（机械制造及其自动化专业论文）异种钢激光焊接技术的研究.pdf

摘要 本论文研究了异种钢激光焊接的工艺及激光焊接头的组织、性能。目的在于揭示用 激光焊接方法焊接异种钢的可行性及最佳的工艺参数。通过激光对2 0 g 钢和2 0 c r 2 n i 4 a 钢进行了焊接，理论分析和试验结果表明，2 0 g 钢和2 0 c r 2 n i 4 a 钢激光焊接可以获得良 好焊接接头，而且焊缝成形良好，美观，完全符合工业上的需要。 通过电镜对焊接接头的微观组织和机械性能进行了系统的研究，选出一组最佳工艺 参数。通过拉伸实验，对比分析了接头和母材在微观组织、显微硬度等方面的变化。 结果表明，激光焊接2 0 g 钢和2 0 c r 2 n i 4 a 钢是可行的，力学性能测试表明，接头的抗 拉强度超过母材。 关键词：激光焊接异种钢微观组织抗拉强度2 0 6 钢2 0 c r 2 n 1 4 a 钢 a b s t r a c t i no r d e rt ov e r i f yt h ef e a s i b i l i t vo fl a s e l - w e l d i n gf o rd i s s i m i l a rs t e e l s 。r e l a t i v e t e c h n o l o g yo fl a s e rw e l d i n gi ss t u d i e di nt h i sp a p e r , t o g e t h e rw i t ht h et i s s u ea n dp e r f o r m a n c e o fw e l d e d7 x ) n e b yd e e pw e l d i n gt e s to f2 0 gs t e e la n d2 0 c r 2 n i 4 as t e e lu s i n gl a s e r , d e , a t r 觚o r m a n c ea n da s p e c ti sg a i n e da tw e l d i n gz o n ef o rt h ew e l d i n go f d i s s i m i l a rs t e e l s ，w h i c h i sq u a l i f i e db yb o t ht h e o r ya n a l y s i sa n df i e l dt e s t i n g n 豫m i c r o s t r u c t u r ea n dm e c h a n i c a lc h a r a c t e r sa r es t u d i e ds y s t e m a t i c a l l y , a n dt h e o p t i m i z e dw e l d i n gt e c h n o l o g yd a t ai sc o n f i r m e df o rt h i sk i n do f w e l d i n gb yf u r t h e rs t u d y i n g o ft h er a t i o nb e t w e e np e n e t r a t i o nd e p t ha n db e a dw i d t h , a n dt h ev a r i a t i o no fp e n e t r a t i o n d e p t h t h er e s u l t so ft e s t i n ga n dc o m p a r i n go ft h em e t a lt i s s u e s ，c o m p o s i t e s ，m i c r o r i g i d i t y o f p r i m a r ym e t a l sa n dd h a s ew r i g g l e d a l eb o t i li n d i c a t e dt h a tt h em e t h o do f2 0 gs t e e la n d 2 0 c r 2 n i 4 as t e e ll a s e rw e l d i n gi sq u a l i f i e d ：s t r e t c h i n gs t r e s so f t h ew e l d e dz o n ei ss u r p a s s e d t h ep r i m a r ym a t e r i a l s 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 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 ro fs t e e l sm i e r o s t r u c t u r e s t r e t c h i n gs t r e s s 2 0 gs t e e l2 0 c r 2 n “as t e e l 长春理工大学硕士学位论文原刨性声明 本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文，精密设备各部件精度对加工件的 精度预测技术的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已经发 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：童! 叁塑年三月竺日 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：鳘塾塑年土月竺日 指导导师签名：耋拯荔丑年工月幽 1 1 前言 第一章绪论 激光( l a s e r ) 是英文l 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 fr 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”。它被喻为2 0 世纪“新四大发明”之一。 从1 9 6 0 年第一台激光器问世以来，激光技术的应用发展非常迅猛，在应用光学领域引 起了革命性的变革，并很快在军事、工业、农业、航空、通讯、医学等多个行业形成 了门类齐全、应用广泛的激光科技领域，在产业化上也有了飞速发展，为科学技术、 国民经济和国防建设做出了积极贡献m 。 激光焊接是激光加工技术应用的重要方面之一，2 0 世纪7 0 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0 1 。而在现代，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c o z 和高功率y a g 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，微电子领域应用也的越来越广，并同益受到工业发达国家的重视。 1 1 1 激光和激光焊原理 激光是基于原子受激辐射的原理，使工作物质受激而产生的一种高强度的相干光， 除了与普通光一样服从所有的光学规律外，还具有一些其它任何光源所不具备的特性， 如方向性好、亮度高以及单色性好等。正由于激光的方向性和亮度构成了能量在空间 和时间上的高度集中，可传输极远距离并具有高能量或高强度，在材料加工领域( 包 括焊接) 中被视为理想的热源。 激光焊接实质上是激光与非透明物质相互作用的过程。其原理为利用激光器产生 的高强度的激光束，使其聚能到1 0 3 1 v c m 2 以上的能量密度。当其作用于焊接件焊缝时， 焊件吸收光能而转变为热能，使其金属熔化后冷却结晶形成接头，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。 1 1 2 激光焊接器的分类 目前，各类激光器品种繁多，性能各异，旧的器件正日趋完善，新型器件仍然不 断出现。就其泵浦机制、运转原理来说，大致可分为： ( 1 ) 固体激光器 固体激光器通常以绝缘晶体或非晶态材料为工作介质。顺磁离子激光器、化学比 激光器、色心激光器都属此类。固体激光介质一般具有较宽的吸收带，所以可以利用 非相干光泵浦。由于固体中粒子密度较大，所以易于获得大能量输出。这其中，应用 最为广泛的当属掺钕钇铝石榴石( n d 3 + ：y a g ) 激光器、钕玻璃激光器和红宝石激光器。 ( 2 ) 气体激光器 气体激光器以气体为工作介质，其方向性和单色性都比国体激光器好。但是由于 介质储能密度较低，所以不容易获得大功率输出。具体说来又可分为：输出位于紫外 范围的准分子激光器、紫外和可见光范围的离子气体激光器、近红外和中红外的原子 气体激光器、中红外和远红外的分子气体激光器、利用化学反应泵浦的易于实现强激 光的化学激光器。其中应用最为广泛的有h e - - n e 激光器和c q 激光器。 ( 3 ) 染料激光器 以有机染料溶解于乙醇和甲醇等溶剂中作为激活介质的是染料激光器。它易于调 谐，能够获得超短脉冲，在某些方面有着比较独特的应用。 ( 4 ) 半导体激光器 半导体激光器以半导体晶体为工作介质，增益大，体积小，效率很高，能直接利 用电源调制输出激光。在光纤通信、微电子、光电子、光信息存储等方面具有非常广 阔的应用前景。近十年来，半导体激光器的产量和产值都超过了其他类型激光器的总 和。其中比较典型的有g a a s g a a i a s 激光器、分布反馈( d f b ) 半导体激光器等。 ( 5 ) 自由电子激光器 。 自由电子激光器是利用相对论电子束与周期性的w i g g l e 磁场相互作用，将电子束 能量转化为强光辐射的激光器：理论上说，它可以发射从x 射线、紫外直到红外的任 意波长的辐射。自由电子激光器的发展离不开强相对论电子学的发展。 ( 6 ) 光纤激光器 光纤激光器是一种新颖的有源光纤器件。大体上可分为三类：利用光纤非线性效 应的光纤激光器、利用y a g 、b s o 等晶体的光纤激光器、利用掺杂光纤的光纤激光器。 这种激光器阈值相当低，可以设计的非常，j 洒，可以得到很宽的调谐范围和相当好的 单色性( 2 删z ) 。 以上各种激光器由于其机理不同，因而性能特点也有所不同，适用于不同的场合。 其性能和结构的互补导致了激光在几乎任何行业的广泛应用“。 1 2 激光焊接的优点及存在的问题 1 2 1 激光焊接工艺特点 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 0 7 w c m 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、熟影响区小、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，一枧多用。 ( 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 封容器罩焊接铍合金等剧毒材料；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，如高熔点金属等，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 5 j 【6 j 。 1 2 2 激光焊接的缺点 激光焊接虽然有上述诸多优点，但是在实际应用中人们也发现了激光焊接的许多 不足之处： ( 1 ) 等离子屏蔽问题。在激光焊接中母材受热熔化、汽化形成深熔小孔时，孔中 充满会属蒸汽，金属气体与激光作用形成等离子云。等离子云吸收和反射性很强，降 低金属材料对激光的吸收率，使激光的能量利用率降低。此外等离子云强烈时还可能 对激光产生负透镜效应，严重影响激光束的聚焦效果。 ( 2 ) 桥接性差，焊缝装夹精度要求高。激光光斑直径很小，热作用区小，桥接能 力很差，对焊缝接头对准的平整度和精度要求很高。采用激光焊接时焊缝的缝隙宽度 不能大于0 2 m m ，否则激光透过缝隙太多，能量损失很大。同时接头两侧平整度太差 时会发生焊接错位，将严重影响焊接质量。这一方面对激光接头的准备提出了很高的 要求，另一方面要求装夹精确，对装夹的技术要求高，这都增加了工艺要求和焊接成 本。在工业适用化上的技术难度较大。 ( 3 ) 焊缝的硬度高，焊接热裂纹倾向大。激光焊接时功率密度很大，热作用区域 很小，而热输入量小，所以焊接区域会产生很高的峰值温度和温度梯度，焊缝熔化金 属快速凝固收缩，这会带来两方面的影响：一是焊缝的硬度很高，有时可能大大高于 母材，这在诸如船舶等特殊工业中的应用有所限制；二是对于某些金属零件特别是经 过深加工后存在高机械应力的金属焊接后工件热裂纹倾向大。 ( 4 ) 凹陷及气孑l 问题。激光焊接过程一般不采用添加填充材料，由于母材端面存 在间隙、深熔小孔内金属受热汽化，焊接后焊缝处有时会存在凹陷。焊速高时焊接所 形成的金属蒸气来不及从焊缝晕跑出，残留在快速熔化凝固后的焊缝罩，也会形成气 孔。 ( 5 ) 对高反射金属如铝、铜等的焊接十分困难。铝铜及其合金对激光的反射非常 高，起始的反射率高达9 0 以上，激光能量大部分被反射，难以形成深熔焊的小孔。 ( 6 ) 采用激光焊接一个很致命的缺点是焊接设备成本很高，同时激光器的能量利 用率低，以激光器为例总效率小于2 0 。而且大功率激光器运行时对昂贵的h e 气消 耗巨大，生产成本也增加很大。但是激光焊接的熔深并非与激光功率成正比的增长， 以低碳钢焊接为例，焊接熔深大概与功率的0 6 次方成正比。在2 0 k w 的激光功率下， 熔深最大为1 5 2 0 m ，功率达到9 0 k w 时最大熔深也只有4 5 m 。其主要原因是：1 ) 熔深再增大时焊口侧壁的熔化会属会跨接起来，阻碍激光通过；2 ) 高功率激光焊接时 将产生大量的等离子体，而去除等离子体也越来越困难，对激光的屏蔽也越来越严重。 激光器的输出镜由于温度的丹高两产生应变，聚光性能也会越来越差，尤其在长时间 使用时影响更是巨大“】i f ”。 激光焊接与其它主要焊接方法优缺点的对比总结见表1 - 1 。 表1 - 1 激光焊接与其它焊接i ：艺的对比 ! 垒垒堡! ： ! 坚! 塑皇丝1 2 旺望墨型i 仝璺垡竖! ! 堕呈翌竺竺! 垒! 翌曼! ! 塑壁垒! 垡! ! ! 璺! 竖 对比项目激光焊接电子柬焊接电弧焊电阻焊 注：“十”表示优势；“一”表示劣势；“0 ”表示适中。 出图看出，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，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。 1 3 激光焊接技术的应用及其前景展望 1 3 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至气体受激物质至液体受激物质、由脉冲激 光焊接至连续激光焊接、低功率至高功率、薄板至厚件、低速至高速、低频至高频及 低效到高效的历史。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 l 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 纪最具发展丽景及最有效的加工技术”“。 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 4 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，由于高功率连续波( c w ) 激光 器尚未开发出来，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 g 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，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 唧a m 2 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时，小孑l 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 o ：激光器焊接试验的成功，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 吼激光焊接，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。同本、德国、英国和前苏联等国的研究组也相继报道了高功率面：激光焊接技术 的发展及其优化。c 如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 p m 波长 下远远低于在c 砚激光1 0 6 姗波长的作用下，因此相对于c 0 ：激光器来说，使用平 均功率大大降低的1 0 6 p m 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 p m 的激光，甚至功率高于l k w 也 是可行的，而c 嘎激光则不具备这种性能。c 如激光器的发展重点虽然仍集中于设备的 开发研制，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 吼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。在近2 0 年中，高功率连续波c 如气体 激光器( 波长为1 0 6 p m ) 和固体n d ：y a g ( 掺钕忆铝石榴石) 激光器( 波长为1 10 6 p m ) 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“3 。 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j 常理想。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 u r n ) ，从而可获得较高 的功率密度。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 ： t a g 激光可获得更大的熔深。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会材料，如铝合金与 钛合会等，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，而接头以外的区域则基本不受影响。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，必将大大提高激光柬的质 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i 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 。 1 3 ，2 激光焊接技术的应用 随着激光焊接技术的不断发展，应用范围也越来越广泛，主要体现在： ( 1 ) 制造业应用。激光拼焊( t a i l o r e db l a n dl a s e rw e l d i n g ) 技术在国外轿车 制造中得到广泛的应用，据统计，2 0 0 0 年全球范围内剪裁坯板激光拼焊生产线超过1 0 0 条，年产轿车构件拼焊坯板7 0 0 0 力| 件，并继续以较高速度增长。国内生产的引进车型 p a s s a t 、b u i c k 、a u d i 等也采用了一些剪裁坯板结构。日本以c 0 ：激光焊代替了闪光对 焊进行制钢业轧钢卷材的连接，在超薄板焊接的研究，如板厚1 0 0 微米以下的箔片， 无法熔焊，但通过有特殊输出功率波形的y a g 激光焊得以成功，显示了激光焊的广阔 前途。闩本还在世界上首次成功丌发了将y a g 激光焊用于核反应堆中蒸气发生器细管 的维修等，在国内苏宝蓉等还进行了齿轮的激光焊接技术。 ( 2 ) 粉末冶金领域。随着科学技术的不断发展，许多工业技术上对材料特殊要 求，应用冶铸方法制造的材料已不能满足需要。由于粉末冶会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， 随着粉末冶会材料的日益发展，它与其它零件的连接问题显得开益突出，使粉末冶金 材料的应用受到限制。在八十年代初期，激光焊以其独特的优点进入粉末冶金材料加 工领域，为粉术冶金材料的应用开辟了新的前景，如采用粉末冶会材料连接中常用的 钎焊的方法焊接金刚石，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”。 ( 3 ) 汽车工业方面。2 0 世纪8 0 年代后期，千瓦级激光成功应用于工业生产， 而今激光焊接生产线已大规模出现在汽车制造业，成为汽车制造业突出的成就之一。 6 德国奥迪、奔驰、大众、瑞典的沃尔沃等欧洲的汽车制造厂早在2 0 世纪8 0 年代就率 先采用激光焊接车顶、车身、侧框等钣金焊接，9 0 年代美国通用、福特和克莱斯勒公 司竟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 数钢板组件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得越来越多，根据美国金属市场统计，至2 0 0 2 年底，激光焊接钢 结构的消耗将达到7 0 0 0 0 t 比1 9 9 8 年增加3 倍。根据汽车工业批量大，自动化程度高 的特点，激光焊接设备向大功率、多功率式方向发展。在工艺方面美国s a n d i a 国家实 验室与p r a t tw i t n e y 联合进行在激光焊接过程中添加粉末金属和金属丝的研究，德国 不莱梅应用光束技术研究所在使用激光焊接铝合金车身骨架方面进行了大量的研究， 认为在焊缝中添加填充余属有助于消除热裂纹，提高焊接速度，解决公差问题，开发 的生产线已在奔驰公司的工厂投入生产。而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1 力件。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 0 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。 ( 4 ) 微电子工业方面。激光微处理技术在电子工业的许多方面已是一项成熟的工 艺。它不仅替代传统的技术，而且导致重新设计的产品更致力于新技术，提高了产品 质量，促进了新产品开发。低廉的花费、设备的可靠性能、工艺的高效率、高精度和 商灵活性，使激光器成为一种非常有用的工具。激光点焊技术在电子工业领域已经被 接受。每个电视和电脑显像管生产厂都使用这种技术来组装电子枪。典型的用途是， 小型激光焊接设备运用n d ：y a g 激光器和光纤输送系统，组装阴极、电子格栅、光电 子透镜，最后组装成电子枪。可以说，没有激光点焊技术，就不能保证现代电视机显 像管的质量。电阻焊接的次品率是0 1 ，而激光焊接的次品率仅有o 0 0 2 。每一部件 装配的精度都有极为严格的要求，在大量产品中使用激光点焊技术，其尺寸精度可达 到3 5 m 。随着小型化的趋势，大量有微米和亚微米精度要求的产品被设计出来。因 为焊接会有热量传导进入产品中，即使热量非常有限，在设计时，也必须考虑由此而 产生的机械热变形和位移，所以可以利用激光器的可调节功能。一些热机械装置会使 元件产生局部弯曲和缩短。这样，在产品的结构布置上需要处理一些自由尺寸问题。 利用激光这项新技术对各个元件进行调整操作，能够用简单的工装代替过去昂贵的、 复杂的工装，以完成精确定位程序，从而达到最终精确度要求“”。 ( 5 ) 生物医学方面。生物组织的激光焊接始于2 0 世纪7 0 年代，k l i n k 等及j a i n 用激光焊接输卵管和血管的成功焊接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，并推广到其他组织的焊接。有关激光焊接神经方面目f ； 国内外的研究主 要集中在激光波长、剂量及其对功能恢复以及激光焊料的选择等方面的研究，刘铜军 进行了激光焊接小血管及皮肤等基础研究的基础上又对大白鼠胆总管进行了焊接研 究。激光焊接方法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生长等优点 将在以后的生物医学中得到更广泛的应用啪1 。 ( 6 ) 塑胶元件焊接方面。激光技术的应用绘热塑性塑料元件的焊接带来了新的机 遇，到目| j i 为止塑料的焊接主要还在使用超声波和振动的方法。在这一应用领域中， 由于n d ：y a g 激光器和二极管激光器发射的波长接近1 帅光容易被塑料吸收，因而适 合用束焊接塑料。在使用激光焊接时，塑料的这种吸收特性是非常重要的。塑料吸收 辐射光的能力和辐射光对塑料的穿透力取决于的塑料组织结构和激光光束的特性。对 于c 0 2 激光器产生的激光辐射，塑料在其表面层进行吸收，并引起塑料汽化。n d ：y a g 激光器和二极管激光器的辐射能穿透塑料聚合物，产生一个焊接过程所必需的熔池。 塑料的这种吸收性能受材料中色素含量的影响。人眼所见到的黑色不同于对激光有吸 收性的黑色色素，含有这种黑色色素的元件能够被焊接在一起。 实际上所有的热塑性塑料都能用激光焊接。如果两种不同的材料是可焊的( 例如： 材料的液态温度范围必须重叠) ，那么它们就可以连接在一起。氟化材料与耐温材料能 用激光焊接，还有聚甲基丙烯酸甲醋与丙烯睛一丁二烯一苯乙烯、塑料与会属。随着 与塑料结合的材料种类的增多，汽车工业越来越注重激光焊接。通过激光辐射技术， 被测试材料很容易与热塑性塑料形成连接。 ( 7 ) 其它领域在其它行业中，激光焊接也逐渐增加特别是在特种材料焊接中国 内进行了许多研究，如对b t 2 0 钛合金、h e l 3 0 合金、l i i o n 电池等激光焊接，德国玻 璃机械制造商g l a m a c o c o s w i g 公司与i f w 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”o “。 1 3 3 激光技术的发展及国内外现状 根据报导，世界激光器市场可划分为三大区域：美国( 包括北美) 占5 5 ，欧2 | 占2 2 ，同本及太平洋地区占2 3 。在世界激光市场上日本在光电子技术方面占首位， 美国占第二位；在激光医疗及激光检测方面则美国占首位；而在激光材料加工设备方 8 面则是德国占首位。美国、曰本、德国三国的激光产业发展情况，也就反映了世界激 光市场的基本情况及其发展趋势。 ( 1 ) 美国激光产业发展现状： 根据1 9 9 6 年工业激光评论杂志报导1 9 9 5 年世界范围销售的激光加工系统 约1 1 亿美元，美国占3 1 、欧洲3 2 、日本3 5 ，其它2 。在美国比较著名的激光公 司有：相干公司、光谱物理公司、联合工艺( u r t c ) 公司、p r c 公司、燃烧工程公司、 l u m o n i c s 公司、s y n r a d 公司、m a r t e dl a s e r s 公司、e l e c t r o x 公司和e s i 公司等。相 干公司和光谱物理公司是美国最大的两个激光公司，占美国激光公司总销售额的4 0 以上。光谱物理公司的工业激光部的高功率c 0 2 激光器股权已为德国r o f i n - s i n a r 公司 所收购，主要生产1 5 k w 一6 k w 横流c 砚激光器。联合工艺公司主要生产5 k w - 3 0 k w 高功 率横流c o 。激光器，并且和德国一公司合资在德国制造这类设备；p r c 公司主要生产 o 5 3 5 k w 轴快流c 如激光器，现已累计销售了1 0 0 0 台高功率激光器；燃烧工程公司 生产l k w 、5 k w 和l o k w 的高功率横流c 晚激光器( 以色列m l i 公司的专利) 。s y n r a d 公 司主要生产2 0 0 w 以下封离型射频激励c 0 2 激光器。 美国是世界上最早建立激光加工站的国家，许多加工站建立于7 0 年代中期，1 9 9 6 年的统计结果表明，美国激光加工站的年收入己逾6 0 8 0 亿美元，在美国激光加工站 已超过1 7 6 5 家，这对于在美国推广激光加工技术起着重要的作用。据报导，到2 0 0 0 年美国三大汽车公司5 0 的电阻点焊生产线将被激光焊生产线所取代。1 9 9 5 年世界销 售的激光加工系统预计为1 9 5 0 台，其中美国6 4 0 台，占3 4 。 在激光加工中主要使用c q 激光器和n d ：y a g 激光器。在美国c 也激光器5 8 用于 切割、1 2 用于焊接、1 1 用于标记、1 用于热处理、其它为1 8 ；n d ：y a g 激光器2 4 用于焊接，3 9 用于标记，7 用于切割，1 8 用于微电子加工，3 用于打孔，其它9 9 6 。 在激光医疗方面，美国处于世界领先地位。激光医疗设备不仅在美国获得广泛应 用，而且大量出口，美国的激光医疗设备由美国食品药物管理局( f d a ) 统一管理，只 有经过批准注册方可使用和生产，这样就保证了激光医疗设备的产品的质量和可靠性 与安全性。据统计，1 9 8 6 年美国医院进行的2 1 0 0 万例手术中已有2 5 0 万例使用c 0 2 激光手术刀，占总手术的1 2 ，美国全国2 3 的门诊机构已拥有激光医疗设备。在美 国新的激光医疗仪器和医疗技术不断出现，例如，美国每年有2 0 - 2 5 万椎问盘突出病 人，其中1 0 2 0 可以用激光进行切除；美国有1 4 0 0 力人希望除去身上的纹身，美国 每年诊断有4 5 万例患者有肾结石，其中1 3 用内窥镜技术或激光碎石术治疗，用准分 子激光作角膜刻划来矫正视力已作了2 万多例，预计1 9 9 6 年可能有2 0 0 3 0 0 台准分子 激光器在美国销售，用于治疗近视跟；1 9 9 5 年又推广了c 0 ：激光美容手术，特别是去 掉皮肤皱纹的手术受到欢迎。据预测第一代软组织的激光牙科机在九十年代初期销售 可达几予台，销售额0 9 亿美元，第二代硬组织激光牙科机可能替代大部分的机械牙 钻市场。 ( 2 ) 同本激光产业发展现状： 1 9 9 3 年同本光电产业产值为3 7 8 5 0 亿日元，比1 9 9 2 年增长7 9 。从光电子设备 的细且束看，光盘为1 4 8 9 7 亿只元( 占5 3 ) ，光输入输出设备8 4 6 2 亿只元( 3 0 ) ， 光传输设备2 4 4 6 亿曰元( 9 9 6 ) ，光传感器1 0 0 5 亿日元( 4 ) ，激光加工设备4 2 0 亿日 元( 2 ) 。 从光电子元件细目来看，显示元件4 7 8 7 亿日元( 占4 9 ) ，发光元件1 3 8 7 日元( 包 括激光器，占1 4 ) ，光纤1 2 6 9 亿开元( 1 3 ) ，光敏元件( 光接近元件) n 1 5 亿日元 ( 1 1 ) ，复合光元件5 7 2 亿同元( 6 ) ，光传输网络1 6 3 亿日元( 2 ) ，太阳能电池1 5 7 亿只元( 2 ) 。 八十年代卒刀，日本产业界积极采用激光加工，并逐步扩大到焊接、钎焊。统计表 明，只本占当今世界上工业用激光设备的3 0 9 6 左右，激光加工是开本重要的基础制造 技术之一。日本现用于材料加工的是大功率二氧化碳激光器和n d ：y a g 激光器，少量 准分子激光器也已使用，而新开发的气体激光器有波长1 0 6 微米二氧化碳激光器、波 长5 微米一氧化碳激光器、波长l3 微米的碘激光器及二极管激励固体激光器的紫外 准分子激光器等。大功率一氧化碳激光器早已实现了连续4 小时5 k w ，短时间达7 k w 振荡输出。9 3 年其输出功率已达到2 0 k w ，它在切割焊接中丁f 崭露头角，而高功率的碘 激光器是只本产业创造研究和川崎重工一起开发的，1 9 8 9 年实现了近红外的振荡，它 是化学激光器，特征是振荡效率极高，5 k w 一氧化碳激光器、l k w 碘激光器装置已设立 在9 2 年4 月成立的激光应用工学中心。 此外，弧光灯激励固体激光器放大都为3 k w ，因其存在功率增大导致光束发散角 偏大和脉冲振荡重复频率低的缺点，日本正努力研制半导体激励y a g 激光器来取而代 之。据报导，l k w 二极管激励y a g 激光器由正由同本国立研究所制成。 目前，大功率准分子激光器及其在材料加工中的应用开发研究引起人们极大兴趣。 它可利用短波长高能光子不产生热量的分子水平的加工。8 6 年只本通产省工业技术院 提出的1 8 家民间企业与3 所国立研究所参与的超尖端加工系统，就是以准分子激光和 离子束为中心t 具，其目标是在9 3 年研制成2 k w 级准分子激光设备。 激光加工切割的灵活性、高精度、高速度、高可靠性、高效率等优点，不仅在薄 板工业上，而且在金属、塑料、陶瓷业中也广为使用。最近5 轴或6 轴三维激光切割 机器人已在r 本汽车、机械、电机重工中大显身手。 同时，激光焊接在日本电子、电机、汽车、车辆零部件，0 a 机器等小件、大批量 生产中得到迅速发展。是本产业界生产线上成功应用激光焊为世界所瞩目。如在汽车 车体制造中f 1 本大胆采用有坯料时就将薄钢板实施激光焊接后冲压成型的新方法 ( y a i l o r c db l a n kw e l d i n g ) ，现已为世界上绝大多数汽车厂家所仿效。 同本以5 k w 及1 0 k w 二氧化碳激光焊代替了闪光对焊进行制钢业轧钢卷材的连接。 在薄、中厚板钢管、高级薄型不锈钢制造时，与高频电焊、t i g 焊相结合，保证了质 l o 量的稳定性。 只本致力于激光超薄板焊接的研究，如板厚1 0 0 微米以下的箔片，无法熔焊，但 通过有特殊输出功率波形的y a g 激光焊得以成功，显示了激光焊的广阔前途。日本引 以为自豪的是在世界上首次成功开发了将y a g 激光焊用于核反应堆中蒸气发生器细管 的维修，这是日本最大限度地利用y a g 激光( t t 长1 0 6 微米) 能以石英光纤遥控传输 和集周边设备之大成的尖端技术。随着今后3 k w 以上的高功率、高亮度且控制维修性 皆佳的y a g 激光器和新一代二极管激光激励大功率固体激光器的诞生，软硬件的配套， 预计这一领域的激光技术还会有新的突破。 1 9 9 2 年同本c 仉激光加工机年销售额为5 5 8 亿同元，y a g 激光加工机年销售额为 1 7 7 亿r 元，总计为7 3 5 亿日元。c o x 激光加工机主要应用于切割和打孔( 占总台数的 9 4 8 ) ，焊接( 2 8 ) ：而y a g 激光加工机主要应用于标记( 3 4 5 ) ，焊接( 2 7 7 ) ， 微调( 1 0 ) 和切割、打孔( 8 9 ) 。闩本生产c 0 ：激光器的厂商有6 0 家，生产c o ：激 光加工机的主要制造厂商为三菱电气，松下电气，h m a d a 和m a z a k 等公司，占日本激 光加工市场7 0 左右。日本生产y a g 激光器的有日本电气、富士电视、东芝等3 0 家生 产厂家。约7 0 8 0 的c o ：激光器用于切割，约有7 0 的y a g 激光器用于电子工业。另外， 据统计，到1 9 9 5 年为止日本已建立了1 5 0 0 家激光加工站。近年来，以每年新建2 0 0 3 0 0 家的速度在递增。 同本激光医疗始于a r 激光眼底凝固、外科二氧化碳激光刀、内科d ：y a g 激光内 窥镜等迎来了光能热利用激光医疗第一代。随着激光技术的进步，激光化学效益治疗 法诞生，丌辟了激光医疗的康庄大道，现今，日本所有医疗领域中都应用了激光。日 本利用n d ：y a g 倍频激光( 5 3 2 n m ) 的医用激光器，其基波功率为6 0 w ，调谐波功率约 2 0 w ，通过k t p 变换波长，已在医疗上广泛使用。e r ：y a g 激光的2 9 4 微米光较之二 氧化碳激光的l o 6 微米更易被水、c a 、p 等所吸收，多用于切开、切除多水份的身体 软组织及骨切开术，性能大大优于二氧化碳激光刀。由于可以光纤传导，此外，稀土 类元素激光器也己开始使用。 日本利用激光治疗癌症十分积极，主要是a r 激光激励、闪光灯激励、准分子激励 的染料激光器。随着光纤技术的发展，它们是非切开治疗体腔内癌的划时代的新手段， 还能治疗血管狭窄、闭塞、给心脏外科带来革命。光纤腹腔镜已顺利走上应用轨道， 不动手术的腹腔内疾患激光治疗法，对高龄人口结构的日本具有重要的、现实的意义。 准分子的紫外光束有良好的光化学效应，适宜于非热性切开、切除、并能抑止红 外光束所常见的切丌部的热变性和炭化，一部分h r f 激光器( 角腊在1 9 3 n m 附近有吸 收带) 适用于角膜切开，进行眼科近视治疗的角膜手术，但能否保持治疗效果仍有疑 问。h r f 激光有优秀的骨切开功能，在整形外科中大有用武之地。同本防卫医科大学 最近在临床试用准分子激光清除严重烧伤( 死) 皮肤组织，时间短、痛苦少，并能有 选择地控制照射，无紫外线过量而致癌之忧的新技术。 波长7 8 0 8 3 0 n m ，功率1 0 1 2 0 0 m w 的g a a i a s 激光器用眼科白内障、眼睑异常治疗、 外科皮肤肌肉切开、神经科神经纤维伸长抑制、循环系的血流、皮肤温度控制、减轻 疼痛等。不久的将来，半导体激光激励小型激光器一旦实现，激光医疗应用将会出现 飞跃。自由电子激光器将是今后医疗领域的台柱，是未来医用激光设备的代表。激光 医疗的主要课题是治癌，并为治疗艾滋病，疑难怪症带来福音埘1 。 ( 3 ) 德国激光产业发展现状： 在欧洲地区激光产业发展最快的是德国，特别是激光材料加工方面处于世界领先 的地位。1 9 8 6 年德国提出了1 9 8 7 1 9 9 2 年激光研究与激光技术资助重点的8 m f t 资助计划，在这五年期间实际投资为2 亿6 千2 百万马克，资助重点与经费分配为： 激光器与元件3 6 ，应用技术与系统集成4 8 9 9 6 ，激光测量与激光分析1 2 ，2 ，其它2 3 ； 也就是说约7 2 的经费用于激光材料加工的课题( 光源、元件、系统和方法) 。承担课 题的有科研集团( f h g 、m p g 、g f e ) 6 个科研所，9 个大的激光中心，高校研究所中的 3 0 个科研组，共约9 0 0 名科研人员参加。在这期间建立的比较著名的研究所和中心有： 夫朗和费激光技术研究所、柏林固体激光研究所、汉诺威激光中心、斯图加特光束应 用研究中心等。 根据德国机械制造协会激光材料加工工作联盟1 9 9 4 年的统计，用于材料加工的 c 仉和y a g 激光器总共生产了1 3 6 4 台，产值1 6 5 亿马克，比1 9 9 3