时有效降低了车内噪声。

激光拼焊是在车身设计制造中，根据车身不同的设计和性能要求，选择不同规格的钢板，通过激光截剪和拼装技术完成车身某一部位的制造，例如前档风玻璃框架、车门内板、车身底板、中立柱等。激光拼焊具有减少零件和模具数量、减少点焊数目、优化材料用量、降低零件重量、降低成本和提高尺寸精度等好处。而激光焊接主要用于车身框架结构的焊接，例如顶盖与侧面车身的焊接，传统焊接方法的电阻点焊己经逐渐被激光焊接所代替。用激光焊接技术，工件连接之间的接合面宽度可以减少，既降低了板材使用量也提高了车体的刚度，目前己经被世界上部分生产高档轿车的大汽车制造商和领先的配件供应商所采用。

飞机制造中，它主要应用于飞机大蒙皮的拼接以及蒙皮与长析的焊接，以保证气动面的外形公差。另外在机身附件的装配中也大量使用了激光束焊接技术，如腹鳍和襟翼的翼盒，结构不再是应用内肋条骨架支撑结构和外加蒙皮完成，而是应用了先进的饭金成形技术后，采用激光焊接技术在三维空间完成焊接拼合，不仅产品质量好，生产效率高，而且工艺再现性好，减重效果明显。

珠宝首饰行业中，激光焊接可满足美观性及不同材质间焊接，己被广泛用于金银首饰补孔、点焊砂眼、焊镶口等。

激光焊接中的熔覆技术己成为模具修补的主要技术，航空业界用此技术进行航空发动机Ni基涡轮叶片耐热、耐磨层的修复。激光熔覆与其它表面改性方法相比，加热速度快、热输入少，变形极小，结合强度高，稀释率低，改性层厚度可精确控制，定域性好、可达性好、生产效率高。

其它诸如手机电池、电子元件、传感器、钟表、精密机械、通信等行业都己引入了激光焊接技术。

激光焊接由于设备投入较高，目前只是在高附加值的领域里应用较多，即使在这些领域里，激光焊接长期以来也并没有被充分利用。不过随着新的激光焊接技术和设备的研发，激光焊接正在逐渐挤进长期以来一直被传统焊接技术所占据的“领地”。3激光焊接技术的发展前景与面临的挑战

目前，在激光焊接技术研究与应用方面处于世界领先水平的国家有德国、日本、瑞士和美国等国。横流连续CO2激光加工设备的输出功率可达20kW，脉冲Nd: YAG激光器的最大平均输出功率也己达到4kW，并且实现了纳秒级的脉冲宽度。激光焊接能够实现的材料厚度最大己达80mm，最小为0.05mm，大部分材料的激光焊接质量均超过传统焊接工艺。激光焊接技术正朝着低成本、高质量的方向发展，具有很大的发展潜力和发展前景。可以预料，激光焊接工艺将逐步占据焊接领域的主要位置，并取代一些传统落后的焊接方法。

激光焊接技术在迅猛发展的同时，也面临着一些新的课题，其中包括:高功率低模式激光器的开发及在焊接中的应用;纳秒级短脉冲高峰值功率激光焊接过程中激光与材料的作用机制;超薄板材激光焊接工艺的优化与接头性能的检测;激光焊接时声、光、电信号的反馈控制;激光焊接过程中等离子体的产生对焊接质量的影响等等。激光焊接技术面临的这些新的挑战，有待于从事激光焊接的研究人员进行深入的探讨，同时，这些新问题的提出也预示着激光焊接技术正向着更加深化的方向发展。4电子束焊接方法

电子束焊接(EBW)是利用电子枪中阴极所产生的电子在阴阳极间的高压(25—300KV)加速电场作用下被拉出，并加速到很高的速度(0.3—0.7倍光速)，经一级或二级磁透镜聚焦后，形成密集的高速电子流，当其撞击在工件接缝处时，其动能转换为热能，使材料迅速熔化而达到焊接的目的。其实，高速电子在金属中的穿透能力非常弱，如在100KV加速电压下仅能穿透0.025mm。但电子束焊接中之所以能一次焊透甚至达数百毫米，这是因为焊接过程中一部分材料迅速蒸发，其气流强大的反作用力将熔融的底面金属液体向四周排开，露出新的底面，电子束继续作用，过程连续不断进行，最后形成一深而窄的焊缝。4.1电子束焊接的特征

由于高能量密度的电子束流集中作用的结果，使得电子束焊接熔池“小孔”形成机理与其他熔化焊有所不同。根据真空度的不同，电子束焊接可分为高真空焊接、低真空焊接和非真空焊接三种。电子束焊接过程是，高压加速装置形成的高功率电子束流，通过磁透镜会聚，492得到很小的焦点(其功率密度可达10—10W/cm)，轰击置于真空或非真空的焊件时，电子的动能迅速转变为热能，熔化金属，实现金属焊接的目的。电子束焊接的特点可概括如下:（1）电子束斑点直径小，加热功率密度大，焊接速度快，焊缝宽度狭窄，热影响区小，特别适宜于精密焊接和微型焊接;（2）可获得深宽比大的焊缝，焊接厚件时可以不开坡口一次成形;（3）多数构件是在真空条件下焊接，焊缝纯洁度局;（4）规范参数易于调节，工艺适应性强。焊接工艺参数的重复性和再现性好;（5）适于焊接多种金属材料;（6）焊接热输入低，焊接热变形小。当然电子束焊接方法也有一些不足，如:(1)电子束焊机结构复杂，控制设备精度高，所需费用高;（2）冷却过程中快速凝固，引起焊接缺陷，如气孔、焊接脆性等;（3）工件大小受真空室尺寸的限制，每次装卸工件要求重新抽真空。5电子束焊接在工业上的应用

电子束焊接正广泛应用于各种构件，如结构钢、Ti合金、Al合金、厚大截面的不锈钢和异种材料的焊接。近年来，在对各种材料电子束焊接可焊性和接头性能研究方面均获得了可喜的进展。在焊接大厚件方面，电子束一直具有得天独厚的优势。特别是在能源、重工业及航空工业中发展迅速。如在核工业大型核反应堆环形真空槽和线圈隔板的电子束焊接中，其最大焊接深度达150 mm,电子束焊接发挥其深熔焊的特点可一次焊透厚达150-200mm的钢板，且焊后不再加工就可投入使用。又如在日本PWR蒸汽发电机的安装和改造中采用的就是电子束焊接，他们采用无缺陷的焊接程序和步骤，成功地实现了不锈钢厚板的电子束焊接。

一直以来，电子束焊接在航空、航天工业中的应用居多，主要应用于飞机重要承力件和发动机转子部件的焊接上。例如，在美国近年发展的F-22战斗机机身段上，由电子束焊接的Ti合金焊缝长度达87.6 mm，厚度为6.4-25 mm。同时，电子束焊接技术作为柔性很好的工艺方法，不仅在发动机制造领域中得到了广泛应用，在涡轮叶片及热端部件修理领域也有其广阔的市场。

另外，电子束焊接在电子、仪表和生物医药工业上也起到了独特的作用。由于在这些工业中，有许多零件对焊接质量要求相当高。电子束焊接技术可以解决电子和仪表工业中许多精密零件的焊接难题，例如封装焊接、高熔点金属焊接、集中加热焊接、穿透焊接等，其焊缝质量高，工件变形小，焊接效率也高。在生物医药业中对焊缝清洁度的要求很高，采用电子束焊接可以轻松实现上述行业中各种材料的焊接，如Cu一Be合金、Ti合金、不锈钢以及陶瓷与金属的焊接等。

凭借EBB能量密度高，加热和冷却速度快的特点，采用该焊接技术可以很好地解决异种材料焊接中出现的两种材料冶金不相容和性能差异问题，因此异种材料的电子束焊接己经越来越得到人们的重视，尤其是厚大异种材料的焊接、金属和非金属材料的焊接等。特别是在航空发动机、精密仪器、刀具刃具制造方面有广泛的应用前景。

为了使电子束焊接技术获得更进一步的应用和发展，国内外学者正从以下几方面着手进行研究，即完善超高能密度电子束热源装置;掌握电子束品质过计算机及CNC控制提高设备柔性以扩大其应用领域。近年来，随着电子束焊接设备的不断改进和更新，国内外电子束焊接技术及其应用也有了长足的发展，主要内容包括:日本大阪大学研制了600KV 300KW的超高压电子束热源装置，一次焊200mm厚不锈钢时，深宽比达70: 1。欧共体采用德国阿亨大学研制的DIA BEAM系统，对电子束特性进行了定量研究，对大型壁厚80mm圆筒压力容器电子束焊的环缝起焊收尾搭接处，通过电子束焦点及焊接过程分析，找出了减少和消除圆环焊缝收尾处缺陷的方法。日本采用填丝双枪电子束薄板超高速焊接技术，得到了反面无飞溅的良好焊缝。近年英国焊接研究所采用非真空电子束焊接铜制核废料罐，取得了良好的社会和经济效益。国内有北京航空工艺所在1992年研制成功了ZD 150-15A高压电子束焊机，并用此机完成了多种航空航天发动机零部件的焊接，以及导弹壳体、汽车变截面轴、石油钻头等多种军民品。

6电子束焊接的发展趋势

综上所述，国内外开展电子束焊接技术研究的广度和深度在不断的加大，己经在焊接理论和工艺实践上取得了积极的研究成果。但由于电子束焊接过程中电子束与金属间的深穿快速物理化学冶金作用，以及当前研究分析手段上的局限性，使得焊接机理的本质研究有待进一步深入。基于电子束焊接异种材料的优越性，当前各国在异种材料的电子束焊接方面逐步扩大了异种材料之间连接的研究范围，目前航空航天用的高温结构材料及先进的新型结构材料与黑色金属、有色金属的异种材料的电子束焊接己经成为各国高度关注的研究热点。因此，针对世界电子束焊接技术的研究走向及国内研究的不足，深入开展异种材料，特别是航空航天用的高温新型结构材料的电子束焊接机理及工艺研究有着深远的现实意义和良好的应用前景。从上述电子束焊接的特征和它在工业中的应用现状，不难看出，今后电子束焊接的发展趋势可以概括为:(1)继续扩大在航空航天工业中的应用范围，并在修复领域发挥作用;(2)焊接设备将趋向多功能化和柔性化;(3)非真空电子束焊接的研究和应用将日益成为热点;(4)在厚大件和批量生产中继续发挥其独特优势;(5)电子束焊接将成为空间结构焊接的强有力工具。结语

激光焊接与电子束焊接是焊接新技术，其应用范围和焊接能力还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，激光焊接与电子束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。

参看文献：

激光焊接技术的研究现状及展望篇6

关键词：激光焊接技术；研究现状；未来制造业

中图分类号：TG456 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2014）06-0011-02

21世纪是现代科技高速发展的时代，而激光技术作为目前时代发展中人们所最为瞩目的可击之一，其不仅仅是应用于现代军事领域，同样随着激光技术的日益娴熟以及其本身的制造工艺和应用工艺的普遍化，未来能够在更多的行业得到广泛应用，其中就包括传统制造业。由于传统焊接本身更多是依赖于焊接人员自身的工作经验以及对于焊接目标的目测实现焊接，其往往精度存在一定的偏差性，很难实现高精度项目的作业，而激光焊接无疑能够有效解决这一难题，利用激光技术准确对现有的目标进行准确的焊接，从而大大提升了焊接的准确性和有效性。未来随着工业现代化的迅猛发展，激光焊接技术有着广阔的应用空间。鉴于此，本文主要通过对激光焊接技术的内涵以及分类出发，就目前国内外激光焊接技术研究现状进行综合性、系统性的分析，并由此结合未来制造业发展需求以及激光焊接的特点，对其未来的应用以及发展进行展望。

1 激光焊接技术的内涵及分类

激光焊接顾名思义就是传统焊接技术与现代激光科技的结合，其主要是利用利用高能量密度的激光束作为热源的一种高效精密焊接方法，利用激光本身的高度聚焦，在短时间内形成强烈的脉冲，从而对材料进行加工和切割。相对于传统焊接而言，其本身精度更高，更加的灵敏，焊接小了也更高，因而适用于在材料的微小区域进行焊接。激光焊接技术借助于特定的戒指的往复振荡，将其转化为高辐射能量，并且对这一辐射能量进行聚焦，由此超过材料的燃点，最终实现不同材料之间的粘连。

从现代激光焊接的发展现状以及特点来看，其主要分为两类，一是激光深焊接，其主要是通过将大功率激光束直接投射到材料表面，利用热能与光能的转化，从而使得材料在持续照射下软化直至融化；另一类是是热传导焊接技术，与激光深焊接的主要差异在于材料表层的热量通过热传导方式继续向材料内部传送，最终实现使焊接材料合二为一。

上述两种激光焊接其主要是利用了不同能量之间的转换从而实现了对于不同材料的粘连，即实现了焊接。由于激光焊接本身精度更高，更加容易对能量进行聚焦，因而更加容易控制，且能够实现较远距离的焊接，因此其本身的应用更多的是在现代高新技术行业，例如电子器件以及仪表器件等对于焊接精度要求较高的行业，借助于其独特的优点，目前已成功应用于微、小型零件的精密焊接中。而未来随着现代科学技术的发展以及不断进步，对于激光焊接的应用以及发展也变得更加的多元化，从而形成更多的分类，例如双光束复合焊、激光-MIG复合焊、激光-电弧复合焊等等，他们的出现无疑能够进一步拓宽激光焊接技术的应用领域，提升整体传统制造业的焊接效率和精准度。

2 当前激光焊接技术的研究现状

2.1 国外对其研究现状

由于国外激光技术以及制造业较为发达，因此他们早在上世纪八十年代就已经逐步开始研究以及分析如何将现代激光技术应用在传统制造业中。以欧盟、美国等西方国家和亚洲的日本为例，他们借助于自身发达的科学技术实力以及良好的制造业基础，在政府合理的引导以及财政支持下，激光焊接技术发展非常快速，特别是进入新世纪以后，已经在许多的制造业和其他行业中能够看到激光焊接结束的应用，包括电子工业、造船工业、汽车工业等等，都能够看到现代激光焊接技术的应用。并且，他们为了能够对整个技术进行合理的应用，已经初步形成了焊接技术的行业标准，从而使得其能够在一个合理可控的范围内得到应用。与此同时，为了进一步提升焊接效率，使得激光焊接技术能够更好地应用于现代大型生产，特别是大型制造业以及建筑业，西方发达国家近年来在积极研究如何提升激光焊接的效率，通过大功率激光器的研究，进一步推动和实现大功率激光焊接技术的实现，由此真正将其应用到大型制造业、建筑业甚至是军事领域，进行潜艇以及军舰的制造。

2.2 国内对其研究现状

相对于国外成熟的技术而言，我国指导改革开放之后在开始逐步接触和了解激光技术，而直到上世纪九十年代末才开始逐渐将激光技术与传统焊接应用相结合。目前，激光焊接技术研究在国内走在前列的当属哈尔滨焊接研究所。近年来，其除了进一步拓宽和研发新的激光焊接种类以及设备之外，也在积极模仿以及参照国外研究的最新动向，不断寻求大功率激光焊接技术的突破与发展。而最新的研究成果显示，他们成功克服了国内大型构件的焊接难题，这无疑标志着我国在激光焊接技术领域的重大突破，也为未来大型工程重大应用奠定了基础。

除此之外，目前国内的激光焊接技术研究还集中在激光热丝焊、异种金属焊等领域，他们都是现代激光焊接技术研究的最新课题。而国外在相关研究领域已经取得了突破，特别是德国已经初步掌握了异种金属焊的技巧和方式，而未来我国要想真正熟练的应用以及掌握激光焊接技术，将其应用到更多的领域以及行业内，无疑就必须要攻破上述课题，要进一步完善以及优化激光焊接技术。

总体而言，虽然国内的激光焊接技术与国外目前的研究以及发展进度存在一定的差距，但是随着研究的不断深入，这一差距正在被逐步缩短，未来其必然会被广泛应用于实际生产和生活中。

3 激光焊接技术的发展趋势

激光焊接作为现代科技与传统技术的结合体，其相对于传统焊接技术而言，尤其独特之处并且本身的应用领域以及应用层面更加广泛，可以极大的提升焊接的效率和精度。其功率密度高、能量释放快，从而更好的提高了工作效率，同时其本身的聚焦点更小，无疑使得缝合的材料之间的黏连度更好，不会造成材料的损伤和变形，所以焊接之后也无需进行后续处理。由此，其本身主要是应用于高新技术领域，而未来随着人们对于这一技术的了解以及掌握的不断深入，必然可以应用于更多的行业以及领域。

可以说激光焊接技术的出现，实现了传统焊接技术所无法应用领域，其能够简单的实现不同材质、金属与非金属等多种焊接需求，并且因为激光本身的穿透性和折射性，使得其能够依据光速本身的运行轨迹，实现360度范围内的随意焦，而这无疑是传统焊接技术发展下所无法想象的。除此之外，因为激光焊接能够在短时间内释放大量热量实现快速焊接，因而其对于环境要求更低，能够在一般室温条件下进行，而无需再在真空环境或是气体保护状态下。

经过几十年的发展，人们对于激光技术的了解以及认知程度最高，其也从最初的军事领域逐步扩展到现代民用领域，而激光焊接技术的出现进一步拓展了激光技术的应用范围。未来激光焊接技术不仅仅能够用于汽车、钢铁、仪器制造等领域，其必然还可以在军事、医学等等更多的领域得到应用，特别是在医学领域，借助于其本身的高热量、高融合、卫生等特点，更好的在神经医学、生殖医学等临床诊治中应用。而其本身的精度优势也会在更多的精密仪器制造业中得到应用，从而不断造福人类以及社会的发展。

参考文献

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发展趋势[J].激光与光电子学进展，2005，（9）.

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船舶物资与市场，2004，（1）.

钛合金激光焊接技术的探究篇7

钛合金这种结构材料, 以其优良的特性广泛的应用于石油化工行业。它的特点主要表现在小密度、高比强度、良好的塑韧性、良好的耐热性、良好的耐腐蚀性以及较好的可加工性等。适合于钛合金的焊接方法有许多种, 例如:钨极氩弧焊、熔化极气体保护焊、摩擦焊、电阻焊等等。其中, 钛合金焊接经常使用的焊接方法主要是钨极氩弧焊和熔化极气体保护焊这两种焊接方式。但是, 利用这种焊接方式在焊接的接头形成的晶粒比较的粗大, 而且具有较差的机械性能, 氩弧焊接头性能不能够满足使用要求。而且焊缝组织还经常需要进行焊后热处理, 导致了焊接效率的降低。然而, 随着激光技术的不断发展, 钛合金的焊接方法采用日益成熟的激光焊接技术受到了越来越多的重视。

1 钛合金焊接的特点以及激光焊接技术的简介

1.1 钛合金

钛合金具有很强的化学性, 温度越高, 其化学活性就越强, 而且, 在固体状态下, 还能吸收空气中的氢气、氧气和氮气等气体。而吸收了这些气体的纯钛, 在焊接时, 焊接的接头的强度被提高了, 但是其塑韧性却降低了。

钛具有很高的熔化温度、较大的热容量和电阻系数以及比铝或铁低的热导率。因这些特性, 钛的焊接熔池尺寸和温度都很大、很高, 由于热影响区金属在高温下的停留时间比较长, 所以, 使得焊接的接头处于过热的状态, 形成的晶粒就会变的又粗又大, 降低了接头的塑韧性。因此, 在焊接的时候, 要注意采用小电流、高焊速的焊接方式[1]。

1.2 钛合金焊接的特点

钛合金的焊接特性主要是有合金的成分以及微观结构这两个因素决定的。例如:α钛合金就具有很好的焊接性能, 接头的强度以及塑韧性都比较的理想。而β钛合金的焊接性能就比较差。但是, 在退火和固熔状态下的某些α+β钛合金也是可以焊接的, 在焊后还要进行时效的处理。稳定的α+β钛合金由于在焊缝和热影响区时发生了相的转变, 造成了其再焊接时容易脆化的现象。

钛合金的加热温度, 达到了α向β转变的临界温度时, 晶粒是以晶界突跳式位移的方式长大的。晶粒慢慢长大, 速度却逐渐变缓, 但是在温度继续升高的作用下, 晶粒长大的速度又会慢慢的加快。就一般情况来说, 钛合金在焊接时, 焊接的接头形成的晶粒都比较的大, 也显得很粗。钛合金焊接时晶粒的尺寸和晶粒内的结构, 受到加热温度的影响和在此温度下的停留时间, 以及近缝区的冷却速度的影响。焊接接头的强度和塑韧性, 随着晶粒的长大, 逐渐降低。由于, 钛的化学特性, 在一定的温度下, 钛合金在焊接时容易吸收空气中的氧气、氢气或氮气等气体, 当焊缝含有较高的氧气、氮气的含量时, 焊接的缝隙就会变得很脆弱[2]。如果焊接的应力过大, 就会出现裂纹的现象。

1.3 激光焊接技术的优势

激光焊接技术以其独特的优势, 受到了广泛的关注和应用。它的主要优势表现如下:

(1) 激光焊接的速度非常的快, 而且不存在焊接缝隙, 因而具有非常高的焊接质量。 (2) 焊接时, 由于聚焦后产生很高的功率密度, 因此, 焊接的深度也很大。 (3) 如果需要焊接的位置是很难接触的地方, 激光焊接可采取远距离焊接。 (4) 激光焊接技术也可以对一些微型的器件实施焊接。 (5) 对于像钛、石英这样的难熔材料, 采用激光焊接是非常方便的, 而且效果也非常的好。

2 钛合金激光焊接中的影响因素

2.1 氮、氢、氧对钛合金激光焊接过程的影响

钛这种材料与氧具有很强的亲和力, 具有活泼的化学特性。在常温状态下, 能够和氧产生反应, 形成一层氧化膜。由于氧化膜的保护, 钛在常温下, 稳定性非常的高, 并且具有很强的耐腐蚀性。但是, 钛合金在焊接时, 随着温度的逐渐升高, 与氧气、氢气等气体很容易的结合。温度越高, 钛合金吸收气体的能力就会也高。

在焊接的过程中, 如果不做任何的保护措施, 焊缝的金属就会吸收空中大量的氧气和氮气, 在非常高的浓度范围内, 与钛形成了间隙固熔体, 这些因素, 造成了金属的塑韧性下降, 而硬度却得到了提高。钛在焊接时, 也与氢气有很好的亲和性。焊接过程中, 钛与氢气发生化学反应, 形成了氢化钛, 造成了金属的含氢量的增加, 降低了金属的韧性。因此, 为了在焊接时获得良好接头性能的焊缝, 应该在焊接前采取最为严格的保护措施。

2.2 等离子体对钛合金激光焊接过程的影响

在不对等离子体施加任何控制时, 激光在入射时的能量被等离子体大量的吸收, 而只有一小部分的激光能量透过等离子体, 被激光材料吸收, 熔化钛合金材料。但是, 熔化的深度却不高。然而, 在对等离子体进行侧吹气体的方式控制等离子体时, 形成了全熔透的焊缝。因此, 在钛合金激光焊接的过程中, 要对等离子体加以适当的控制措施[3]。

2.3 焦点位置对钛合金激光焊接过程的影响

在激光的焊接过程中, 激光焊接的接头形成的外貌和质量, 主要是由激光功率、焊接的速度以及离焦量决定的。激光器决定了激光功率, 而工作台的速度决定了焊接的速度。焦点位置是在实施焊接之前就已经调节好的。在设计激光器喷嘴时, 要考虑怎样既快又准的调节离焦量[4], 透镜的焦距只要据顶了焦点的位置。目前, 实际购买的透镜的焦距与标准值存在一定的误差, 并且在使用的时候, 在激光束的热辐射长期的作用下, 镜片的基体材料的聚焦性能发生了很大的变化, 透镜的焦距也会随着发生变化。因此, 必须要控制高度方向, 在可调节的范围之内, 从而使其适应不同的焦距的镜片。

3 结束语

钛合金的优良特性, 使其在军事领域、航空领域得到了广泛的应用。随着科技的不断发展, 激光技术也得到了不断的进步, 基于激光焊接的优势, 钛合金激光焊接技术成为了未来发展的趋势。因此, 钛合金激光焊接技术的研究, 对于解决焊接过程中不利因素的影响, 以及更新焊接工艺具有重要的意义。通过研究钛合金激光焊接技术, 使其能够应用在实际的生产实践活动中去, 从而提高钛合金焊接的质量。

参考文献

[1]刘鹏飞.钛及钛合金结构焊接技术研究进展[J].焊接与切割, 2012.20:11-13.

[2]高福洋, 廖志谦.钛及钛合金焊接方法与研究现状[J].先进焊接技术, 2012.23 (24) :86-90.

[3]田锦, 刘金合.钛合金活性激光焊接的初步研究[J].金属铸锻焊技术, 2008.5 (37) :77-79.

激光焊接工艺的现状与进展篇8

一、激光焊接的优点

激光焊接不仅被广泛地应用在工业生产上, 在电子科技产品的焊接上, 激光焊接的应用也非常宽泛。1) 激光焊接不受导电材料影响。相比传统焊接方法, 激光焊接并不受导电材料的影响, 更无须将焊接场所局限在真空的状态下, 焊接过程非常安全, 不会产生对人体有害的辐射物, 尤其是X光线。在电子元件的焊接当中, 使用激光焊接, 对电子元件的损失比较小, 焊接手段比较高超, 在焊接的过程中, 可以非常精确地对电子元件的所焊接部位进行点对点的精准焊接, 实现焊接的一次性和快速化。2) 激光焊接可以实现自动化。激光焊接具有非常多的优势, 而随着自动化、计算机化的技术应用到焊接过程中, 激光焊接可以实现联网处理与设置, 将焊接的程度及范围, 精确地交给计算机软件, 来实现焊接过程的自动化和科技化, 从而提高了焊接的质量, 保证了焊接的工艺。另外利用计算机软件, 还可以将激光焊接的整个过程置于计算机的全程监控下, 实现激光焊接的质量控制。3) 激光焊接使用范围比较广。激光焊接不仅可以利用在工业生产中, 还可以用于多种材料的焊接, 在传统焊接工艺难以企及的材料, 激光焊接可以实现快速精确的焊接, 比如碳钢、低合金高强度钢、钛合金等这些高端材料, 通过激光焊接可以完成实现“无缝对接”。随着激光焊接技术的不断发展, 激光焊接的应用范围也非常广泛, 比较高端的领域, 包括航空航天、武器制造、电子仪器、医疗器械等, 比较常见的领域包括船舶制造、汽车制造等, 可以说, 激光焊接已经实现了全面覆盖我国的工农业生产和服务业的发展过程当中, 已经成为我国生产工艺的重要组成部分。

二、激光焊接的应用现状

激光焊接能够实现多种材料类型的“无缝”焊接, 跟传统的焊接技术相比, 激光焊接实现了对前者焊接领域的补充与扩展, 激光焊接已经成为焊接工艺的中流砥柱。

1) 激光焊接已应用于电子元件的焊接。电子元件的焊接是比较高难度的, 若使用传统的焊接技术, 虽然也可以实现电子元件的焊接, 但焊接面过高的温度及辐射, 会对电子元件的本身及周围环境产生非常不利的影响, 将传统焊接嫁接在电子元件的焊接上, 其结果无异于“饮鸩止渴”, 虽然能解决一时的电子元件断裂或者接触不良的情况, 但无形之中, 会缩短电子元件的使用寿命和正常的工作。目前, 激光焊接技术已经广泛利用于电子元件的焊接上, 这充分利用了激光焊接能够够实施局部微小范围加热的优良特性, 激光焊接可以实现将局部的温度控制在电子器件的焊接部位, 换句话说, 就是可以在非常微小的区域, 产生很高的平均温度, 而焊接部位的周边区域, 则不会受到这种影响。

2) 激光焊接已应用于铝合金材料焊接。除了电子器件的焊接, 激光焊接早已经被广泛地利用于汽车制造业当中, 在汽车器件的焊接过程中, 采用侧吹保护气体的方式, 可以有效地在焊接过程中, 起到保护车用镀锌板的作用。目前汽车制造业当中, 铝合金是非常普遍的使用材料, 一方面是车体防腐的要求, 另一方面是减少车身重要的要求, 因此铝合金材料已经广泛地利用在发动机、轮圈、仪表盘等方方面面, 而激光焊接在铝合金材料的焊接上, 也具备非常独特的优势, 可以有效地保护铝合金元件。不过, 激光焊接在铝合金材料当中的应用也存在着一定的弊端, 这主要是因为铝合金的自身特性导致。因为铝合金材料特有的热力性能, 在激光焊接过程中, 虽然可以有效地保护铝合金元件, 但仍然无法避免在焊接的过程中, 因熔池飞溅和小孔塌陷导致的焊接缺陷。

3) 激光焊接已应用于镁合金材料的焊接。随着汽车制造业的发展, 汽车零部件的制作材料已经从铝合金逐渐过渡到镁合金, 相比铝合金的汽车零件, 镁合金的汽车零件, 分量更加轻便, 汽车零件的刚性和强度也得到提升, 另外还具备着导热导电的良好性能, 而且镁合金是可循环使用, 回收效果比较好。目前, 激光焊接已经应用于镁合金材料的焊接上, 相比铝合金焊接, 镁合金在焊接的过程中, 在器件的局部焊接部分会形成一种氧化膜, 以保护镁合金器件。激光焊接已应用于航空航天使用的机器器件, 相比汽车制造, 它的生产工艺和焊接过程更加复杂, 传统的焊接工艺已经被淘汰, 而激光焊接技术的投入使用, 可以有效地减低航空航天飞机的载重和自重, 可以说, 激光焊接技术已经成了航空航天飞机焊接方面的一种理想技术。

三、激光焊接技术的新发展

激光焊接技术在运用的过程中, 虽然有着传统焊接技术无可比拟的优势, 但还是会滋生出很多新问题, 这也是激光焊接技术不断发展的动力。1) 双光束激光焊接技术的产生。虽然激光焊接技术已经广泛应用到铝合金的焊接过程中, 但因铝合金自身的特性, 在铝合金激光焊接过程中, 容易滋生出一些新的问题, 所以, 双光束激光焊接技术应运而生了。双光束激光焊接技术, 可以有效地降低铝合金在激光焊接过程中产生的熔池飞溅和小孔塌陷等缺陷, 对于改善铝合金的焊缝质量起到了非常明显的作用。2) 激光复合焊接技术的产生。相比铝合金, 镁合金在器件制造的广泛应用, 在一定程度上, 将人们的视线转移到镁合金的激光焊接上。激光复合焊接技术将激光焊接与传统焊接有效结合, 同时作用于镁合金的焊接区域, 在焊接的上方, 采用激光焊接, 激光作用可以在焊接部位产生一种光致等离子云, 这种化学产物会降低激光能量的有效利用率, 而外加传统电焊技术后, 电弧等离子体会有效提升激光能量的利用率。因此, 激光复合焊接技术具备着单一焊接技术不具备的优点, 可以实现较大缝隙的焊接, 器件焊缝的韧性会进一步得到提升。3) 三维可控激光头的应用。激光焊接技术在电子元件上的利用, 特别是在航空航天精密器材上的使用非常广泛, 因此要求激光焊接技术的焊接技术需要更加的精确, 现在普遍采用的是一种三维的可控激光头, 在焊接的过程中, 可以自动的调节焊接方向, 提高焊接的精准度。

四、总结

激光焊接技术一项现代技术, 在我国工业生产上的应用非常广泛, 电子元件的焊接、汽车零件的焊接、航空航天的焊接等, 激光焊接的高精度、高质量、高效率, 都取代了传统焊接技术, 随着激光焊接技术的广泛应用, 也出现了一些新问题, 并随之产生了激光焊接技术的发展新方向。

参考文献

[1]王家淳.激光焊接技术的发展与愿望[J].焊接技术, 2000.

[2]陈涛, 陈继民, 王智勇.两种大功率工业激光焊接特性的比较[J].中国激光, 2002.

车身钢板激光双光束焊接技术研究篇9

1 引言

如今, 轻量化已成为车身材料及相关先进制造技术的发展主题。尽管人们已成功制造出Audi A 8全铝车身, 但由于钢板生产从冶炼、轧制到热浸镀锌不断成熟, 钢板冲压制造技术的经验积累、生产工艺设备的日益完善, 新的钢板品种的不断出现, 新的车身焊装技术进入生产线, 因此钢板材料在汽车车身中的第一重要地位仍然不可动摇。保时捷设计公司 (Porsche Engineering Services, Inc) 1998年研制出的钢制样车车架采用5项措施减重203 kg, 就是一个很好的例证。而车身激光焊接技术在减重措施中起到重要作用, 并逐渐成为高安全性乘用车车身轻量化制造中的一项关键技术。

近10年来, 以德国大众、奔驰、宝马汽车公司为代表, 乘用车车身激光焊接长度已由最初的3 m左右增长到64 m, 全面深入研究车身钢板材料有关激光焊接技术, 已显得尤为重要。

目前, 较为常用的车身激光焊接方法有4种, 即单光束激光焊接、双光束激光焊接、激光填丝焊及激光钎焊。在钢板对焊中, 双光束激光焊接 (Laser Dual Beams Welding, LDBW) 技术与单光束激光焊接相比, 由于可增大接头装配间隙, 工件装配精度低, 易于实施激光焊, 近年来受到关注。本研究采用汽车车身常用的裸板和镀锌钢板, 探索激光双光束焊接参数对焊缝组织及性能的影响, 为激光焊接技术实际应用于车身制造奠定基础。

2 试验材料、设备及方法

2.1 试验材料

试验采用两种典型的车身用钢板。镀锌板锌层质量大约为40 60 g/m2。试验材料化学成分及规格见表1。

利用激光切割方法制备激光焊接试样, 切口表面与试样表面垂直。每种试验钢板的试样规格为150mm×200 mm, 且沿试样短边完成激光焊接试验。所有试样的激光焊接方向都与钢板的轧制方向相同。

2.2 试验设备

(1) 激光焊接设备

激光焊接设备采用德国TRUMPF L6005龙门框架式三维五轴 (3.0 kW) CO2激光加工机。该设备包括150 mm双焦点激光焊接头 (两焦点间距为0.7mm) , 其中焊接头聚焦镜全部采用反射式非球面水冷镀金镜。激光焊接夹具为自行研制。

(2) 分析检测仪器、设备

利用Olympus低倍和PMG3型高倍显微镜分析了焊缝表面形貌及焊缝截面显微组织。利用VH-5型显微硬度计测量了焊缝各部分的显微硬度。利用德国Zwick/Roell Z100型电子万能拉力机进行了各种激光焊接试样抗拉强度试验。利用PHILIPS XL-30型扫描电子显微镜分析了拉伸试样断口形貌。

2.3 试验方法

(1) 焊缝及试样

在全部激光焊接试验中, 每对焊接试样的材料成分、厚度和表面状态均相同, 且所有的激光焊焊缝均为连续焊缝。拉伸试样按GB2649—89标准要求制备, 焊缝垂直于拉伸方向且位于拉伸试样中间位置, 具体规格 (mm) 及焊缝位置见图1。

(2) 激光双光束焊接及接头准备

双光束激光焊接中双光束移动方式有2种, 即横移 (两聚焦光点联线与焊接方向垂直) 和顺移 (两聚焦光点联线与焊接方向平行) , 见图2。双光束激光焊接示意图见图3。

对接接头间隙ΔG分别为0、0.10、0.15、0.20、0.25、0.30、0.35、0.40 mm;聚焦激光束轴线与对接接头中心线偏移量ΔX (即两个光斑中心连线的中间点距对接接头中心线的距离) 分别为0、0.05、0.10、0.15、0.20、0.25、0.30 mm。

(3) 激光焊接参数选择范围

激光功率:1.6 3.2 kW。

焊接速度:2.0 7.4 m/min。

离焦量ΔF:-5mm+5 mm (“-”表示焦点在试样表面以下, “+”表示焦点在试样表面以上) 。

激光脉冲频率:1 90 kHz。

保护气:N2。

保护气流量:10 16 L/min。

3 试验结果与分析

3.1 激光双光束焊接

(1) 单板模拟激光双光束焊接试验

部分单板模拟激光焊接参数见表2、表3, 两种激光功率下刚刚焊透时的临界焊接速度见表4。当光束横移时, 裸板和镀锌板在3.2 kW激光功率照射下焊透的临界焊接速度分别为3.80 m/min和3.65 m/min, 2.8 kW下分别为3.50 m/min和3.35 m/min。相同功率下两种材料均相差0.15 m/min, 两种不同功率下相同材料均相差0.30 m/min。顺移时, 裸板和镀锌板在上述两种焊接功率下的临界焊接速度分别为3.95 m/min、3.80 m/min和3.65 m/min、3.50 m/min, 相同功率不同材料下也都相差0.15 m/min, 不同功率相同材料均相差0.30 m/min。在相同材料、相同激光功率下, 顺移较横移临界焊接速度快0.15 m/min。

可见, 在横移和顺移条件下, 镀锌层对各种焊接功率下的焊接速度均有影响, 为了使锌层气化, 镀锌板达到刚刚焊透的焊接速度都慢于同种基材的裸板。

由于双光束激光焊接中每一个聚焦光斑在钢板内部都产生一个“匙孔”, 当两个光斑相距一定距离时 (如本试验横移和顺移时的0.7 mm) , 每一个聚焦光斑的焊接过程与单光束焊接相同, 这一点可以从横移和顺移时裸板和镀锌板的临界焊接速度差始终相同得到解释, 即镀锌板横移焊接中的每一个光斑都要因气化相同的锌层 (消耗一些激光能量) 而使焊接速度较裸板减慢0.15 m/min;而镀锌板顺移焊接中尽管只有最前方 (第一个) 光斑要气化与横移任一单光束同样的锌层, 却同样较裸板减慢0.15m/min, 亦即单个光斑因气化锌层而使焊接速度损失0.15 m/min。

由于顺移时焊接方向上第一个光斑要“担负”熔化部分基体 (没有全部焊透) 的任务 (镀锌板焊接时还要气化锌层) , 而随后的第二个光斑只相当于焊接裸板 (但此时钢板焊缝上层已是枝晶金相组织, 而下层为退火组织, 且基材温度较高) , 且全部焊透第一个光斑没有全部焊穿的基体, 导致顺移焊接的临界焊接速度较横移焊接的快0.15 m/min。

离焦量试验表明, 在其他激光焊接参数相同的条件下, 焦点在钢板表面以上1 mm (即+1 mm离焦量) 时焊深最大。

(2) 激光双光束焊接工艺及拉伸试验

实际激光双光束焊接 (对接焊) 主要研究了横移焊接中, 焊接速度、离焦量、接头宽度及光点偏移量对焊缝质量的影响。

在接头缝宽为0、光点偏离量也为0的前提下, 激光功率为3.2 kW时, 焊接速度在3.5～5.3 m/min范围变化 (间隔为0.3 m/min) 。试验结果表明, 裸板双光束对接焊即使焊速达到5.3 m/min (比平板模拟焊接临界焊速3.8 m/min快1.5 m/min) 时, 仍然可获得较好的焊缝 (见图4) , 而相同条件下的镀锌板接头背面却没有焊上 (见图5b) ;当降低焊接速度到4.4 m/min时 (比单板模拟焊接临界焊速3.65 m/min快0.75 m/min) , 镀锌板也可获得较好的焊缝, 见图6。这可能是由于焊接接头的存在促进了两个光束形成的焊接熔池更易于向深度方向发展的缘故。

虽然实际双光束激光焊接的焊接速度较模拟焊接的临界速度有较大提高, 但值得注意的是, 过快的焊接速度极易造成不稳定的焊缝质量, 表现为在做拉伸试验时, 尽管多数试样断于母材, 但有些断口最后断裂于焊缝, 见图7。因此, 在通常情况下, 实际焊接速度较临界速度略高即可, 且镀锌板低于同种基材裸板的焊接速度。

当离焦量变化时, 在相同激光焊接参数下, 裸板和镀锌板表现出较大的差别。在离焦+2 mm时, 裸板可获得较好的焊缝, 尽管镀锌板的焊缝从表面看还可以, 但实质上不能满足使用要求, 拉伸时完全断于焊口, 见图8。

如果参数选择适合, 即使接头间隙达0.35 mm, 无论裸板还是镀锌板都可获得强度足够的双光束激光焊焊缝 (见图9) 。此时, 如果将光束偏离量增加到0.15 mm, 则获得的焊缝不能满足要求, 拉伸时将断于焊缝 (见图10) 。尽管从理论上分析, 两个光点在这种情况下都落到钢板上, 但因其中一个光点离接头边缘太近, 已难以形成完整的“匙孔”焊接过程, 因此也就无法获得完整的焊缝。

可见, 由于两个光斑共同形成一个较宽熔池的结果, 双光束横移激光焊接较单光束焊接有更好的填充接头间隙的能力, 但如果光束偏离焊缝中心线将削弱这种能力。

3.2 镀锌层对激光焊接工艺及性能的影响

在激光焊接 (激光单光束焊接、激光填丝焊和双光束激光焊接) 中, 镀锌板无论在模拟激光焊接中还是实际对焊中都表现出与同种基材的裸板有一些不同之处。很显然, 锌层对各种激光焊接中有着不可忽视的影响。通过比较镀锌板和同基材裸板单光束激光对接焊拉伸性能及拉伸试样断口形貌的不同, 初步分析锌层对焊接过程的影响方式, 以便在实际激光焊接中尽量减小其不利的影响。

在镀锌板单光束激光对接焊试样的拉伸试验中出现了一些值得注意的现象。当焊接速度接近或等于临界速度时 (如2.6 kW条件下的5.2 m/min和4.7 m/min焊接速度) , 焊缝上、下表面光滑平整, 拉伸试样均断于母材;当焊接速度小于临界速度且相差较大时 (如2.6 kW条件下的4 m/min焊接速度) , 焊缝正面尚可, 但背面已出现很多气孔, 拉伸试样全部断于焊缝;当焊接速度小于临界速度且相差不大时, 焊缝上、下表面凭肉眼看没有明显的气孔, 但拉伸时却也断于焊缝。

对上述后一种断于焊缝的断口进行扫描电镜分析发现, 尽管焊缝上、下表面都没有明显的气孔, 但焊缝内部却存在很多气孔, 它是表面锌层气化后形成的的锌蒸汽进入熔融焊缝中没有来得及溢出所致, 见图11a, 且多数气孔沿垂直焊接方向向焊缝两侧发展, 在大气孔中还存在小气孔, 见图11b。另外, 焊缝中的气孔除沿垂直焊接方向向焊缝两侧发展, 有时还在焊缝内部沿焊接方向向前移动, 在焊缝断口中留下“蠕虫状”大气孔, 见图12。从图13中可以清楚地看到, 气孔内的锌蒸汽在焊缝金属冷却凝固后, 也重新凝固并附着在孔壁表面 (箭头所指部位有部分锌已脱落) 。可见, 随着焊接速度由快变慢 (反映的是加热时间由短到长的变化) , 锌蒸汽在焊接过程有非常不同的表现。首先, 当焊接速度较快 (接近临界焊接速度, 如2.6 kW下5.2 m/min) 时, 激光焊接形成的“匙孔”的下方没有完全穿过钢板, 刚刚接近钢板下表面, 即在焊缝中尚未形成贯穿的由激光束形成的“匙孔”通道, 因此在上表面生成的锌蒸汽无法顺利进入“匙孔”内, 导致形成没有锌蒸汽的完整焊缝, 其强度高于母材 (焊缝断口与母材断口形貌的比较见图14) , 此参数下的拉伸试样在拉伸时断于母材也是预料之中的事。当焊接速度减慢 (如2.6 kW下4.3 m/min) 时, 此时贯穿的“匙孔”通道已形成, 在焊口上方的锌蒸汽被同轴保护气吹入匙孔, 并因时间短暂没有来得及从匙孔下方溢出, 在焊缝冷却过程中留在了焊缝中, 尽管焊缝表面没留下明显的气孔痕迹, 但在焊缝内部却存在大量气孔, 因此这种焊缝危害也很大。当焊接速度继续降低时, 如2.6 kW下4.0 m/min, 因被同轴保护气吹入匙孔的部分锌蒸汽有足够时间运动到匙孔下方, 并在焊缝下表面溢出, 结果焊接后在焊缝下表面, 留下许多气孔。这种焊缝在拉伸试验时, 也同样会断于焊缝。

通过上述观察和分析, 单光束激光对接焊中, 因镀锌板在焊接过程中产生锌蒸汽, 其是否能进入焊缝形成气孔将直接影响焊接质量。适合的焊接速度是控制、防止镀锌板对焊在焊缝中产生锌蒸汽气孔的关键参数之一。

4 结论

(1) 在双光束激光焊接中, 考虑到过快的焊接速度极易造成焊缝质量的不稳定。因此, 在通常情况下, 实际焊接速度较临界速度略高即可, 且镀锌板低于同种基材裸板的焊接速度。

(2) 在双光束激光焊接中, 由于锌层更多地参与焊接过程, 使得镀锌板较同基材裸板的焊接速度和离焦量范围都小。

(3) 双光束横移激光焊接较单光束焊接有更好的填充接头间隙能力, 但如果光束偏离焊缝中心线将削弱这种能力。

国外汽车工业激光焊接应用及发展篇10

1962年, 已经有关于激光焊接应用的报道。随后, 各国学者又做了许多激光焊接的基础性研究。20世纪70年代以前, 由于高功率连续激光器尚未开发出来, 所以研究重点集中在脉冲激光焊接。随着千瓦级连续C O2激光器问世及在焊接方面取得的成功, 激光焊接的研究与应用情况在1971年和1972年发生了变化, 在大厚度不锈钢试件上进行C O2激光焊接, 形成了穿透工件的焊缝, 而且激光焊接产生的深熔焊缝与电子束焊接相似, 并清楚地表明了“匙孔”的形成。日本、德国、英国和前苏联等国的研究小组也相继报道了大功率C O2激光焊接技术的发展及其优化。由于金属对N d∶Y A G激光1.06μm波长的反射率远远低于对C O2激光10.6μm波长的反射率, 因此相对于C O2激光器来说, 使用平均功率较低的N d∶Y A G激光器进行焊接, 可获得与较高功率C O2激光器相同的焊接深度。特别是1.06μm的激光可用光纤传输, 而光纤传送系统与Nd∶YAG激光器和机器人的结合大大增加了激光加工系统的方便性与灵活性, 这种组合系统非常适合工业上的多工作台同时加工及多台机器人分时加工。

激光焊接具有以下特点:

(1) 热量输入很小, 焊缝深宽比大, 热影响区小, 工件收缩和变形很小, 无需焊后矫形。

(2) 焊缝强度高, 焊接速度快, 焊缝窄且通常表面状态好, 免去焊后清理等工作。

(3) 焊接一致性、稳定性好, 一般不加填充金属和焊剂, 并能实现部分异种材料焊接。

(4) 光束易于控制, 焊接定位精确, 易于实现自动化。

(5) 与其他焊接工艺方法比较, 激光焊接的前期投资较大。

(6) 被焊工件装配精度高, 相对而言对光束操控的精确性也有较高的要求。

目前, 从焊接方法分, 除激光传导焊、激光深熔焊、激光硬纤焊、激光软纤焊外, 又相继问世了激光双光束焊接、激光填丝焊、激光复合焊、远程激光焊接等新的焊接方法。

焊接结构也由对接接头、搭接接头扩展到角接接头、车身接头、端接接头、端-角接头等, 见图1所示。

激光焊接在国外汽车工业中的应用

目前, 国外汽车工业已安装了2500多台激光器用于加工, 仅美国通用汽车公司 (G M) 就安装了200台以上, 日本丰田汽车公司1990年前后仅从一家激光公司就购买100台3~5k W CO2激光器。至今, 国外各大汽车公司, 如通用、福特、克莱斯勒–奔驰、丰田、大众、B M W、菲亚特等, 已全部拥有自己的激光加工生产线, 且激光器数量以每年20%的速度增长。

1.白车身激光焊接

汽车工业中的在线激光焊接大量用在白车身冲压零件的装配和连接上。主要应用包括车顶盖激光焊、行李箱盖激光钎焊及车架激光焊接。

早期的车身激光焊接应用主要是车顶盖搭接焊, 目的是为减噪和适应新的更安全的车身结构设计。Volvo公司是最早开发车顶激光焊接技术的厂家。德国大众公司也相继在Audi A6、Golf4、Passat等车顶采用了此技术, 奔驰的C/S/E级车 (C-219、S-W140、S-W220、E-W221等) 、B M W公司的5系列、O p e l公司的Vectra车型等更是趋之若鹜。严格地讲, 当时的车顶焊还属于车身结构件激光焊接, 即激光焊缝不能露在车身外表面。但随着车身件制造及装配精度的提高以及用于车身表面覆盖件连接的激光钎焊技术的出现, 车顶盖激光焊接逐渐被激光钎焊所取代, 车顶激光钎焊也成为可直接在车身表面实施连接的新技术 (奔驰公司在C级车后立柱上采用了激光填丝焊接, 也属于少数车身表面焊接技术之一) 。目前德国大众汽车公司的车顶焊接几乎全部是激光钎焊, 车型包括Golf5、新Audi A6、MAGOTAN等。

车顶激光钎焊并不是最早和惟一的车身激光钎焊技术。实际上, 激光钎焊于1998年最早用在大众公司生产的Bora车身覆盖件——行李箱盖的表面连接。至今行李箱盖激光钎焊已成为车身激光焊接的一个典型应用, 广泛用在德系车上, 近年来在一些美系车上也可看到。

另一项比较重要的车身激光焊接应用, 是车身结构件 (包括车门、车身侧围框架及立柱等) 的激光焊接。采用激光焊的原因是可提高车身强度, 并可解决一些部位难以实施常规电阻点焊的难题。德国大众公司在车身结构件激光焊接方面的应用走在世界前面。

车身激光焊接在近20年有着飞速的发展。以奔驰公司为例, 1990年, 在S-140车身三个部位上有5.5m长激光焊缝, 为完成此项加工, 在线安装了两台激光器;到2007年, 在C-204车身14个部位上增加到近50m长激光焊缝, 在线安装的激光器也已达到31台。另外, 随着车身远程 (扫描) 激光焊接、车身激光复合焊接等新技术的不断出现, 车身激光焊接应用也正逐渐被以低成本著称的日、韩车系所接受, 同时在诸如Audi A8全铝车身上也有上佳表现。

2.不等厚激光拼焊板

车身制造采用不等厚激光拼焊板可减轻车身重量、减少零件数量、提高安全可靠性及降低成本。此项应用最早源于1985年Audi 100的底板拼焊, 目前已推广到世界几乎各大汽车公司。各种不等厚激光拼焊板在车身上的典型应用见图2。

采用激光拼焊板所带来的好处也显而易见。如某车型的侧围门内板采用三块板拼焊在一起, 在原材料成本不增加的前提下, 较采用单张普通板材单车可节省用材16kg, 提高了材料利用率;如果在不影响整车强度及耐蚀性的前提下, 根据需要将不同部位的材料做局部替换 (如用裸板代替镀锌板或用薄钢板代替较厚板) , 然后激光拼焊到一起, 单车可降成本13美元。

激光拼焊板正在被世界各地的新车型所接受, 激光拼焊板生产将成为一项数十亿美元的产业。

3.齿轮及传动部件焊接

20世纪80年代末, 克莱斯勒公司的K o k o m o分公司购进九台6k W CO2激光器, 用于齿轮激光焊接, 生产能力提高40%。90年代初, 美国三大汽车公司投入40多台激光器用于传动部件焊接。奔驰公司经研究利用激光焊接代替电子束焊接, 因为前者焊缝热影响区小。

美国福特汽车公司用4.7k W CO2激光器焊接车轮钢圈, 钢圈厚1mm, 焊接速度为2.5m/min。该公司还采用带有视觉系统的激光焊接机, 将六根轴与锻压出来的齿轮焊在一起, 成为轿车自动变速器的齿轮架部件, 生产率为200件/h。意大利菲亚特公司用激光焊接汽车同步齿轮, 费用只比老设备提高一倍, 生产效率却提高5~7倍。美国阿符科公司研制的H P L工业用C O2激光焊接机功率为15k W, 用于焊接汽车转动组件的两个齿轮, 焊接时间为1s, 每小时可焊1000多件。福特公司有20台5k W C O2激光焊机, 通用公司有11台14k W C O2激光焊机专门用于汽车齿轮焊接。克莱斯勒公司也有10台6~9k W CO2激光焊机从事相同的工作。汽车自动变速器驻车棘轮的材料有淬火钢、奥氏体钢和特种合金等, 通过激光焊接技术.可将这些不同成分的材料连接起来, 而且无裂纹出现。

4.非金属及对电磁性、变形或热影响有要求的汽车零件焊接

Volvo和大众公司激光焊接塑料燃油箱;许多厂家利用激光精密焊接发动机上的传感器、安全气囊元件及喷油嘴等。

激光焊接技术用于汽车工业面临的主要问题

激光焊接技术用于汽车工业也同样面临激光加工设备一次性投入较大、单位时间加工成本高的问题。除此之外, 尚有许多技术层面的问题需要研究和探索, 如工艺参数优化、先进工艺方法研究、性能预测及质量控制等方面。

1.工艺参数优化

众所周知, 激光焊接具有多参数特点, 通常情况下包括:激光波长、激光束模式 (或发散角) 、激光功率、激光偏振特性、激光脉冲频率、聚焦镜焦距、激光照射角度、焊接速度、离焦量 (或称焦点位置) 、气体保护方式、保护气种类及流量、接头间隙等激光及加工参数, 另外还包括焊接结构、焊接材料、工件厚度等工件特性和参数;如果是激光填丝焊 (或激光硬纤焊) , 激光焊接参数还应包括:焊丝直径、焊丝成分、填丝速度、填丝方向 (与焊接方向的关系) 、填丝位置 (焊丝熔化端与工件和激光焦点之间的关系) 、填丝角度;如果是激光复合焊还应包括除激光以外焊接热源 (TIG、MIG或等离子源) 的相关参数。

激光焊接多参数的特点给激光焊接带来丰富多彩的焊接结果, 同时也给研究激光焊接带来很多可变因素和新的课题。无论在开环控制还是闭环控制下, 激光焊接工艺参数优化或最佳工艺参数确定的难度和工作量都有所增加。由于汽车工业要求用于大批量生产的各种生产工艺稳定、可靠且易于控制, 因此, 如何通过筛选和有效控制最少的激光参数来达到最大控制激光焊接结果的目的, 则显得非常重要。

2.先进工艺方法研究

一辆汽车的车身和底盘由数百种以上的零件组成, 采用激光焊接可以把很多不同厚度、牌号、种类、等级的材料焊接在一起, 制成各种形状的零件, 大大提高汽车设计的灵活性。

激光焊接汽车零件 (特别是车身件) 复杂性和多样性的特点, 也为激光焊接新方法的不断涌现提供了动力和广阔的发展空间。自激光焊接首次用于汽车工业以来, 除激光传导焊、激光深熔焊、激光硬纤焊、激光软纤焊外, 又相继问世了激光双光束焊接 (L D B W) 、激光填丝焊 (L F W) 、激光复合焊 (H L W) 、远程激光焊接 (LRW) 等新的焊接方法。

每种激光焊接方法的机理、特性及对焊接结果和焊接性能的影响都需要深入的研究, 以使激光焊接加工趋于更加完美, 同时也为实际生产中激光焊接技术应用的选择和创新做必要的准备。

3.性能预测及质量控制

能够有效控制焊接质量 (形成闭环控制) 和预测焊接结果, 是焊接研究人员多年的追求。对像激光焊接这样的快速、精密焊接技术, 形成闭环控制和预测焊接结果尤为重要。

激光焊接由于采用计算机控制, 所以具有较强的灵活性和机动性, 可以对形状特殊的门板、挡板、齿轮、仪表板等零部件实施焊接, 也可以完成车顶和侧围、发动机架和散热器架等部件的装配, 如果加上光纤传输系统和机械手, 就可以进入汽车装配生产线达到自动化焊接的目的。加工中的闭环控制可使激光焊接系统几乎达到完美加工的要求;另一方面, 汽车产品质量正在迈向更高的近乎完美的水平, 也对贡献于其中的激光焊接技术尽快实现闭环控制, 提出更迫切的要求。