（机械制造及其自动化专业论文）异种钢激光焊接技术研究.pdf

摘要 本文以2 0 6 和2 0 c r 2 n i 4 a 钢为对象研究了异种钢的激光焊接。 通过激光功率、焊接速度、离焦量、保护气体流量对焊接质量 影响的研究，获得了最佳工艺参数。力学性能测试研究表明：2 0 g 和2 0 c r 2 n i 4 a 异种钢激光焊焊接接头的抗拉强度超过2 0 g 母材，由 于激光焊接属于高能密度焊接，焊接时熔池非常小，拉伸时焊缝的 横向变形小，接头的其它区域变形相对大，是异种钢2 0 g 和 2 0 c r 2 n i 4 a 钢接头抗拉试件断在母材的主要原因。同时分析了异种钢 2 0 g 和2 0 c r 2 n i 4 a 激光焊接头的组织、硬度，焊缝区组织均是马氏体， 焊缝区出现硬度最高。 关健词：激光焊接异种钢工艺参数抗拉强度2 0 g 钢 2 0 c r 2 n i 4 a 钢 a b s t r a c t i nt h i sp a p e r , r e s e a r c ho nl i s e l w e l d i n go fd i s s i m i l a rs t e e l so f2 0 g s t e e la n d2 0 c r 2 n i 4 aw a sm a d e i nt h er e s e a r c h ，w e l d i n gt e c h n i c sp a r a m e t e r ss u c ha st h el a s e rp o w e r , w e l d i n gt r a v e ls p e e d d e f o e l l sd i s t a n c ea n dv e l o c i t yo fp r o t e c t i o ng a s ， w h i c ha f f e c tw e l d i n gq u a l i t yw e r ev e r i f i e da n do p t i m i z e t l s t r e t c h i n g s t r e s so fl a s e rw e l d e dz o l l eb e t w e e n2 0 gs t e e la n d2 0 c r 2 n i 4 as t e e li s s u r p a s s e dt h a to f2 0 gs t e e l w h i c hi sv e r i f i e db ym e c h a n i c a lt e s t i n g a f t e rb e i n gf o c u s e d ，l a s e ri sw i t hh i g he n e r g yd e n s i t y , s ot h a ti tc a nf o r r f l t i n ym e l t e dc a v i t yi nt h ep r o c e s so fw e l d i n g ，i ns t r e t c h i n gt e s t i n g ，t h e w e l d e ds e a li sw i t hl i t t l el a t i t u d et r a n s i t i o nw h i l et h ew e l d i n gz o n ei s w i t hm o r ed e f o r m a t i o n , t h u sl e a dt ot h er e s u l to fw e l d i n gs e a li s 、撕t l l g r e a ts t r e n g t h 掷t ot h ep r i m a r ym a t e r i a l s a r a f l y z i n go f t h es e a ls t r u c t u r e o fw e l d e dd i s s i m i l a rs t e e l sb e t w e e n2 0 ga n d2 0 c r 2 n i 4 ai n d i c a t et l l a ti t i sm a i n l yo f m a r t e n s i t e w h i c hi sw i t hg r e a th a r d n e s s k e yw o r d s ：l a s e rw e l d i n g d i s s i m i l a rs t e e l st e c h n i c sp a r a m e t e r s s t r e t c h i n gs t r e n g t h 2 0 gs t e e l2 0 c r 2 n i 4 as t e e l i j 长春理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文异种钢激光焊接技术 研究是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成 果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体己经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的 个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明 的法律结果由本人承担。 作者签名：i 趁趔生兰且2 z 目 长春理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕士、博 士学位论文版权使用规定”，同意长春理工大学保留并向国家有关部 门或机构送交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权长春理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有 关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和 汇编学位论文。 作者签名：i 勉趔生互且22 旦 指导导师签名： 垃卜岬且 第一章绪论 激光焊( l a s e rb e a mw e l d i n g ) 是利用高能量密度的激光束作为 热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w 。 1 1 激光焊原理、分类及特点 激光( l a s e r ) 是英文r i g h ta m p l i f i c a t i o nb ys t i m u l a t e de m i s s i o no f r a d i a t i o n 的缩写，意为“通过受激辐射实现光的放大”。激光利用辐 射激发光放大原理而产生一种单色、方向性强、光亮度大的光束。 透射或反射聚焦后可获得直径小于o o l m m ，功率密度高达 1 0 1 8 w c m 2 的能束，可以用作焊接、切割及材料表面处理的热源。 1 1 1 激光焊原理 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1 0 4 s ) 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 2 1 。 1 1 2 激光焊的分类 按激光束的输出方式不同，可以把激光焊分为脉冲激光焊和连 续激光焊。连续激光焊在焊接过程中形成一条连续的焊缝。脉冲激 光焊接时，输入到工件的能量是断续的、脉冲的，每个激光脉冲在 焊接过程中形成一个圆形焊点。若根据激光焊时焊缝的形成特点( 或 激光对工件作用的功率密度) ，又可把激光焊分为传导焊和深熔焊。 前者使用的激光功率密度低，一般小于1 0 6 w c m 2 ，熔池形成时间长， 且熔深较浅，多用于小型零件的焊接：后者使用的激光功率密度较 高，大于1 0 6 w c m 2 ，激光辐射区金属的熔化速度快，在金属熔化的 同时伴随着强烈的汽化，能获得熔深较大的焊缝，焊缝的深宽比较 大，可达1 2 ；1 【3 l 。这两种方式最根本的区别在于：前者熔池表面保 持封闭，而后者熔池则被激光束穿透成孔。传导焊对系统的扰动较 小，因为激光束的辐射没有穿透被焊材料，所以，在传导焊过程中 焊缝不易被气体侵入；而深熔焊时，小孔的不断关闭能导致气孔。 传导焊和深熔焊方式也可以在同一焊接过程中相互转换，由传导方 式向小孔方式的转变取决于施加于工件的峰值激光能量密度和激光 脉冲持续时间。激光脉冲能量密度的时间依赖性能够使激光焊接在 激光与材料相互作用期间由一种焊接方式向另一种方式转变，即在 相互作用过程中焊缝可以先在传导方式下形成，然后再转变为小孑l 方式【4 1 。 1 1 3 激光焊接工艺特点 在激光焊接过程中，当激光束触及金属材料时，其热量通过热 传导传输到工件表面及表面以下更深处。在激光热源的作用下，材 料熔化、蒸发，并穿透工件的厚度方向形成狭长空洞，随着激光焊 接的进行，小孔沿两工件间的接缝移动，进而形成焊缝”j 。与一般的 焊接方法相比，激光焊具有以下特点： 1 聚焦后的激光束具有很高的功率密度( 1 0 5 1 07 w e r a 2 或更高) ， 加热速度快，可实现深熔焊和高速焊。由于激光加热范围小，在同 等功率和焊接厚度条件下，焊接速度快、热影响区小、焊接应力和 变形小。 2 激光能发射、透射，能在空间传播相当距离而衰减很小，可 进行远距离或一些难以接近部位的焊接；激光可通过光导纤维、棱 镜等光学方法弯曲传输、偏转、聚焦，特别适合于微型零件、难以 接近的部位或远距离的焊接。 3 一台激光器可供多个工作台进行不同的工作，既可用于焊接， 也可用于切割、合金化和热处理，一机多用。 4 激光在大气中损耗不大，可以穿过玻璃等透明物体，适合于 在玻璃制成的密封容器里焊接铍合舍等剧毒材料；激光不受电磁场 影响，不存在x 射线防护，也不需要真空保护。 5 可以焊一般焊接方法难以焊接的材料，如高熔点舍属等，甚 至可用于非金属材料的焊接，如陶瓷、有机玻璃：焊后无需热处理， 适合于某些对热输入敏感材料的焊接。 2 激光焊接( l b w ) 的显著特征是大熔深、窄焊道、小热影响区， 以及高功率密度1 6 】。激光焊接代表着一种在微小区域内加热与冷却之 间的精细平衡。激光焊接的目的是通过辐射吸收产生液态熔池，并 使之长到理想尺寸，然后沿固体界面移动，消除被焊构件间的初始 缝隙，形成高质量焊缝。熔池过大、过小，或者蒸发严重，都将导 致焊接失败。此外，焊缝的最终质量还可能因其它因素的改变而恶 化，如合金成分的蒸发，过大的热梯度( 导致热裂纹) f j ，以及焊接熔 池体积与几何形状的不稳定( 导致气孔和空穴) 等。热输入与输出之间 平衡的维护取决于激光的稳定吸收及能量在工件内部的均匀传递。 激光向工件传递的途径经常被激光焦点处产生的蒸气所干扰，在一 定条件下，这种蒸气可以转化为等离子体，从而由于吸收和溅射而 使激光强度减弱。在焊接熔池存在时，熔合区与周围基体材料间界 面几何形状的稳定，是决定工件内部稳定传热的主要因素，在焊接 过程中工件移动或激光束移动的时候，固液界面经常受到干扰，因 此，在焊接熔池的冷却速度中必须引入附加的几何形状影响因素。 既然存在这么多潜在的限制因素，很难想象激光焊接会获得高质量 的焊缝。但是，不管激光焊接中激发与冷却平衡过程存在多少限制， 大量的传热与机械时间常数仍能共同作用，以适应激光焊接的要求， 并将各种波动减轻到一定程度，进而建立稳定的焊接条件。 激光焊接研究的首要目标就是辨析影响激光焊接稳定性和重现 性的参数，并寻求控制这些参数的方法。这首先应从激光源本身出 发，因为输出功率与模式的波动在焊接熔池中转换成热波动，从而 导致激光焊接过程不稳定性的产生。激光与材料相互作用过程的高 度非线性特征意味着某些波动在幅度上的快速增加，这同时也提供 了控制激光焊接过程的可能性与现实性，即利用各种传感器检测声、 光、电的波动信号，并进行有效的处理，进而有选择地改变激光的 输出方式。如果与激光焊接系统激发、响应有关的众多参数可以精 确控制，则激光焊接的精密度是完全可以保证的。在整个焊接过程 中，工件响应的波动是一个主导因素，与这些因素相关的频谱带宽 对于等离子波动最小为i o m h z ，而对于机械运动，特别是与液体振 动有关的运动，带宽较小( l o k h z ) ，因此，检测激光焊接产生的声 光发射信号是监控焊接条件的重要方式，识别这些信号的组成，诊 断特定的错误条件，为优化焊接工艺、消除焊接接头的缺陷并实时 控制焊接过程提供了可能。为了对各种数据和加工速率提出更加严 格的要求，应该记录并分析这些声光信号，并将其转换为控制信号， 送同反馈回路，以驱动机电装冒，调整激光焊接系统，补偿焊缝及 接头的缺陷。可以调节激光焊接过程中各因素相互作用的程度，使 得小孔建立以后能够在脉冲间歇阶段收缩，从而减小气体侵入的可 能性，降低气孔产生的倾向；还可以调整激光功率密度随时间的分 布，以减小熔池的热梯度，降低焊接接头凝固裂纹产生的倾向。激 光焊接的主要优势之一就是能够通过调节激光与材料的相互作用来 优化焊接接头的综合性能，在当代先进的激光焊接系统中，这种优 化要通过激光功率的计算机控制来实现。通过由光、声或等离子监 测系统发回的反馈，可以实时变化激光功率以适应焊接条件的改变。 在激光焊接工艺逐渐被人们接受和采纳以后，这种闭环控制系统能 保证在工业生产条件下，优化焊接过程，而无需操作者干预j 。 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 9 j 。 尽管激光焊接系统的成本通常高于传统的焊接设备，但其高生 产率及焊缝质量足以弥补此项缺憾，并使得激光焊接系统在技术经 济上具有很强的综合竞争能力。对于毫米级厚度的板材结构，在c n c 控制下，当焊接速度超过1 0 m m i n 时，可获得高质量、均匀的激光 焊缝，而且还可对焊缝质量进行全面的监测，与电弧焊接技术相比， 激光焊接接头具有相当狭窄的热影响区，从而限制了热变形，提高 了焊缝的综合冶金性能。激光焊接的窄热影响区及其大熔深增强了 接头的机械性能( 包括疲劳强度和成形性能等) 。对于难焊材料( 如铅、 镁合金等) 的连接，激光焊接也能提供新的可能性，而且在大多数情 况下不需填充材料。激光焊接消除了焊条及电极材料产生的污染， 并有效降低有益合金元素( 如锌、钼、钒等) 的损耗。对于一些传统技 术很难或无法焊接的合金系列，采用激光焊接町使过程稳定、焊缝 强度提高并具有优异的成形。激光焊接也存在不足，包括激光器及 用于激光束传导和聚集的附属系统成本过高，操作成本也很高，特 4 别是需要大量昂贵保护气体( 如氦等) 的应用场合。激光束的紧密聚 集、热量向工件的有效传递以及狭小的热影响区等优点，也带来了 接头装配的难题，很小的组装偏差就会导致焊接条件较大的变化， 甚至很窄的间隙( o i m m ) 也能引起激光射藕合的缺陷和辐热效率 的降低。高反射率材料( 如铝、铜等) 的激光焊接，如要减少反射，则 需要仔细优化激光辐射的条件，必要时还需采用涂层材料。同时， 这些金属的热导率较大，在焊接启动时应使用较高的激光能量密度， 这有时会导致激光反射回激光器，从而引起光学元件的损坏。构件 在焊接过程中的装配偏差也可能引起激光束具有危险性的反射。激 光焊接与其它主要焊接方法优缺点的对比总结见表ll 。 表l l 激光焊接与其它焊接工艺的对比【1 0 i 对比项目激光焊接电子束焊接电弧焊电阻焊 能量效率 oo + 小热影响区 + + 0 高焊接速率 + 焊缝断面形貌 + 00 大气压下施焊 + + + 焊接高反射材料 + 使用填充材料 0 + 自动加工 + 设备成本 + 操作成本 oo + 可靠性 + 装配 + 注：“十”表示优势；“一”表示劣势：“0 ”表示适中。 与其它焊接工艺相比，激光焊接的主要优势在于，焦点能量密 度超过传统方法几个数量级( 见表1 2 ) ，这就引出了小孔或深熔焊的 概念。同时，激光焊接具有很大的深宽比，很小的热影响区和较高 的加工速度。 激光焊接工艺能够向工件传输高于1 0 1 8 w ，c m 2 的能量密度，因 此，能够形成深宽比较大的、小孔状的熔深。根据激光加工工作方 式可分为连续波激光和脉冲波激光。在激光加工开发的早期，能够 进行材料熔化、切割与焊接的激光器多为脉冲输出的固态激光器( 如 钕玻璃和n d ：y a g ) ，连续波形激光器不具备材料加工所需的足够 的输出功率。 表1 2 激光焊接和其它焊接工艺功率密度及焊缝深宽比对比【1 q 焊接工艺 功率密度( w c m 2 )焊缝深宽比 激光焊接 1 0 6 1 0 7大 电子束焊接1 0 6 1 0 7大 钨极氩弧焊 1 0 2 1 0 4小或中等 熔化极气体保护焊 1 0 2 1 0 1小或中等 电阻焊小 1 2 激光焊接技术的发展及其动向 1 2 1 激光焊接技术的发展 激光焊接技术历经了从固体受激物质一气体受激物质一液体受 激物质、由脉冲激光焊接一连续激光焊接、低功率一高功率、薄板 一厚件、低速一高速、低频一高频及低效一高效的历史。激光焊接 工艺具有许多独特的优势，如聚集的能量密度相当高、焊缝狭窄、 热影响区小、操作简单、控制容易、不需要真空室等，可以利用其 深熔方式来焊接厚大工件，也可以通过热导方式焊接薄板。激光焊 接的优异性能使其能够方便地应用于许多领域，并日益受到人们的 关注。但是，激光焊接仍有一些不足之处，包括较高的制造与操作 成本和较低的能量转换效率，此外，c 0 2 激光器不太适合焊接高反 射率材料( 如铜、铝等) ，对有害气体( 如氢、氧、氮等) 具有强烈吸收 作用的材料( 如钛合金) 激光焊接时惰性气体保护工艺仍有难题，激光 光纤传输的较低效率限制了多工作台多工件同时焊接的进一步发展 与推广，激光焊接的熔深控制及超薄板( js0 2 5 m m ) 的激光焊接工 艺仍不成熟，所有这些问题均有待于深入的研究与实践。激光焊接 的应用也随着激光焊接技术的发展而日趋广泛，目前已涉及航空航 天、武器制造、船舶制造、汽车制造、压力容器制造、民用及医用 等多个领域。激光焊接技术发展到今天，其逐步取代电弧焊、电阻 焊等传统焊接方法的趋势已不可逆转，在未来的2 1 世纪中，激光焊 接技术在材料连接领域必将起到至关重要的作用。很多学者将激光 加工连同电子束加工和等离子弧加工并称为2 l 世纪最具发展前景及 最有效的加工技术l j 州。 随着激光这种新能源的获得，材料加工的领域被大大拓宽，激 光焊接就是激光应用的重要方面之一。1 9 6 2 年和1 9 6 3 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。7 0 年代以前，由于商功率连续波( c w ) 激光器尚未开发出 6 来，所以，研究重点集中在脉冲激光焊接( p w ) 。早期的激光焊接研 究试验大多数是利用红宝石脉冲激光器，当时虽然能够获得较高的 脉冲能量，但这些激光器的平均输出功率却相当低，这主要是由激 光器很低的工作效率和发光物质的受激性质所决定。激光焊接与电 子束焊接的显著区别在于，激光辐射不能产生穿透。n d ：y a o 激 光器由于具有较高的平均功率，在它出现之后很快就成为点焊和缝 焊的优选设备。 r e a d y 在1 9 7 1 年曾指出l l ”，激光( 小孔) 焊接方式，现在我们知 道，这个结论是错误的，因为当激光束焦点的能量密度达到1 0 0 w c m z 时，小孔的形成条件得到满足，从而就可以利用激光束进行穿透 ( 深熔) 焊接。同时，小孔的建立与维持需要一定的时间，因此，使用 脉冲激光进行焊接对，小孔就不易向深处扩展，也就不易产生深熔 焊。 随着千瓦级连续c 0 2 激光器焊接试验的成功i 眨4 ”，激光焊接的 研究与应用情况在1 9 7 1 年和1 9 7 2 年发生了变化。在大厚度不锈钢 试件上进行c 0 2 激光焊接，形成了穿透熔深的焊缝，从而清楚地表 明了小孔的形成，而且激光焊接产生的深熔焊缝与电子束焊接相似 “。这些利用c 0 2 激光器进行金属焊接的早期工作证明了高功率连 续激光焊接的巨大潜能。日本、德国、英国和前苏联等国的研究组 也相继报道了高功率c 0 2 激光焊接技术的发展及其优化1 1 9 “j 。 c 0 2 激光焊接继续的发展集中于如何获得高光束质量的致密可靠的 激光源，如何理解和解释接头设计、焊接速度、光束聚集和等离子 效应之间的复杂相互作用及其与焊接性能的关系。除少数特例外， 在这些研究中，基本不采用功率高于2 0 k w 的激光器进行焊接，事 实上，激光焊接工艺开发与发展的后续经验表明，使用功率超过 1 2 1 5 k w 的激光器进行焊接，并不会获得更多的益处，除非应用在 焊接速度极高及金属工件厚度极大的场合。由于金属的反射率在钕 玻璃或n d ：y a g 激光1 0 6 o n 波长下远远低于在c 0 2 激光1 0 6 g n 波长的作用下，因此，相对于c 0 2 激光器来说，使用平均功率大大 降低的1 0 6 a n 波长的固体激光器( 钕玻璃或n d ：y a g ) 进行焊接，可 获得相当的焊接质量。光纤传导技术可以较好地应用于1 0 6 f 删的激 光，甚至功率高于l k w 也是可行的，而c 0 2 激光则不具备这种性能。 c 0 2 激光器的发展重点虽然仍集中于设备的丌发研制，但已不在于 提高最大的输出功率，而在于如何提高光束质量及其聚焦性能。与 c 0 2 激光器的发展情况不同，n d ：y a g 激光系统的发展趋势仍是 如何提高平均功率，这个发展趋势受到高质量晶体生长的困难和激 光技术的获得所限制，此外，n d ：y a g 激光的导光与传输系统也 有待于得到进一步的改善和优化。1 9 9 6 年就有学者报道了平均功率 为4 k w 的n d ：y a g 激光焊接的试验数据田j 。在近2 0 年中，高功 率连续波c 0 2 气体激光器( 波长为1 0 6 a n ) 和固体n d ：y a g ( 掺钕忆 铝石榴石) 激光器( 波长为1 0 6 a n ) 的发展导致激光束作为热源的加 工应用日趋增多和普遍，应用领域包括切割、焊接、热处理、软钎 焊、硬钎焊、复层焊接及表面硬化等【2 4 】。 目前，几乎所有用于焊接和热处理的固体n d ：y a g 激光器都与 光导纤维系统组合使用，具有革新性的纤维传送系统与n d ：y a g 激 光器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 系统对于工业上的多工作台同时加工及机器人或机械手操纵非常理 想瞄j 。而且n d ：y a g 激光器比c 0 2 激光器更适合于焊接高反射率 材料( 如铜合金和铝合金等) ，这是由于n d ：y a g 激光具有相当短 的波长( 1 0 6 a n ) ，从而可获得较高的功率密度 2 6 , 2 ”。值得注意的是， 对于相同的平均功率，脉冲n d ：y a g 激光比连续n d ：y a g 激光 可获得更大的熔深f 2 引。在航空工业以及许多其它应用中，激光焊接 能够实现很多类型材料的连接，而且激光焊接通常具有许多其它传 统熔焊工艺所无法比拟的优越性，尤其是激光焊接能够连接航空与 汽车工业中比较难焊的薄板合金材料1 2 9 ，如铝合金与钛合金等，并且 构件的变形小，接头质量高，重现性好。激光加工的另一项具有吸 引力的应用方面是利用了激光能够实施局部微小范围加热的特性， 激光所具有的这种特点使其非常适于印刷电路板一类的电子器件的 焊接，激光能在电子器件上非常小的区域内产生很高的平均温度， 丽接头以外的区域则基本不受影响1 3 0 】。用于激发高功率n d ：y a g 晶体的二极管激光组合的应用是一项重要的发展课题，必将大大提 高激光束的质量，并形成更加有效的激光加工。采用直接二极管阵 列激发输出波长在近红外区域的激光，其平均功率己达l k w ，光电 转换效率接近5 0 。这些激光设备和技术总有一天会在焊接应用方 面向c 0 2 激光器和n d ：y a g 激光器发起挑战。 1 2 2 激光焊接的最新动向 1 高解度l d 泵浦口1 j s l a b 型n d ：y a g 激光设备及其焊接。美国最近丌发出了利用 s l a b 型n d ：y a g 晶体的2 台l d 泵浦固体激光设备，1 台为t r w 公 司丌发的3 k w 级l d 泵浦n d ：y a g 激光，另l 台为g e f l b e r t e k 公 8 司开发的5 0 0 w 级qs w i t c h ( 开关型) 脉冲激光设备。焊接用3 k w 级 的设备是准c w l d 阵列，最大2 0 负载率，其功率随脉冲频率而变 化，4 0 0 h z 时，脉冲宽0 5 m s ，脉冲能量7 5 j ，功率达到3 0 0 0 w , 1 7 5 0 h z 时，功率达到1 9 5 0 w 。激光横模为长方型低阶模，在出射口整形成 8 m mx8 m ，用焦点距离3 5 0 m mf f 5 0 ) 的光学镜头聚焦后，含激光功 率约9 5 的中央高辉度区域的尺寸为0 1 m m ，非常小，最大功率密 度平均6 0 m w c m 2 ，峰值3 0 0 m w c m 2 。焦点深度约lc m 【3 2 - 3 5 】。焊 缝熔深、熔宽及断面形状因纵横模式不同而异，对板厚约7 0 m m 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【3 6 】，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l m m 的方法进行焊接。 2 1 0 k w n d ：y a g 激光焊接 最近日本和英国等都开发了大功率y a g 激光设备，与c 0 2 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t w i 采 用将3 台4 k w y a g 激光装置的激光束，在直径为l m m 的s i 光纤中 合成为一束的方法，研究了c m n 钢焊接的溶深，对1 5 m m 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【37 1 。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。 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p 。关于过 程监测，正在探讨等离子体放出的光、蒸汽和等离子体；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：金属蒸汽或等 离子介电常数、反射激光功率、熔池及小孔的直接观察等 3 9 , 4 0 。对 于利用反射光的方法，在y a g 激光焊机头部装上只能透过反射y a g 激光的滤光片( 入= 1 0 6 4 士5 n m ) 和1 列s 工光二极管。c 0 2 激光焊接 时，因波长长，利用了带小间隙或7 l 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5 x x x 铝合会，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孑l 的生成是有可能的。根据 9 高速摄像机和反射激光功率同时测试结果，熔池以3 5 0 h z 在振荡。 另外，日、德学者【4 l ，4 2 j 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2 9 0 0 f s 高速摄像机，也开发了商用c m o s 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j 。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l 4 4 j 。 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1 4 ”。 4 激光与电弧复合焊接法 德国i l t ( 激光科学技术研究所) 和i s f ( a a c h e n 大学) 共同开发研 究了c 0 2 激光及y a g 激光与t i g 或m i g 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i 帅4 ”。首先，进行了厚板激光先行m i g 在后的复合焊接( c o m b i n i n g w e l d i n g ) ，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( h y b r i dw e l d i n g ) ， 包括激光与t i g 、离子体、m i g 及双枪电弧同时使用。激光t i g 混 合焊接法对薄板有效，对a i m g 3 l 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。这一方法 还可提高焊接效率，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1 4 8 1 。 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a 2 进行了y a g 激光焊。通常采用高s i 的a l 焊丝进 行y a g 激光焊接。利用3 k w 光纤传送y a g 激光对6 x x x 合金进彳亍 焊接，尤其探讨了激光束的匹配问题，以及间隙允许度及重力的影 响，向上、向下及横向焊接都可以。其它，还进行了各种合会y a g 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y a g 激光焊 接，探讨了气孔生成及各种焊接条件的影响【4 9 ”j 。 6 镁合金的激光焊接 m g 合金比重比铝小3 6 ，作为商比强材料受到注目。因此进行 了脉冲y a g 激光和连续c 0 2 激光焊接试验，对于扳厚1 8 m m 的 a z 3 l b h 2 4 合金( 3 2 7 a 1 ，o 7 9 z n ) 各种缺陷较少的最佳焊接条件为 平均功率0 8 k w , 5 m s ，1 2 0 h z , 3 0 0 m m s 。2 5 k w 1 2 7 m m s ，焦点尺寸 0 4 2 m m ，连续c 0 2 激光焊接获得了良好的熔透焊缝。还测定了y a g 激光焊接区的硬度分布，发现h a z 窄，几乎没有软化。对高压d i e c a s t ( h p d c ) 和常压d c 的两种a z 9 j ( 9 a 1 ，1 z n ) 合金进行y a g 激 光焊接的结果表明，h p d c 焊接区多发生大气孔，而d c 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r - a l l 2 m g l 7 包围的富m g 的细微等轴树枝晶，使焊接区 的硬度高于母材。对于任何m g 合金，由于m g 和z i l 的蒸气压高， 焊接中比铝优先蒸发使成分发生变化 s 2 5 3 1 。 1 3 激光焊接设备的发展现状 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，日益受到人们的关注。随着大功率c 0 2 激光及y a g 激 光装置的开发，近来又在积极开发高输出、高效率二极管泵浦激光 器及半导体激光设备。关于激光焊接工艺与基础理论，主要研究了 c 0 2 激光和y a g 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( p l a s m ap l u m e ) 的分光、吸收，散射特性以及熔透及质量检 测方法、激光与 f i g 或m i g m a g 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，激光焊接头性能评价等方面的一些研究。 用于焊接的激光器主要包括c 0 2 激光器，y a g 激光器及二极管 泵浦激光器等。 1 c 0 2 激光焊接设备 c 0 2 激光谐振腔有气体封闭型、低速轴流型、高速轴流型、2 轴 正交及3 轴正交型。激光功率密度分布有高斯分布的t e m o 模式、 低阶模和高阶模等连续谐振形式。焊接中，多用3 - 5 k w 级的c 0 2 激 光设备，1 0 - 4 5 k w 级激光设备也已在钢铁企业中应用。2 0 k w 以下的 激光装置，平均功率密度虽低，但也可进行脉冲变调焊接。激光功 率增大，焊接熔深增加，可以获得2 5 m m 以上的大熔深。但是熔深 大时易出现气孔等焊接缺陷，需要采取措施。另外，c 0 2 激光1 0 k w 以上大功率焊接时，若使用甜气保护，常出现很强的激光诱发等离 子体，使熔深变得很浅。因此，大功率时，一般使用不产生等离子 体的h e 气作为保护气体p 。 2 y a g 激光焊接设备 y a g 激光设备，可采用连续、脉冲和q 开关型，有直射光学系 统和光纤传送系统。y a g 激光光纤传送损失较小，约为2 d b l a n ，有 利于光纤传送。激光焊接用光纤有g i ( g r a d e di n d e x ) 型和s i ( s t e p i n d e x ) 型两种。g i 型可获得高斯分布的激光功率密度分布，但因涂 了g e ，易损伤，不适于大功率传送。因此一般大功率激光装置采用 s i 型。电子封装品等微小部件的脉冲y a g 激光焊接己经实用化。近 来研发出具有高质量、高亮度和高功率的连续谐振型y a g 激光装 置，2 - - 3 k w 多用于汽车用铝合金和钢铁薄板的焊接，而6 1 0 k w 可用于不锈钢等厚板的焊接。由于y a g 激光与等离子体( p l u m e ) 的相 互作用比c 0 2 激光小得多，大功率、低速度焊接是有前途的。但是 y a g 激光能量转化效率很低，因而对高效率的半导体激光、l d 泵 浦固体激光的开发抱有很大期望p ”。 3 l d 泵浦固体激光 关于半导体激光( l d ) 泵浦固体激光设备，其开发研究在世界上 很活跃。在日本作为“光予工程”国家项目到2 0 0 1 年，己研究开发 出1 0 k w 小型( r o d 型和s l a b 型) 设备。在美国，作为“精密激光加 工”国家项目，研究开发出了3 k w l d 泵浦s l a b 型固体激光设备， 可获得2 0 3 0 m m 的大熔深焊缝。由于焊缝宽度极小，可使激光束作。 横向运动扩大熔化宽度。现在德国开发的l d 泵浦薄圆盘固体激光， 具有体积小、质量好、效率高和可大功率化等特点，最受注目。h a s s 公司已开发出l d 泵浦l k w 的圆盘激光设备，并将开发1 0 k w 级的 设备。 4 半导体激光设备 目前，许多公司正在研制大功率的半导体激光设备，现已出现 2 - 6 k w 级的商用小型设备。由于体积小、重量轻，半导体激光可直 接搭载于机器人上进行焊接等加工，也可用光纤传送焊接。半导体 激光由于效率高，与普通设备相比体积小很多，但大功率时存在激 光发散角度大、工作距离短这一缺点，目前己用于热传导性差的不 锈钢、塑料等的焊接。 5 激光与其它热源的复合设备 由于激光成本高，并且从焊接高速化、焊缝表面形状和间隙的 改善等方面出发，最近对激光与电弧等热源复合焊接的研究越来越 多。主要是c 0 2 激光或y a g 激光与t i g 、m i g 、m a g 等离子体电 弧或2 台m i g 装置组合进行复合焊接。另外，也在进行c 0 2 激光与 半导体激光、基波y a g 与高周波y a g 激光等波长不同的激光组合 焊接研究。虽然尚处于研发阶段，但对于钢铁、不锈钢、铝合金板 和高n i 基合金管的焊接研究呈增加趋势 划。 1 4 激光焊接技术的应用 2 0 世纪7 0 年代，大功率c 0 ，激光器的出现，开辟了激光应用于 焊接及工业领域的新纪元。激光焊接在汽车、钢铁、船舶、航空、 轻工等行业得到了日益广泛的应用。实践证明，采用激光焊接，不 仅生产效率高于传统的焊接方法，而且焊接质量也得到了显著的提 高。 ( 一) 汽车制造业激光焊接在汽车制造业中的应用最为广泛。据专 家预测，汽车零件中5 0 以上可以采用激光加工，其中激光切割和激 光焊接是最主要的激光加工方法。世界三大主要汽车产地中，北美 和欧洲以激光焊接占主要地位，而目本则以激光切割为主。由于激 光焊接属于无接触加工，柔性好，又可在大气中直接进行，故可以 在生产线上对不同形状的零件进行焊接，有利于车型的改进及新产 品的设计。因此，发达国家的汽车制造业，越来越多地采用激光焊 接技术来制造汽车底盘、车身板、底板、点火器、热交换器及一些 通用部件。 以前采用电子束焊接的拼焊板( t a i l o rb l a n k ) ，现在正逐步被 激光焊接所取代。用激光焊接拼焊技术制造用来冲压成形的板料毛 坯，可以减少冲模套数、焊接设备和夹具，还可以提高部件精度， 减少焊缝数量，降低产品成本，减轻车身质量，减少零件个数。如 卡迪拉克某型轿车车身侧门板，由不同厚度的五块拼焊板采用激光 焊接拼接后进行冲压成形。这种生产工艺与传统的加工工艺相比， 不需要加强筋零件的强度和刚度得到了优化设计，而且充分利用 了材料，可以将材料的废损率降低到1 0 以下。德国奥迪( a u d i ) 公司 用激光拼接宽幅( 1 9 5 0 m m * 2 2 5 0 m m * o 7 m ) 镀锌板，作为车身板。与传 统焊接方法相比，焊缝及热影响区窄，锌烧损少，不损伤接头的耐 蚀性。目前，国内仅有一汽大众c 3 v 6 型轿车底板使用激光拼焊板， 但全部由国外进口。 美国福特汽车公司采用6 k w 激光加工系统，将一些冲压的板材 拼接成汽车底盘，整个系统由计算机控制，该系统具有五个自由度 的运动，特别适用于新型汽车的研制。美国福特汽车公司还采用了 带有视觉系统的激光焊接机，将6 根轴与锻压出来的齿轮焊接在一 起，成为轿车自动变速箱齿轮架部件，生产速度为2 0 0 件小时。意 大利菲亚特( f i a t ) 公司采用激光焊焊接汽车同步齿轮，生产费用只 比老设备高一倍，而生产效率却提高了5 7 倍。日本汽车电器厂用 2 台l k w 激光器焊接点火器中轴与拨板的组合件。该厂于1 9 8 2 年建 成两条自动焊接生产线，日产l 万件。 用激光叠接焊代替电阻点焊，可以取消或减少电阻焊所需的凸 缘宽度，例如某车型车身装配时，传统的点焊工艺需要l o o m m 宽的 凸缘，采用激光焊接则只需1 o 1 5 m m 。据统计，平均每辆车可以 减轻重量5 0 k g 。据报导，至2 0 0 0 年美国三大汽车公司5 0 的电阻点 焊生产线被激光焊接生产线所取代。 近些年来，我国汽车工业发展速度虽然很快，但引进的都不是 新的生产线，在国内汽车企业的生产线上很难看到大量使用激光加 工新技术。 ( 二) 钢铁行业c 0 2 激光焊接在钢铁行业中主要应用于以下几个方 面：钢带的焊接及连续酸洗线等领域上的应用。 1 ) 硅钢板的焊接生产中半成品硅钢板，一般厚度为0 2 0 7 m m ，幅 宽为5 0 5 0 0 m m 。常用的焊接方法是t i g 焊，但焊后接头脆性大。若 用l k w c o ：激光器焊接这类硅钢薄板，最大焊接速度可以达到 l o m m i n ，焊后接头的性能得到了很大的改善。 2 ) 冷轧低碳钢板的焊接冷轧低碳钢板的厚度为0 4 2 3 姗，宽为 5 0 81 2 7 0 m m 。若用1 5 k w c o , 激光器进行焊接，最大焊接速度为 l o m m i n ，投资成本仅为闪光对焊的2 3 。 3 ) 酸洗线用c 0 ：激光焊接酸洗线上板材最大厚度为6 m m ，最大宽度 为1 8 8 0 m m ，材料种类繁多，从低碳钢到高碳钢、硅钢、低合金钢等， 一般采用闪光对焊。但是闪光对焊存在一些问题：焊接硅钢时接头里 形成s i 0 2 薄膜，h a z 晶粒粗大；焊接高速钢时有不稳定的闪光及硬 化，造成接头性能不良。用激光焊接可以焊最大厚度为6 m m 的各种 钢板，接头塑性、韧性比闪光对焊有较大提高，可以顺利地通过焊 后的酸洗、轧制和热处理工艺而不断裂。例如，日本川崎钢铁公司 从1 9 8 6 年开始应用l o k w 的c 0 2 激光器，焊接8 m m 厚的不锈钢板，接 头反复弯曲次数增加2 倍。 ( 三) 镀锡板罐身的激光焊接镀锡板俗称马口铁，其主要特点是表 层有锡和涂料，是制作小型喷雾罐身和食品罐身的常用材料。用高 频电阻焊工艺，设备投资成本高，并且电阻焊焊缝是搭接，耗材也 多。小型喷雾罐身，由0 2 m m 厚的镀锡板制成，用1 5 k w 激光器进 行焊接，焊接速度可以达到2