激光焊的应用与发展

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摘要：激光焊因其具有高能量密度、深穿透、高精度、适应性强等优点而受到各发达国家的高度重视,目前在很多高新技术领域中都得到了广泛的应用,尤其是激光焊接技术已在多种制造业中如电气电子工业、汽车、钢铁、重工业、建筑机械及维修技术等方面得到应用.文章主要分析了激光焊的原理及其在实际生产中的应用与发展.激光焊接作为一种高质量、高精度和高速度的先进焊接法,已引起了广泛关注.

关键词：激光焊  特点 工业应用  发展趋势

1  引言

激光焊是利用高能量密度的激光束作为源进行焊接的一种高效精密的焊接方法.激光焊具有高能量密度、深穿透、高精度、适应性强等优点而受到各发达国家的重视.激光焊对于一些特殊的材料及结构的焊接具有非常重要的作用,这种焊接方法在航天航空、电子、汽车制造、核动力等高新技术领域中得到应用,并日益受到工业发达国家的重视.

2  激光焊的原理

激光焊接时,激光照射到被焊接材料的表面,与其发生作用,一部分被反射,一部分进入材料的内部.

激光焊接的原理: 光子轰击金属表面形成蒸汽,蒸发的金属可防止剩余能量被金属反射掉.如果被焊金属有良好的导热性能,则会得到较大的熔深.激光在材料表面的反射、透射和吸收,本质上是光波的电磁场与材料相互作用的结果.激光的光波入射材料时,材料中的带电粒子依着光波电矢量的步调振动,使光子的辐射变成了电子的动能.物质吸收激光后,首先产生的是某些质点的过量能量,如自由电子的动能、束缚电子的激发能或者还有过量的声子.这些原始激发能经过一定的过程再转化为热能.激光加工时,材料吸收的光能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照区,而后通过热传导,热能由高温区传向低温区[1].

3  激光焊的特点

（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.

4  激光焊接在工业中的应用情况

激光焊接与其它传统焊接工艺相比,有着许多优点.其最主要的优势之一就是能够将激光束集中于非常狭小的区域,从而产生高能量密度的热源,随后,该集中热源快速扫过被焊接缝,在这方面,激光束焊接可与电子束焊接相比拟,但激光焊接却有着优于电子束焊接的特点,即激光焊接可在大气压下进行,而无需真空室.通过视窗、透镜及光纤,可以实现远程位置与多工作台的激光焊接,而且,激光焊接还可以在焊条和电子束无法达到的三维构件内部细微区域中实施.与电子束焊接类似,激光焊接可以实现单面焊接双面成形,复层结构也可采取单面激光焊接,所以,对于那些用其它方法需从双面焊接的接头,如果采用激光焊接工艺,则可从单面施焊.这种灵活性开辟了接头设计的许多新思想,特别是针对某些包含不可接触表面的构件.

4.1  激光焊接在国外汽车工业中的应用

4.1.1  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.

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.

4.1.2  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Audi100的底板拼焊,目前已推广到世界几乎各大汽车公司.

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.

4.1.3  齿轮及传动部件焊接

20世纪80年代末,克莱斯勒公司的Kokomo分公司购进九台6kWCO2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4.7kWCO2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[2].

4.2  光纤激光焊在造船及海洋工程方面的应用

目前,许多轮船都是先制造出许多的局部组件结构单元,再在水中的船台上一个个进行组装.采用激光焊技术制造海洋建筑物局部组件非常合适,因为它结合了焊接切割自动化技术与激光技术.与弧焊方法相比,采用该技术可以大大提高生产率.

造船中,采用光纤激光技术,可以无需进行焊接边缘预处理和焊前或焊后热处理就能将部件焊接在一起.与弧焊相比,激光焊的焊接接头窄,热影响区小,而且没有传统弧焊方法中出现的由于弧吹或电极磨损引起的焊接缺陷.所以,接头采用光纤激光焊,可以实现新的焊接结构设计,这在以前是不可能实焊接接头比弧焊焊接接头更加经济, 质量更好[3].

4.3  激光焊在飞机制造中的应用

激光束焊具有能量密度高,热影响区小,空间位置转换灵活,可在大气环境下焊接,焊接变形极小等优点.它主要应用于飞机大蒙皮的拼接以及蒙皮与长桁的焊接,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,而是应用了先进的钣金成形技术后,采闲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.

近年来激光焊也多见于薄壁零件的制造中,如进气道、波纹管、输道、变截面导管和异型封闭件.这些零件的传统焊接方法多采用微弧等离子弧焊,或者是小电流钨极氩弧焊.随着钛合金材料的大量使用,即便采用了这些低线能量的焊接技术,仍然由于薄壁材料引起的焊接变形超出公差范围和焊接缺陷的无法修复等原因,导致传统焊接工艺面临淘汰的命运.激光束焊接配以局部保护措施,非常适合焊接薄壁钛合金壳体零件[4].

4.4  复合激光焊的应用

复合激光焊技术结合了激光焊和传统气体保护焊（GMAW）两者的优点,激光焊能在较小的热输入量和小的焊接热影响区（HAZ）情况下获得较大的熔深；所附加的气保焊（GMAW）可以大大扩展接头根部间隙的大小,改善表面状态和杂质的允许量；提高根部间隙填充和成形质量以及加强对焊接冶金的控制.

最初,这项技术是为美国海军舰艇使用的高强钢横梁提供一种更具成本效益的焊接方法.如今,它之所以能够应用于商业生产,关键还是其采用了来自于ESAB及其战略合作伙（Applied Thermal Sciences and PLSystemof Brunswich,Marine）的实时闭环控制和自动质量检测技术.这个新系统包括以下几个特点：

·焊缝动态跟踪和测量；

·焊接过程检测；

·主要焊接参数的实时闭环控制；

·焊缝表面自动检测和质量评定；

·焊接缺陷识别、标识和修复；

·焊接工艺和焊接质量文件的记录和输出.

目前复合激光焊在板料、船舶、桥梁、管道、铁路机车等方面给均有相当大的应用[5].

4.5  激光焊在医学上的应用

激光焊是用激光来加热, 所以它可以穿透透明介质, 能够焊到透明介质容器的里边去.这是其他焊接方法难以做到的.这种方法也被利用到医学里边,比方讲我们有些患者视网膜脱落,视网膜是在眼球的后面,视网膜脱落以后眼睛就会失明.现在就用激光的办法,透过眼球焊到眼球后面,把这个视网膜和眼球焊起来.这个已经是很成功的手术了.

5  激光焊的发展

激光焊接作为一种高质量、高精度和高速度的先进焊接法,已引起了广泛关注. 在日本激光焊接研究开发已掀起高潮,激光焊接成为最有朝气的焊接方法之一. 在激光焊接设备的开发(CO2激光45kW,YAG10kW)、多种材料激光焊接性研究、激光焊接过程观察测试和激光焊接缺陷分析等方面做了大量工作.尤其是激光焊接技术已在多种制造业中如电气电子工业、汽车、钢铁、重工业、建筑机械及维修技术等方面得到应用[6~7].

5.1  高辉度LD 泵浦Slab 型Nd :YAG激光设备及其焊接

美国最近开发出了利用Slab型Nd:YAG晶体的2台LD泵浦固体激光设备,1台为TRW公司开发的3kW级LD泵浦Nd:YAG激光,另1台为GE2Fibertek公司开发的500W级Q2Switch(开关型)脉冲激光设备.焊接用3kW级的设备是准CWLD阵列,最大20%负载率,其功率随脉冲频率而变化400Hz时,脉冲宽0.5ms,脉冲能量7.5J,功率达到3000W,1750Hz时,功率达到1950W.激光横模为长方型低次多模,在出射口整形成8mm×8m,用焦点距离350mm(F/50)的光学镜头聚焦后,含激光功率约95%的高辉度区域的尺寸为0.1mm ,非常小,最大功率密度平均60MWPcm2,峰值300MWPcm2,焦点深度约1cm.焊缝熔深熔宽及断面形状因纵横模式不同而异,对板厚约70mm的低碳钢只需2道即可实现熔透焊接.虽然用高密度激光可进行大熔深焊接这一点已经证实,但其问题是焊缝宽度窄,表面下塌大,对于某些焊接条件与合金会发生气孔和裂纹等缺陷,因此其今后的解决方法受到关注.激光焊接因激光束直径小,为了扩大焊缝宽度,可采用摆动模式即横向移动1mm的方法进行焊接.

5.2  10kWNd:YAG激光焊接

最近日本和英国等都开发了大功率YAG激光设备,与CO2激光焊接时进行比较,探讨了熔化特性及等离子体的影响.英国TWI采用将3台4kWYAG激光装置的激光束,在直径为1mm的SI 光纤中合成为一束的方法,研究了C2Mn钢焊接的熔深,对15mm厚的钢板,获得了良好的熔透焊缝.为了保护镜头不受飞溅及烟尘损坏,利用了空气刀,并对同轴保护气体喷嘴与侧面喷嘴进行比较,还探讨了气体照射位置、种类和流量的最优化.输出功率大时,如何去除小孔中喷出的等离子体成为一个重要的技术问题.

5.3  激光焊接在线监测

为了得到高质量焊缝,希望采用可靠的监测系统控制焊接过程.实际上,激光焊接过程中存在许多有关物理现象的信息.关于过程监测,正在探讨等离子体放出的光、蒸气和等离子体;或熔池压力变化引起的声音、焊件中机械应力引起的超声波;金属蒸气或等离子介电常数、反射激光功率、熔池及小孔的直接观察等.对于利用反射光的方法,在YAG激光焊机头部装上只能透过反射YAG激光的滤光片(λ=10±5nm)和1列Si光二极管.CO2激光焊接时,因波长长,利用了带小间隙或孔的聚光镜.熔深愈大,任一位置反射激光功率愈小,从而可知,熔深与反射激光之间存在关系. 并揭示出反射激光功率在焦点位置附近小,而离焦点位置越远越大. 还进一步发现,送丝速度越快,则熔深越浅,反射激光功率越高,对于5XXX铝合金,发现反射激光功率变动大,则多数生成气孔.从这一点看,利用反射激光功率监测气孔的生成是有可能的. 根据高速摄像机和反射激光功率同时测试结果,熔池以350Hz在振荡.另外,日、德学者不仅对激光焊接中等离子体发光和声音,还对小孔和熔池进行了观察、监测,并进一步研究对此进行适应控制的方法.研究中用最高2900FPS高速摄像机,也开发了商用CMOS摄像机.拼板焊接时,可以区别全熔透和半熔透 ,也能监测出间隙大小.并且利用广范围领域观察的手段,能够判断试板与激光照射位置的关系,研究各种焊接缺陷的影响因素及适应控制方法.以上试验了利用对小孔和熔池的直接观察法及从小孔中反射出的激光直接显示焊接状况的方法,揭示了在熔池监测和控制中可以利用的可能性.对铝合金焊接,也有可能利用反射光诊断法评价过程稳定性,检测出气孔及飞溅.但这点需要今后进一步探讨.

5.4  激光与电弧复合焊接法

德国ILT(激光科学技术研究所)和ISF(Aachen大学)共同开发研究了CO2激光及YAG激光与TIG或MIG电弧复合焊接法.日本大阪大学接合科学研究所,三菱重工株式会社等也进行了此方面的研究.首先,进行了厚板激光先行MIG在后的复合焊接(Combining Welding) ,从微观和宏观组织观察与硬度分布测试结果看,可以获得高质量接头.其次,开发了激光与电弧混合焊接法(Hybrid Welding),包括激光与TIG、离子体、MIG及双电弧同时使用.激光TIG混合焊接法对薄板有效,对AlMg3L铝合金,可以使焊接速度比激光单独焊时高2倍的方法.对于不同厚度的拼板,在激光与等离子体混合焊接法中,激光通过中间空心的圆形电极到达焊缝. 本方法可提高焊接效率,同时因等离子体加热冷却速度变慢,有望减轻拼板焊接区的硬化.

5.5  铝合金的激光焊接

最近,汽车用铝合金的激光焊接受到注目,进行了许多探讨.已对铝合金车A2进行了YAG激光焊.通常采用高Si的Al焊丝进行YAG激光焊接.利用3kW光纤传送YAG激光对6XXX合金进行焊接,尤其探讨了激光束的匹配问题,以及间隙许允度及重力的影响,向上、向下及模向焊接都可以.其他,还进行了各种合金YAG激光的对接、搭接及T型接头焊接试验,比较了其焊接性及各种保护气体下接头的抗拉强度,进行了铸造材和挤出材的YAG激光焊接,探讨了气孔生成及各种焊接条件的影响 .

5.6  镁合金的激光焊接

Mg合金比重比Al小36%,作为高比强材料受到注目.因此进行了脉冲YAG激光和连续CO2 激光焊接试验,对于板厚1.8mm的AZ31B2H24合金(3.27%Al,0.79%Zn)各种缺陷较少的最佳焊接条件为平均功率0.8kW,5ms,120Hz,300mmPs,2.5kW,127mmPs,焦点尺寸0.42mm,连续CO2激光焊接获得了良好的熔透焊缝.还测定了YAG激光焊接区的硬度分布,发现HAZ窄,几乎没有软件化.对高压Die2Cast(HPDC)和常压DC的两种AZ91(9%Al,1%Zn)合金进行YAG激光焊接的结果表明,HPDC焊接区多发生大气孔,而DC焊接区(高功率密度,高速度)没有大气孔和裂纹.进一步分析发现,焊缝金属中形成了比r2Al12Mg17包围的富Mg的细微等轴树枝晶,使焊接区的硬度高于母材.对于任何Mg合金,由于Mg和Zn的蒸气压高,焊接中比Al优先蒸发使成分发生变化[8].

5.7  在今后的发展中,激光焊接在制造业中的应用还需解决如下任务：

·缺少关于厚板焊接和材料合成的激光焊接参数研究.

·创建激光焊择优参数的交互式计算机辅助数据库.

·研究激光焊接厚板金属焊缝和材料合成方面的机械性能.

·运用焊条、焊丝、焊剂、粉末或带极等填充金属来优化弥合根部间隙的能力.

·测定激光焊接厚板金属接头的疲劳强度特征.

·更加灵活、方便携带激光系统.

·不能焊接表面覆盖层的接头.

·发展提高激光焊接效率的新技术（比如预热、吸收覆层等）.

6  结束语

(1) 激光焊接技术是先进制造方法之一,可能取代现有的熔焊及火焰切割方法,甚至部分机加工方法.

(2) 激光焊接机器人及便携式激光焊接机是激光技术的重要方向.

(3) 激光电弧联合焊是一种具有重大前途的工艺方法.

(4) 研制大功率先进的激光器,将是发展激光焊接、切割及加工的重要方向[9].

参考文献：

[1]母晓红,牛旭,惠文.激光焊的原理及其应用研究[J].科技创新报,2009,(8),5.

[2]姚远.国外汽车工业激光焊接应用及发展[J].MC现代零部件,2009,(4),32-33.

[3]光纤激光焊在造船及海洋工程中的应用研究[J].现代焊接,2007,(8),J34-36.

[4]张颖云,李正.先进焊接技术在飞机制造中的应用[J].西安航空技术高等专科学校学报,2008,1(26),8-11.

[5]复合激光焊的实际应用[J].现代焊接,2008,8,J28-31.

[6]吴军,李亮.激光焊及其在国外汽车生产上的应用[J].武汉汽车工业大学学报,2000,6(22),33-36.

[7]任军,李五坡.激光焊接技术的发展,第五届全国计算机在焊接中的应用学术与技术交流会论文,2008,1-4.

[8]樊丁,余淑荣.张建斌等.激光焊接发展现状及动向[J].甘肃工业大学学报,2003,1(29),16-18.

[9]任军李,五坡.现代焊接技术的新发展[J].科技信息,2008,(22),419.