（机械工程专业论文）薄钢板激光搭接焊熔深试验研究.pdf

r e s e a r c ho fw e l dd e p t ho nl a s e ro v e r l a p w e l d i n g o ft h i ns t e e ls h e e t b y c h e nm i n g | l i i iiii iii i i ii ii i iiu l 19 0 6 5 4 9 b e ( c e n t r a ls o u t hu n i v e r s i t yo ff o r e s t r ya n dt e c h n o l o g y ) 2 0 0 6 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o r t h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g m e c h a n i c a le n g i n e e r i n g i nt h e g r a d u a t es c h o o l o f h u n a nu n i v e r s i t y s u p e r v i s o r p r o f e s s o rc h e n g e n y u m a y ，2 0 1 1 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。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后果 由本人承担。 作者签名：丧，贰 日期：加- 1 年 月“日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权湖南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，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位 论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“4 ) 作者签名：侮斌 导师签名： 日期：知，1 年s 月】le t 日期：1 1 年厂月认日 菏钢扳激光搭接焊熔深试验研究 摘要 在不锈钢铁道客车车体、电梯、集装箱及钢制家具橱柜等产品中，产品表面 不需要涂装，采用传统电阻点焊容易影响表面质量，且密闭性差，而非熔透激光 焊接单面成型就能弥补点焊的这些缺点，可以得到良好的密封性、一定强度和较 高的表面质量。 同时，在车辆、船舶、航空航天等领域的集成焊接中，有大量的焊接部分是 三层甚至是更多层薄板的层叠搭接焊。在传统的多层板点焊方式中，由于点焊的 不连续性和其自身容易变形的特点，尤其是在焊接三层板连接时，焊接变形较大， 易产生缝隙，并造成焊点周围的母材热影响区强度下降，而采用连续激光焊接可 以很好的避免这些问题的产生。 如何在薄钢板非熔透的前提下实现良好的焊接质量；如何保证三层板激光焊 接的焊接质量，成为了目前需要解决的首要问题。本文主要针对这两个重要问题， 进行了如下研究： 首先，利用s y s w e l d 仿真软件对非熔透激光焊接s u s 3 0 4 不锈钢薄钢板进 行模拟仿真，建立了激光焊接的热源模型，用建立的激光焊接热源模型，模拟分 析了激光功率、焊接速度对熔池温度场及熔池深度的影响，并进行了应力场分析。 其次，针对非熔透激光焊接薄钢板进行试验研究，分别进行了连续激光焊接 试验和脉冲激光焊接试验，分析激光功率、焊接速度、离焦量、脉冲频率、占空 比等焊接参数对焊接质量的影响，然后进行焊接接头的焊后检测分析，对比分析 了连续激光焊接和脉冲激光焊接在非熔透焊接质量上的优劣势。 最后，针对三层板激光焊接进行了零间隙正交试验及变间隙试验。通过焊缝 表面成形质量分析，焊缝截面形貌分析，力学性能及金相组织分析，得出了焊接 工艺参数及上下间隙对三层板的焊接质量影响规律。 关键词：熔深：非熔透；激光搭接焊；连续激光；脉冲；工艺参数；性能 硕l j 学位论文 a b s t r a c t i nt h es t a i n l e s ss t e e lr a i l w a yv e h i c l eb o d y ，e l e v a t o r ，c o n t a i n e r ，s t e e lf u r n i t u r e a m b r ya n do t h e rp r o d u c t s ，t h ep r o d u c ts u r f a c ed on o tn e e dc o a t i n g a n dt h es u r f a c e q u a l i t ya n dt i g h t n e s sw i l lb ei n f l u e n c e di fu s i n ge l e c t r i cr e s i s t a n c ew e l d i n g t ow e l d t h e s e p a r t s h o w e v e rs i n g l e s i d e d m o l d i n gb yp a r t i a lp e n e t r a t e d l a s e r o v e r l a p w e l d i n g c a nc o m p e n s a t ef o rt h e s es h o r t c o m i n g s o fe l e c t r i cr e s i s t a n c e w e l d i n g ，c a ng e tg o o ds e a l i n g ，c e r t a i ns t r e n g t ha n dh i g hs u r f a c eq u a l i t y m e a n w h i l e ，i nt h ev e h i c l e s ，s h i p s ，a e r o s p a c ei n t e g r a t e dw e l d i n gf i e l d s ，al a r g e n u m b e ro fl a s e ro v e r l a p - w e l d i n gp a r t sa r et h r e ee v e nm o r el a y e r so ft h i ns t e e ls h e e t e l e c t r i c r e s i s t a n c e w e l d i n g ， b e c a u s eo f d i s c o n t i n u i t y a n dt r a n s f o r m a t i v e c h a r a c t e r i s t i c ，e s p e c i a l l yi nw e l d i n g o ft h r e el a y e rb o a r d ，r e s u l t si nw e l d i n g d e f o r m a t i o n ，g a p s a n dt h em o t h e rm a t e r i a l sa r o u n ds o l d e rh e a ta f f e c t e d z o n e i n t e n s i t yd e c r e a s e s ，b u ta d o p t sc o n t i n u o u sl a s e rw e l d i n g c a nb ea v o i dt h e s ei s s u e s h o wt og e tt h eg o o dw e l d i n gq u a l i t yi np a r t i a lp e n e t r a t e dl a s e ro v e r l a p 。w e l d i n g a n dh o wt oe n s u r et h eg o o dw e l d i n gq u a l i t yo ft h et h r e el a y e rb o a r do fl a s e rw e l d i n g ， b e c a m et ot h ep r i m a r yp r o b l e m sw h i c hn e e d e dt os o l v ea tp r e s e n t t h i sa r t i c l e m a i n l ya i m sa tt h et w oi m p o r t a n tp r o b l e m st om a k et h ef o l l o w i n gr e s e a r c h ： f i r s t ，t h ep a r t i a lp e n e t r a t e dl a s e ro v e r l a p - w e l d i n go fs u s 3 0 4s t a i n l e s ss t e e lh a s b e e ni m i t a t e db ys y s w e l ds i m u l a t i o ns o f t w a r e ，a n dt h el a s e rw e l d i n gh e a ts o u r c e m o d e lh a sb e e ne s t a b l i s h e d a n dt h e nt h em o d e lw a su s e dt os i m u l a t e sa n da n a l y z e s t h ei n f l u e n c eo fl a s e rp o w e ra n ds p e e dt ow e l d i n gt e m p e r a t u r ef i e l da n dd e p t ho f m o l t e np 0 0 1 s t r e s sf i e l di sa l s ob e e na n a l y z e d s e c o n d l y ，t h ee x p e r i m e n to fp a r t i a lp e n e t r a t i o nl a s e rw e l d i n go ft h i ns t e e ls h e e t w a sc a r r i e do u t ，u s i n gt h ec o n t i n u o u sl a s e ra n dp u l s e dm o d u l a t i o nl a s e rw e l d i n gt e s t s t h em a i ni n f l u e n c i n gf a c t o r so np a r t i a lp e n e t r a t e d l a s e rw e l d i n gq u a l i t yw e r e a n a l y z e d ，i n c l u d i n gl a s e rp o w e r ，w e l d i n gs p e e d ，d e f o c u sd i s t a n c e ，p u l s ef r e q u e n c y a n dd u t yr a t i o t h e nt h ei n s p e c t i o na n da n a l y s i so ft h ew e l dj o i n ta f t e rw e l d i n gw a s c a r r i e do u t t h ec o n t r a s ta n a l y s i so fd i s a d v a n t a g e so np a r t i a lp e n e t r a t i o nw e l d i n g q u a l i t yf r o mc o n t i n u o u sl a s e rw e l d i n gt op u l s el a s e rw e l d i n gi np a r t i a lp e n e t r a t e d l a s e rw e l d i n gw e r ec a r r i e do u tt o o f i n a l l y ，t h eo r t h o g o n a le x p e r i m e n t so fz e r o c l e a r a n c ea n dt e s t so fv a r i a b l e c l e a r a n c eo ft h r e el a y e rb o a r do fl a s e rw e l d i n gw e r ec a r r i e do u t t h r o u g ha n a l y z et h e q u a l i t yo f w e l ds u r f a c ea n d w e l ds e c t i o ns u r f a c e ，m e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa n d 薄钢板激光搭接焊熔深试验研究 m i c r o s t r u c t u r ea n a l y s i s ，t h ei n f l u e n c eo fw e l d i n gp r o c e s sp a r a m e t e r sa n dc l e a r a n c e o nw e l d i n gq u a l i t yo ft h r e el a y e rb o a r dw e l d i n gw a so b t a i n e d k e yw o r d s ：w e l dd e p t h ，p a r t i a lp e n e t r a t e d ，l a s e ro v e r l a p - w e l d i n g ，c o n t i n u o u s l a s e r ，p u l s e dm o d u l a t i o n ，p a r a m e t e r s p e r f o r m a n c e 硕f ：学位论文 目录 学位论文原创性声明和学位论文版权使用授权书i 摘要i i a b s t r a c t i i i 目录v 插图索引一v i i i 附表索引x 第l 章绪论1 1 1 选题的背景及意义1 1 2 激光焊接技术概述3 1 2 1 两种模式的激光焊接3 1 2 2 激光焊接的特点5 1 3 基于s y s w e l d 的仿真应用现状7 1 4 非熔透激光焊接薄钢板的研究现状8 1 5 三层板激光搭接焊及镀锌板激光焊接的研究现状9 1 6 本文的主要研究内容1 1 第2 章s y s w e l d 非熔透激光搭接焊薄钢板仿真研究1 3 2 1s y s w e l d 激光焊接仿真方法概述1 3 2 1 1s y s w e l d 简介14 2 2 激光焊接有限元分析模型一1 5 2 2 1 有限元模型的建立15 2 2 2 网格的划分16 2 2 3 组的创建一17 2 3 激光焊接热源模型的分析1 7 2 a 热源校核、9 2 5 计算结果及分析一2 l 2 5 1 温度场分析2 2 2 5 1 1 激光功率对温度场的影响一2 2 2 5 1 2 焊接速度对温度场的影响2 4 2 5 2 应力场分析2 5 2 6 本章小结2 7 第3 章试验条件及试验方案2 8 3 1 非熔透激光焊接薄钢板试验方法及工艺2 8 v 薄钢板激光搭接焊熔深试验研究 3 1 1 非熔透激光焊接薄钢板的试验设备及方案一2 8 3 1 1 1 非熔透连续激光焊接试验设备2 9 3 1 1 2 非熔透脉冲激光焊接试验设备2 9 3 1 1 3 非熔透激光焊接薄钢板的实验材料及步骤3 l 3 1 2 非熔透激光焊接薄钢板的试验参数一3 2 3 2 三层板激光焊接试验方法及工艺3 3 3 2 1 三层板激光焊接的试验材料及方案3 3 3 2 2 三层板激光焊接的试验参数一3 4 3 3 本章小结3 5 第4 章试验结果及分析3 6 4 1 非熔透连续激光焊接薄钢板的试验结果及分析3 6 4 1 1 连续激光焊接工艺参数的影响3 6 4 1 1 1 激光功率的影响3 6 4 1 1 2 其他工艺参数的影响一3 7 4 1 2 非熔透连续激光焊接接头力学性能的检测3 7 4 1 2 1 焊接接头拉伸性能3 7 4 1 2 2 焊接接头显微硬度3 8 4 1 2 3 焊缝金相组织特点及分析3 9 4 2 非熔透脉冲激光焊接试验结果及分析一4 0 4 2 1 脉冲激光焊接工艺参数的影响4 0 4 2 1 1 脉冲频率的影响4 0 4 2 1 2 占空比的影响4 2 4 2 2 非熔透脉冲激光焊接接头力学性能的检测4 2 4 2 2 1 焊接接头拉伸性能4 2 4 2 2 2 焊缝金相组织特点及分析一4 4 4 3 三层板激光焊接的试验结果及分析4 5 4 3 1 焊接参数对三层板焊接质量的影响4 5 4 3 2 上下问隙对焊接接头焊缝横截面形状的影响一4 6 4 3 3 上下间隙对焊接接头焊缝表面形貌的影响4 8 4 3 4 三层板焊接接头力学性能的检测5 0 4 3 4 1 焊接接头拉剪性能一5 0 4 3 4 2 焊缝金相组织特点及分析5 l 4 4 本章小结5 2 总结与展望5 4 参考文献5 6 v l 硕l ：学位论文 致谢6 0 附录a ( 攻读学位期间所发表的学术论文及专利目录) 6 1 v u 薄钢板激光搭接焊熔深试验研究 插图索引 图1 1 激光加工应用比例1 图1 2 传导焊和深熔焊示意图4 图1 3 激光焊接中的小孔效应4 图1 4 激光焊接几种联接方式6 图1 5 非熔透激光接焊示意图9 图2 1s y s w e l d 扩散与析出模型14 图2 2s y s w e l d 数值模拟应用1 5 图2 3 搭接试件尺寸及模型网格划分图一l6 图2 43 d 锥形高斯热源及轨迹一1 8 图2 5 熔池形状图2 0 图2 6 锥形热源参数输入图一2 0 图2 7p = 6 0 0 w 时的熔池形状图2 1 图2 8 熔池形状图2 l 图2 9p = 8 0 0 w 时的熔池形状图2 1 图2 1 0 熔池温度云图及熔池剖视图2 2 图2 1 lp = 8 0 0 w 时的熔池形状图2 3 图2 1 2t = 1 8 s 时熔池温度云图2 3 图2 1 3t = 2 7 s 时熔池剖视图2 3 图2 1 4t = 2 7 s 时熔池剖视图一2 3 图2 1 5 熔池温度云图( v = 1 0 m m s ，t = 2 7 s ) 2 4 图2 1 6 熔池温度云图( v = 1 2 m m s ，t = 2 2 5 s ) 一2 4 图2 17 熔池温度云图( v = l5 m m s ，t = 1 8s ) 一2 5 图2 18 三坐标方向的变形云图一2 6 图2 1 9t = 1 0 s 时平均应力云图2 6 图2 2 0t = 4 0 0 s 时屈服应力云图2 6 图2 2 1t = 3 s 时等效塑性应变云图2 7 图3 1 光纤激光器2 9 图3 2 机器人一2 9 图3 3 试验装置2 9 图3 4d c 0 2 5 型板条式c 0 2 激光器工作原理图3 0 图3 5 试验原理图3 0 图3 6s e s a m o 型三维激光切割焊接机床3 0 v i i l 硕l j 学位论文 图3 7 三层板激光焊接原理示意图3 4 图3 8 焊缝表面形貌3 5 图4 1 体式显微镜中观察的焊缝形貌3 6 图4 2 焊接接头的横截面形貌3 7 图4 31 o m m 薄板剪切拉伸载荷与激光功率的关系3 8 图4 41 2 m m 薄板剪切拉伸载荷与激光功率的关系3 8 图4 5 接头不同区域的显微硬度3 9 图4 6 接头不同区域的显微硬度3 9 图4 7s u s 3 0 4 激光焊接接头金相组织3 9 图4 8s p c c 激光焊接接头金相组织一4 0 图4 9 脉冲频率变化的焊缝形貌4 l 图4 1 0 脉冲频率对焊缝表面成形的影响一4 1 图4 1 1 激光脉冲频率对熔深的影响4 l 图4 1 2 占空比对焊缝表面成形的影响4 2 图4 1 3 标准拉伸试样4 3 图4 14 拉剪断裂图4 3 图4 1 5 剪切拉伸载荷与激光功率的关系4 3 图4 1 61 2 m m s p c c 碳钢板熔池显微图4 4 图4 1 71 2 m m s p c c 碳钢板金相显微组织4 5 图4 18 焊接速度对焊缝形貌的影响4 6 图4 19 不同板间问隙下的焊接接头截面形状4 7 图4 2 0 不同板间间隙下的焊接接头截面形状4 7 图4 2 l 焊缝形貌图( 6 l _ 0 1 m m ，6 2 = 0 1 m m ) 一4 8 图4 2 2 焊缝形貌图( 81 = o m m ，8 2 = o m m ) 4 8 图4 2 3 焊缝形貌图 ( 8 1 = 0 2 m m ，6 2 = 0 2 m m ) 一4 9 图4 2 4 焊缝形貌图( 6 l = 0 2 m m ，8 2 = 0 1 m m ) 4 9 图4 2 5 焊缝形貌图 ( 6 l = 0 1 m m ，8 2 = 0 2 m m ) 5 0 图4 2 6 拉剪试验示意图5 0 图4 2 7 上间隙对抗拉剪强度的影响5 l 图4 2 8 上下板焊缝连接处金相显微图一5 1 图4 2 9 中间板熔池会相显微图5 2 薄钢板激光 ；接焊熔深试验研究 附表索引 表1 1其他焊接方法与激光焊接的比较6 表2 1s u s 3 0 4 奥氏体不锈钢主要成分1 7 表2 2 1 2 m m + 1 2 m ms u s 3 0 4 不锈钢板激光焊接工艺参数1 9 表2 3锥形热源输入参数2 0 表3 1光纤激光器与c 0 2 激光器性能比较2 8 表3 2y l r 4 0 0 0 c w a 激光器主要技术参数2 9 表3 3i r b 2 4 0 0 1 6 六轴机器人参数3 0 表3 4r o f i nd c 0 2 5 激光器主要技术参数3 1 表3 5三维五轴激光切割焊接机床主要技术参数3 1 表3 6 1 0 m m + 1 0 m ms u s 3 0 4 不锈钢板和s p c c 冷轧碳钢板光纤激光焊接工 艺参数3 2 表3 7 1 2 m m + 1 2 m ms u s 3 0 4 不锈钢板和s p c c 冷轧碳钢板光纤激光焊接工 艺参数3 2 表3 8s u s 3 0 4 不锈钢板和s p c c 冷轧碳钢板c 0 2 脉冲激光焊接工艺参数3 3 表3 9s p c c 碳钢板的化学成分及力学性能3 4 表3 1 0 1 0 m m + 2 0 m m + 1 0 m m 正交试验参数一3 4 表3 1 11 2 m m + 2 0 m m + 1 2 m m 正交试验参数一3 4 表3 1 2间隙影响试验参数表3 5 x 硕i ：学位论义 1 1 选题的背景及意义 第1 章绪论 作为2 l 世纪科学技术发展的主要标志，激光技术和激光产业的发展受到了 世界各国的高度重视。从l9 6 0 年6 月t h 梅曼等人研制出的全球第一台红宝石 激光器至今短短几十年旱，激光加工技术取得了飞速的发展。不同种类的激光器 如固体激光器、气体激光器、液体激光器、半导体激光器及自由电子激光器等相 继出现，且激光器的功率也在不断提高。 激光加工主要是对各种材料进行切割、焊接、打孔、打标和热处理等，是激 光应用中最大的项目，也是对传统加工改造的重要手段。在西方国家，激光加工 应用领域应用最多加工类别是激光切割，但目前激光技工应用中增长最快的加工 类别却是激光焊接j 。发达国家中，激光焊接涉及多个工业领域，特别是在汽车 制造业中，激光焊接得到了最为广泛的应用，技术也日趋成熟 2 - 4 j 。 在激光加工领域中，激光切割和激光打标各占到2 4 ，激光焊接约占1 4 ， 见图1 1 。而y a g 激光器的应用则是以焊接、标记和切割为主。在欧美国家， c 0 2 激光器的使用约占激光器市场7 0 到8 0 ，我国激光加工则以激光切割和 热处理为主，其中约9 8 使用的是c 0 2 激光器，功率在1 5 k w 一2 k w 范围内， 而以热处理为主的激光加工，主要是应用于激光热处理汽车发动机的汽缸套1 5 】。 拊l 其它 臌03 9 珊0 打标 1 4 9 6 2 4 图1 1 激光加工应用比例 在汽车制造领域，激光加工技术以其精益、敏捷的加工优势，在汽车白车身 试制和批量生产中得以大量使用，不仅节省了大量的样板及工装设备，还大大缩 短了生产准备周期。据统计，采用激光加工技术制造汽车白车身，可节省约6 5 的样车车身开发模具和7 0 的夹具，使整车生产周期缩短约5 0 ，车身重量减 少约2 0 ，使车身轻量化水平，制造精度和白车身总体强度、刚度等得到显著 提高。 薄钢板激光搭接焊熔深试验研究 激光焊接是激光加工材料加工技术应用的重要方面之，在许多领域得到了 广泛的应用和发展。早在1 9 6 2 年就已经有了激光用于焊接的报道。2 0 世纪7 0 年代以前，激光焊接的应用主要是利用红宝石脉冲激光器来进行脉冲激光焊接， 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，即激光辐射加热工 件表面，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 值功率和重复频率等参数，使工件熔化，形成特定的熔池。而随着千瓦级连续 c 0 2 激光器在焊接试验中的成功应用，日本、德国、英国、美国和前苏联等国的 研究组相继报导了高功率c 0 2 激光焊接技术的发展及优化，激光焊接的研究与 应用发生了变化。19 8 3 年，德国汽车制造商奥迪需要将足够大的金属板材冲压 汽车底盘，而当时德国钢厂没有合适尺寸的钢板，t h y s s e ns t e e l 公司采用r o f i n 的1 5 k w 的c 0 2 激光器将两块现有的钢板焊接在一起，以满足冲压所需要的尺 寸，因此诞生了激光拼焊。19 8 4 年丰田公司在凯美瑞车上推出了激光焊接五片 式车轮挡圈，选择不同的金属厚度进行焊接，以减少重量，从而节省更多的燃油。 国内早在2 0 世纪7 0 年代初也开始了激光焊接加工技术方面的研究，而早期的研 究热点主要集中在激光拼焊方面。南京汽车厂从意大利引进依维柯的变速箱时， 指定必须采用激光焊接；宝钢从1 9 9 1 年开始就对激光拼焊技工技术进行跟踪研 究。2 0 0 4 年底宝钢与欧洲阿赛洛( a r c e l o r ) 公司联合投资成立了合资公司( 上 海宝钢阿赛洛激光拼焊板有限公司) 专门大规模生产激光拼焊板，以满足国内汽 车厂对激光拼焊板的需求1 7j 。 经过几十年的发展，激光焊接技术经历了由脉冲波形到连续波形；由小功率 薄板焊接向大功率厚件焊接；由单工作台单工件加工向多工作台多工件同时焊 接；由简单焊缝形状向可控制的复杂焊缝形状的发展，焊接的材料也由从铁合金 向有色金属如镁、铝、钛合金发展。在汽车内饰件和医疗行业中，有很多塑料和 聚合物都能够实现激光焊接。实际上，几乎所有的热塑性塑料和热塑性弹性体都 可以使用激光焊接技术。而随着高功率的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，使激光焊接技术在机械制造、航空航天、汽 车工业、生物医学、粉末冶金、生物医学微电子行业等领域的应用越来越广。 目前，国内外激光焊接的主要研究方向是针对c 0 2 激光焊接和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的分光、吸收、散射特性、 温度场的分布及激光焊接智能化适时化在线控制、复合激光焊接、激光焊接现象 及焊接小孔行为、焊接缺陷发生的机理与防止方法、异种材料的激光焊接等，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一定的研究。 激光焊接领域的另一个重要研究内容是如何保证激光焊接的焊接质量，也就 是进行激光焊接过程监测与质量控制，包括利用电感、电容、声波、光电等各种 2 硕l ：学位论文 传感器采集信号并通过计算机进行处理，针对不同焊接对象及焊接要求，实现诸 如焊缝跟踪、质量监测、缺陷检测等项目，通过反馈系统控制调节焊接工艺参数， 从而实现自动化激光焊接。 在激光焊接领域，某些特殊服役情况要求实现非熔透焊接，以得到良好的密 封性、一定强度和表面质量。如不锈钢铁道客车车体、电梯，表面不需要涂装， 采用电阻点焊容易影响表面质量，且密闭性差，而非熔透激光焊接单面成型就能 弥补点焊的这些缺点。在集装箱生产及钢制家具橱柜等领域，非熔透激光焊接同 样能得到应用。对于非熔透激光焊接试件，焊缝的外观形貌是判断焊接质量的重 要因素，即非熔透表面不能出现熔渣，要求严格的甚至不能出现表面变色。目前 国内外对于非熔透焊接的工艺及性能研究很少。 另外，在汽车、航空航天、造船等领域中，多层板及厚板的焊接一般采用多 丝埋弧焊、熔化极气体保护焊等传统焊接方法，随着焊接厚度及材料层数的增加， 使得实际生产中增加了准备工序、焊接央具和焊接加工时间，从而造成了生产效 率的下降和焊接成本的增高。同时，由于输入的线能量的积累，使得焊接热影响 区变大，焊后材料变形增大，焊接接头力学性能下降。大功率激光焊接多层板、 厚板的研究发展很好的弥补了这些缺陷。 1 2 激光焊接技术概述 1 2 1 两种模式的激光焊接 激光焊接是将高强度的激光束辐射至材料表面，通过激光与材料的相互作 用，材料吸收激光能力转化为热能使材料熔化后冷却结晶形成焊接，激光焊接有 两种基本方式：热导焊( 也称传导焊，h e a tc o n d u c t i o nw e l d i n g ) 和深熔焊( d e e p p e n e t r a t i o nw e l d i n g ) 。这两种焊接模式的能量耦合机制、焊缝成形机理及焊接效 果完全不同。 ( 1 ) 热传导焊接 当激光功率密度较低时( 功率密度i 1 0 4 w c m 2 ) ，激光照射在材料表面，除 部分激光被材料反射外，剩下的激光被材料吸收，激光能量使得材料温度由表及 里逐渐升高，但金属材料维持固相不变，随着激光功率密度的提高( 功率密度i 提高到1 0 5 w c m 2 1 0 6 w c m 2 ) ，材料表面开始熔化，局部区域产生轻微汽化，材 料对激光的吸收系数也有一定幅度提高，材料表层的热能以热传导的方式继续向 材料深处传递，最后将两焊件熔接在一起。 ( 2 ) 激光深熔焊 当激光功率密度i 达到10 6 w c m 2 5 10 7 w c m 2 ，激光束照射到材料表面时， 材料吸收光能转化为热能，材料被加热熔化至汽化，汽化物微弱电离形成等离子 薄钢板激光搭接焊熔深试验研究 体，同时巨大的金属蒸汽膨胀压力使材料中熔化的液态表面向下凹陷，形成凹坑， 激光束直接射至凹坑底部，使凹坑底部材料产生新的蒸发，从而进一步加大了凹 坑深度，直至最后形成“匙孔( k e y h o l e ) ，又称为“小孔”，进入小孔的激光能 量几乎被全部吸收，在小孔的侧壁和底部产生剧烈的蒸发。随着激光的继续照射， 小孔穿入更深，当激光停止照射后，小孔周边的熔液回流，冷却凝固后将两焊件 焊接在一起。 _ ：词豳1 4 图1 2 传导焊和深熔焊示意图 图i 3 激光焊接中的小孔效应 这两种焊接机理需要根据焊接材料的性质和焊接需要来选择，他们最基本的 区别在于：热传导焊的熔池表面保持封闭，而深熔焊的熔池则被激光束穿透成小 孔。传导焊对材料的扰动较小，因为激光束的辐射没有穿透被焊材料，所以，在 传导焊过程中不易产生气孔，而深熔焊时，小孔的不断关闭可能导致气孔。传导 焊和深熔焊两种焊接机理也可以在同一焊接过程中相互转换，改变焊接过程中施 加于工件的峰值激光能量密度及激光脉冲持续时间，可以实现焊接方式由传导方 式向小孔方式的转变。图1 2 反映了传导焊和深熔焊的不同焊接机理。 激光深熔焊接的本质特征是存在着小孔效应【8 】，如图1 3 。焊接d , - t l 的形成 只有数毫秒的时间。小孑l 内的金属蒸汽在高功率密度的激光能量作用下电离，从 而在小孔内部及顶部形成一定浓度的等离子体。小孔效应和光致等离子体的形成 改变了激光深熔焊过程中激光与材料相互作用的机理，激光束可以深入材料内 部，材料对激光束的吸收率显著提高。小孔和光致等离子体的产生使得激光与材 料的相互作用过程变得十分复杂。有文献研究表明【9 l ，激光深熔焊接中金属材料 对激光能量的吸收过程主要由两种方式来完成：菲涅尔( f r e s n e l ) 吸收和反韧致 辐射吸收。菲涅尔吸收是通过小孔的孔壁多次反射激光光束来完成激光能量的吸 收；而反韧致辐射吸收是金属蒸汽电离后的等离子体吸收激光能量，以辐射的方 式再将激光能量传递给小孔孔壁，从而完成吸收。 激光深熔焊接的焊接过程复杂，影响因素多，研究内容广。其主要研究内容 4 硕 ：学位论文 包括材料对激光能量的吸收、材料的固态加热及相变( 熔化、汽化) 、小孔效应和 等离子体的形成及其在激光能量耦合和传输过程中的作用、小孔的稳定性、焊接 材料热物理参数的变化、小孔内材料蒸汽和熔池内液态材料的流动特性、熔池表 面的变形以及各种焊接工艺参数对焊接质量的影响等等。因此，对激光深熔焊接 的研究广泛地涉及了到光学、物理学、流体力学、传热学、气体动力学、材料科 学、数学等众多学科和领域，给系统的研究带来了很大的困难。 1 2 2 激光焊接的特点 激光焊接可以实现多种形式的工件连接方式，如图1 4 所示。与其它传统焊 接技术相比，激光焊接的主要优点是： 1 、高效、精密焊接 与传统焊接装备相比，激光焊接速度快、柔性高、可靠性强、变形小。激光 束易实现光束按时问与空间分光，能进行多光束同时加工及多工位加工，为更精 密的焊接提供了条件。 2 、焊缝高致密性 激光深熔焊接的小孔有利于焊接熔池的流动及蒸汽的逸出，可实现无气孔熔 透焊接；而非常高的焊后冷却速度使焊缝组织得以细化。因此，激光焊缝组织均 匀，晶粒小，气孔、裂纹、夹杂等缺陷少，在机械性能、抗蚀性能和电磁学性能 上优于常规焊接方法。 3 、能在特殊服役环境下进行焊接 激光光束通过电磁场不会产生偏移，在真空、大气及某些气体环境中均能施 焊，且能通过玻璃或对光束透明的材料进行焊接。此外，激光还可进行非接触远 程焊接，具有很大的灵活性。 4