（机械工程专业论文）哈氏合金薄壁管激光焊接技术的开发及应用研究.pdf

摘要 哈氏合金有耐腐蚀性好 耐高温高压等优点 在国外已经广泛应用于石油 化工 环保 航空航天和核工业等诸多领域 而国内对于哈氏合金的研究是在近 几年才开始被关注的 由于该系列合金具有较高的强度和韧性 因此在焊接过程 中容易出现诸如热裂纹 气孔 晶间腐蚀等缺陷 为了克服这种缺陷 就要采用 合理的焊接工艺 以保证工件质量 本文中我们采用激光机器人焊接系统对 o 8 m m 的哈氏c 2 7 6 合金薄壁管做了大量试验及结果分析来为哈氏合金的应用 提供一定的技术支撑 本文主要研究内容如下 l 了解激光焊接过程中宏观和微观原理 掌握激光焊接过程中激光束与材 料之间相互作用原理及各工艺参数对焊接接头质量影响 设计出焊接过程中所需 的激光功率密度 脉冲波形 脉宽 焊接速度及激光功率 离焦量等工艺参数范 围 2 分析哈氏c 2 7 6 合金的材料成分 充分了解其性能及在焊接过程中可能 会遇到的各种问题 以便在焊接过程中对可能出现的缺陷找出相应的避免措施 3 设计激光机器人焊接系统及所需的激光焊头后 根据焊接过程中的影响 因素以及各影响因素的水平采用正交试验设计的方法设计出正交表 找出焊接过 程的各组合水平并按照此组合水平对试样进行焊接试验 4 通过观察焊后焊缝接头的外观形貌 验证材料采用激光机器人焊接系统 焊接的可行性 对焊缝形貌较好的试样进行拉伸试验及金相组织分析 然后对焊 接过程的影响因素加以优化 找到最合理的焊接方案 5 掌握激光机器人焊接系统的软件控制部分 并在机器人系统中完成对各 形状相贯线的的路径规划及离线编程仿真 关键词 哈氏c 2 7 6 合金 激光机器人焊接系统 正交试验设计 拉伸试验 金相组织 路径规划 离线编程仿真 a b s t r a c t h a s t e l l o yi so 眦k i n do fa l l o y sw h i c h1 1 a sm a n ya d v a n t a g e s s u c ha sb e t t e r c o n o s i o nr e s i s t a n c e r e s i s t a n c et oh i g ht e m p e r a t u r e 锄dh i g hp r e s s u r e e t c t h e y1 1 a v e b e e n u s e dw i d e l yi n f o r e i g nc o u n t r i c s i i l p e t r o k u 鹏 c h e m i c a l e n v i r o n m e n t a l p r o t e c t i o n a e r o s p a c e t h e 眦c l e a r 砌u s t r a n dm a n yo t h e r6 e i d s b u tt h ed i s c u s s i o n a b o u tt h i sa l l o yb e g a nt 0e m e r g em o s tr e c e n t l y af e wy e a r sm t e r i o r l y b e c a u s eo f h i 曲s t r e n 舒ha n dt o u g l l n e s so f t h i ss e r i e so fa l l o y s t h ed e 侥c t ss u c ha st h e r n 舱lc r a c k s p o r o s i t y i n t e r g r a n u l a r c o r r o s b nw i uo c c u r mt h ew e l d i n gp r o c e s s i no r d e rt o o v e r c o m et h e s ed e f e c t s es h o u l da d o p tr e a s o n a b l ew e l d m gt e c l m o l o g yt oe n s u r ea g o o dw e l d i n gq u a l i t y i nt 1 1 i sp a p e r ar o b o tl a s e r e l d i n gs y s t e mw i l lb eu s d ew e r e s e a r c ho nh a s t e l l o yc 2 7 6a i l o yt h i l l w a l l e dt u b ew h i c hj u s tl l a s0 8r n 吐u r o b o t l a s e rw e l d i n g s y s t e mt o p e r l b r ma 铲e a td e a l o fe x p e r h e n t 粕dt h r o u g ht h e e x p e r i m e n t a l 锄a l y s i s p r 0 v i d i n gc e n a i nt e c h n i c a ls u p p o r t t 0m ea p p l i c a t i o no f h a s t e l l o ya l l 0y t h i sp a p e rm a i l l l ys t u d i e st h e 佑i l o wc o n t e n t s 1 u n d e r s t a n dt h em a c r o 锄dm i c r op r i l l l c i p l eo ft h el a s e r e l d 访gp r o c e s s 1 a s t e r t h ei r i t e r a c t i o np r i n c i p l eb e t w e e nl a s e rb e a ma n dm a t e r h li 1 1t h el a s e r v e l d i n gp r o c e s s 锄dt h ei n f l u e n c eo fw e l d i f l gp a r a m e t e r sd u r i n gw e l d i n gp r o c e s so nt h eq u a l i t yo f w e l d i n gj o m t d e s i g nt h ep r o c e s sp a r a m e t e r sr a m g eo ft h el a s e rp o e rd e n s i t y p u l s e w a v e f o r m p u l s ew i d t h w e l d i l l gs p e e da n d l a s e rp o w e r d e f o c u sd 砬a n c e e t c 2 n a l y z et h em a t e r i a lc o m p o n e n t so fh a s t e l l o yc 2 7 6a l l o y 血l l yu n d e r s t 锄d t h e i rp e r 南r m a n c emo r d e rt of m do u tt h ec o r r e s p o n d i n gm e a s u r e st oa v o i da l lk i l l d so f t h ep o t e n t i a ld e f e c t sd u r 访gt h e e l d i n gp r o c e s s 3 d e s i g nt h er o b o tl a s e rw e l d i l l gs y s t e ma n dt h el a s e rw e l d i n gh e a d 旬rt h i s s y s t e m o r t h 0 9 0 m l t e s td e s i g nm e t h o dw i l l b eu s e dt od e s 适nt h eo r t h 0 9 0 眦lt a b l e w h i c ha c c o r d m gt 0t h ei n f l u e n c ef a c t o r si i lt h ew e l d i i l gp r o c e s sa n dt h el e v e lo fe a c h i n f l u e n c ef a c t o r f i l l do u te a c hc o m b i n a t i o ni e v e lo ft h ew e l d i n gp r o c e s sa n di n a c c o r d a n c ew i t ht h i sc o m b i i l a t i o nl e v e id om ew e l d i n gt c s t 4 b yo b s e r v i n gt h es u r f a c et o p o g r a p h yo ft h e e l d i n gs e a mj o 硫 t h u sv e r i 匆t h e 佗a s i b i l i t yo ft h e e l d i f l gm e t h o dt h a tu s er o b o tl a s e rw e l d i n gs y s t e mt ow e l dt h i s m a t e r i a l t h e nd ot h et e n s i l et e s t 锄dm e t a l l o g r 印h i co 喀a n i z a t i o na n a l y s i sa b o u tt h e s p e c i m e nw h i c h 量l a sb e t t e rw e l dm o 叩h o l o g y a n df m a l l yo p t i l l l i z e t h ei i l n u e n c e f a c t o r si nt h e e l d i n gp r o c e s st 06 n dt h em o s tr e 嬲o m b l ew e l d i l l gp l a n 5 t h es o f t v a r ec o n t r o ls e c t b no ft h er o b o tl a s e rw e i d 访gs y s t e ms h o u l db e m a s t e r e d a n dt h ep a t hp l a n n i l l ga n do 昏i i n ep r o g r a m m m gs i n l u l a t i o no fd i f 诧r e n t s h a p e s n e r s e c t i o ni m e mt h cr o b o ts y s t e mw i l lb ec o m p l e t e d k e yw o r d s h a s t e l l o yc 2 7 6a l l 0y r o b o tk e r e l i i n gs y s t e 毗o n h o g o 衄l t e s td e s i g n t e n s i l et e s t m e t a l l o g r a p h i co 唱a n i z a t i o na n a i y s i s p a t hp l a n n m g o f 二l i n e p r o 伊a m m 访gs i m u l a t i o n 学位论文的主要创新点 一 基于哈氏c 一2 7 6 合金的可焊性分析得到的焊接过程中可能出现的 缺陷和激光机器人焊接系统的优点 提出了采用激光机器人焊接系统 对哈氏c 一2 7 6 进行焊接的观点并进行试验 为哈氏合金的应用提供了 一定的理论基础 二 鉴于单因素法在试验过程中不能考虑到各个焊接影响因素具有交 互作用的情况 本文采用正交试验设计方法来安排试验 不仅减少了 试验次数 且使试验结果更为准确 三 针对现有的激光机器人焊接系统设计了激光焊头 并在仿真软件 中使其成功的与机器人末端执行器相配合 进行了焊接过程的仿真及 优化 第一章绪论 1 1 课题研究背景及意义 第一章绪论弟一早珀t 匕 作为镍基合金的一种 哈氏合金有耐腐蚀性好 耐高温高压等优点 具有较 高的强度和韧性 在国外已经广泛应用与石油 化工 环保 航空航天和核工业 等诸多领域 且主要用于铁基c r n i 或c 曲 i m o 不锈钢 非金属材料等无法使 用的强腐蚀性介质场合 虽然哈氏合金本身属于镍基合金 但它们又不同于一般 的纯镍 n i 2 0 0 和m o n e l 它以铬钼作为主要的合金元素 旨在提高对各种介 质和温度的适应能力 并针对不同行业应用进行了专门的优化 就化工行业来说 目前发展迅速且在实际生产过程中普遍追求高产能 不断 的完善和改进工艺 用提高温度和压力等催化条件的方法来加快反应速度 这样 就容易造成生产过程中难以预料的情况 造成器械的非计划内检修 h a s t e l l o y a l l o y 哈氏合金 正是为了满足这样的一种需求 适应于各种无法预计的恶劣环 境 将非计划检修降到最低 而且 该合金还具有良好的加工焊接性能 便于现 场维修 1 1 众所周知 如果一种合金材料不具备优良的焊接性 那么它即使性能再好 也很难在实际应用中发挥作用 在实际应用中 哈氏合金多是以薄壁衬套管得方 式存在 其焊接以及焊缝区域的性能问题就成为影响产品工作寿命的关键因素 因此 能否解决其焊接问题 就成了哈氏合金在实际应用过程中的关键问题之一 哈氏合金的焊接经验和相关资料在国内外不多 这就要求我们通过大量的试验来 改进其在焊接过程中所遇到的问题并进行改进 可见 通过对哈氏合金进行焊接 技术的开发与应用研究 将有助于推进哈氏合金的发展和工业应用进程 具有重 要的理论意义和广阔的实用前景 用传统的手工焊接时 焊接过程中存在很多的不确定性 容易造成如热影响 区大 变形大 易被氧化 焊穿等缺点 造成焊缝区域抗腐蚀性能与表面耐磨性 能的下降 从而严重影响了哈氏合金整体工件的使用寿命 2 这就要求许多焊接 工作必须由熟练的工作人员来操作才能达到要求 并且实际操作过程中的效率也 不高 激光具有高亮度 高方向性 高单色性和高相干性等优异特性 当激光功率 密度高于1 0 6 c 历2 时 焊接传热过程从热导焊变成了深熔焊 由于激光光斑直 径小 功率密度高 可以实现高速度焊接 焊接和热影响区都要比传统焊接方法 天津工业大学硕士学位论文 小 焊缝深宽比大 因此激光焊形成的焊缝具有良好的力学性能 激光焊接的显 著优点是高功率密度 大熔深 高速度 窄焊道以及较小的热影响区 基于哈氏合金焊接过程中出现的缺陷及激光焊接的优点 本文使用激光机器 人焊接系统来焊接哈氏c 2 7 6 合金 可实现单面焊双面成型 来获得良好的焊缝 通过试验为哈氏合金的焊接提供技术支撑 1 2 哈氏合金简介 哈氏合金源于h a s t e l l o y 是美国哈氏合金国际公司 h a y n c si n t e m a t i o n a l 的产品 该公司的前身h a y n e ss t e l l i t ew r o r k 哈茨钴铬钨工厂 于1 9 2 1 年创立 于美国印第安纳州k o k o m o 距今已有9 1 年历史 在9 0 余年经历的生产和研究 中不断创新发明 从而在高合金领域稳居世界首位 哈氏合金的发展过程如下 l 哈氏合金始于哈氏b 合金 主要应用于航空器的火箭喷嘴 且仅局限于 此 而紧随其后又开发出的哈氏c 合金则用途大增 发挥了迅速而广泛的应用 除了在各种化工工业扮演着主要角色外 还在制药行业和核能源工业发挥了一定 的作用 接着 该公司继续成功开发出的哈氏x 合金 具有极好的耐高温性能 这种合金在当时各种工业都急速增长的年代 毋庸置疑的成为各商家的首选 2 1 9 6 0 年一1 9 7 0 年间 哈氏合金在耐腐蚀性能方面发生了突破性的进展 由于早期的哈氏合金b 哈氏合金c 以及哈氏合金x 合金在焊接后都需要进行 固溶处理 否则焊接热影响区的抗腐蚀性能与表面耐磨性能就会大大降低 而焊 接又是绝大多数设备生产中所必须的加工过程 所以上述合金已经逐渐被改进或 不再使用 3 影响上述材料焊接性能的关键原因在于c s i 含量 由于氩氧脱碳重熔 精炼工艺的出现与提高 使得哈氏合金能够达到极低的c s i 含量 这就保证了 焊缝及周边热影响区域仍然具有和基体材料一样的抗腐蚀性能 哈氏c 2 7 6 合金 就是在这个时候被发明出来的 使得哈氏合金在焊接方面的问题得以改善 4 2 0 世纪8 0 年代 在哈氏b 合金的基础上进行改进发明了耐还原性介质 腐蚀的哈氏b 2 合金 虽然有着优异的抗腐蚀性能 但是它的加工性能却不甚理 想 在焊接过程中容易析出n i m o 沉淀相导致硬化 2 0 世纪9 0 年代 哈氏b 3 的发明则克服了这个缺点 极大的改善了热加工与冷加工性能 5 应用于还原性环境下的材料哈氏b 系列合金改进的同一时期 在氧化还 原复合环境中的哈氏c 系列合金也在持续改进 其中哈氏c 2 7 6 合金由于更低的 c s i 含量而一定程度上改进了焊接区域的性能问题 但是仍旧不太理想 加工 2 第一章绪论 性能没有得到完好的改善 随后 焊接区域即焊缝处耐腐蚀性能较好的哈氏c 2 2 合金问世 它在大多数情况下都达到了更好的耐腐蚀性能 而新近开发的哈氏 c 2 0 0 0 材料在合金中加入了c u 拓展了哈氏c 合金在还原性环境中的腐蚀能力 尤其是在硫酸和氢氟酸的环境下 6 在抗氧化腐蚀环境方面 哈氏g 3 g 3 0 合金也相继出现 它们在强氧 化性和混合酸的环境下性能优异 高温合金方面 哈氏2 3 0 合金也应运而生 它 优异的高温强度和抗氧化性能不仅使得航空航天工业得到进步 也推动了化学工 业的进步 在本论文中所涉及的材料为哈氏c 2 7 6 合金 其材料成分及性能会在后续章 节中阐述 由于其焊接过程中对各焊接要素要求较高且难以控制 结合现有条件 提出了用激光机器人焊接系统来完成哈氏c 2 7 6 合金的焊接 1 3 激光焊接工艺的特点与发展现状 自上世纪7 0 年代以来 随着大功率激光器在工业上开始应用并逐渐发挥作 用 激光加工技术得到了迅速而广泛的应用 被誉为 未来制造系统的共同加工 手段 和 万能的加工工具 已成为继原子能和计算机之后又一项的重大高新 技术 目前 激光技术已被广泛应用于电子工业 农业 服装行业 医学 军工 科学研究等各个领域 在众多的应用领域中 激光加工技术和设备以每年2 5 3 0 的速度递增 是各种加工技术中使用率增长速度最快的 最有竞争力的加工手段 3 上面已经介绍过激光的优异特性 高亮度 高方向性 高单色性和高相干性 而这些优异特性又是普通光源所望尘莫及的 因此就使激光加工具备一些其它加 工方法所不具备的优异特点 具体表现如下 l 由于它是无接触加工 并且高能量的激光束具有能量和移动速度都可以 调节的特点 因此可以实现多种加工 2 激光功率密度大 工件吸光后表面能迅速升温而熔化或汽化 因此它不 仅可以对多种金属加工 还能对多种非金属进行加工 特别是可以加工如课题所 涉及的材料哈氏c 2 7 6 合金等高硬度的材料 如陶瓷 金刚石等高脆性的材料及 高熔点的材料 3 加工过程中激光头与工件不接触 无加工工具磨损 切削力作用于工件 这一特点 4 激光束的能量密度高 且加工过程中速度快 并且光斑较小 属于局部 加工 对激光束没有照射的部位无影响或影响极小 因此 其热影响区小 这一 天津工业大学硕士学位论文 优点克服了哈氏c 2 7 6 合金焊接过程中热影响区较大这一缺陷 除此之外 还有 工件热变形小和后续加工量小的优点 5 它可以加工运动着的工件 也可以通过玻璃壳等透明介质对密闭容器内 的工件进行各种加工 使得工件不受应力 不受污染 6 激光束的发散角小于1 毫弧 光斑直径可小到微米量级 作用时间可以 短到纳秒和皮秒 同时 大功率激光器的连续输出功率又可达千瓦至十千瓦量级 因而激光既适于精密微细加工 又适于大型材料加工 7 由于激光束易于导向 聚焦实现作各方向变换 极易与精密机械 精密 测量技术 数控系统和电子计算机配合 对复杂工件进行加工 实现加工的高度 自动化和达到很高的加工精度 8 在恶劣环境或其它一些人们难以接近的地方 可用机器人系统或数控系 统控制激光加工 为人们减少不必要的健康影响 9 激光加工生产效率高 加工质量稳定可靠 因此经济效益和社会效益好 激光加工的许多特点和优势是显而易见的 但是其不足之处也是不容忽视 的 就目前来说 激光加工系统设备的价格较高 激光尚属于一种比较昂贵的能 源 因此 只有在那些最能发挥其特点或者使用其它加工方法不能或很难加工的 情况下才适宜采用激光加工 4 1 3 1 激光焊接工艺 激光焊接是激光材料加工技术应用的重要方面之一 由于其独特的优点 如 输入能量密度高 工件热影响区小 易于实现自动控制等 激光焊接技术在汽车 钢铁 船舶 航空 轻工 机械 医疗等工业部门获得了日益广泛的应用 在激 光焊接的过程中 当激光束照射到金属材料表面 即激光辐射加热材料表面时 其能量通过热传导向材料内部扩散 通过控制激光脉冲的宽度 能量 风功率和 重复频率等参数 使材料熔化 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 在两工件间的接缝区域移动 进而形成焊缝 激光焊接过程实际上是在光斑所照射到的微小区域内达到的材料被加热与 之后冷却过程之间的一种平衡 这种平衡的最终目的就是为了得到高质量的焊 缝 在激光焊接过程中 工件材料通过辐射吸收激光束能量而产生液态熔池 并 使之达到理想尺寸 然后沿材料固体界面移动 消除被焊构件的初始缝隙 从而 得到高质量焊缝 在焊接过程中产生的熔池不管过大 过小或者蒸发严重 都会 直接导致焊接失败 除此之外 焊缝的最终质量还极有可能因其他 如焊接熔池 体积与几何形状的不稳定 过大的热梯度以及合金成分的蒸发等因素的改变而得 到恶化 副 4 第一章绪论 与传统的熔焊工艺相比 激光焊接具有的优势主要集中在以下几个方面 l 聚焦后的激光功率密度大 1 0 5 1 0 7 形 c 肌2 或更高 加热范围小 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 通过偏转棱镜或反射镜 可使激光束反射 偏转 投射 进而在任意方 向上弯曲或聚焦 还可用光导纤维将光束引到其它焊接工具难以接近的部位进行 焊接 激光束还能在空间传输很远的距离而且过程中衰减很小 因此激光焊接装 置不需要与被焊接工件接触 用激光束可以进行远距离加工 或者对一些用其它 焊接工具难以完成的微型零件及可达性很差的部位进行焊接 3 被焊材料不易被氧化 可以直接在大气中焊接 不需要在真空环境下进 行加工过程或者加入气体保护 4 激光对异种金属材料焊接比较容易 还可对绝缘材料直接焊接 甚至能 把金属与非金属 如陶瓷 有机玻璃等 焊接在一起 5 激光束可以穿过透明材料进行聚焦 因此可以焊接诸如真空管中的电极 等一些传统加工方法难以接近的接头或无法安置焊接工具的接焊点 6 与电子束焊接相比 激光焊接不需要真空设备 而且不产生x 射线 也 不受磁场干扰 而且能在电子束无法达到的三维构件内部细微区域中实施 还可 以实现单面焊接双面成型 7 激光束不会带来任何磨损 且能长时间稳定工作 8 在激光深熔焊过程中中 当激光束进入 小孔 中时 光束会反复反射 并与孔壁表面材料相互作用 即壁聚焦效应 当此时遇到如氧化物 硅化物等夹 杂物时 光束便首先被夹杂物所吸收 这些杂质有选择地被优先加热并被汽化而 溢出焊缝 避免了其它焊接方法中焊缝夹杂物的存在而影响焊缝质量 9 激光焊接得到焊缝的韧性与母材相当或高于母材 与其它焊接方式相比 激光焊接的硬度最高 但是由于热影响区极窄 对金属组织变化的影响可不作考 审 4 5 i h o 尽管激光焊接存在这么多其它焊接方式难以企及的优点 但同时这些优点也 导致了另一种意义上的缺点 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 特别是需要在有大量昂贵保护气体 如氦气等 的应用场合 下工作 由于激光束的聚焦光斑小以及狭小的热影响区等优点 要求有很高的装 备精度 在接头安装过程中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 0 1 舳 也能引起激光辐射耦合的缺陷和热效率的降低 进行如 铝 铜等高反射率材料的激光焊接时 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 在焊接开始 时应使用较高的激光能量密度 这就有可能导致激光束反射回激光器 构件在焊 5 天津工业大学硕士学位论文 接过程中的装配偏差也可能引起激光束的反射 从而引起光学元件的损坏协1 尽管激光焊接存在以上缺陷 但它较高的生产率及较高的焊缝质量足以弥补 上述缺陷 使得激光焊接系统具有很强的综合竞争能力盯1 1 3 2 激光焊接工艺国内外研究现状 从2 0 世纪6 0 年代开始 激光在焊接领域得到应用 早在1 9 6 2 年 就已经 出现了关于激光应用于焊接加工方面的报道 随后 各国学者又做了许多关于激 光焊接的基础性研究 激光器应用早期 由于能发射出连续光波的高功率激光器尚未开发出来 人 们的研究重点就集中在脉冲低功率激光器焊接方面 虽然能够获得较高的脉冲能 量 但这些红宝石脉冲激光器的平均输出功率却很低 使其使用范围受限且得到 的焊接质量不好 2 0 世纪7 0 年代 既能发射出脉冲光波又能发射出连续光波的大功率固体激 光器和高功率c 0 2 激光器的出现及它们在应用中焊接实验的成功 才从真正意 义上开辟了激光用于焊接的新纪元 使激光焊接的研究与应用情况发生了巨大的 改变 这些实验的成功证明了大功率连续激光器所蕴含的巨大潜能 使得它们在 后期广泛应用于航空 电子医疗 机械 钢铁冶金 汽车 医疗 食品等行业 s 而接下来进一步的研究重点就集中于如何获得拥有高光束质量的激光源 如何解 释光束聚焦和等离子效应之间的复杂相互作用以及在焊接过程中如何设计焊接 接头 焊接速度等参数与焊接性能的关系 在日本 德国 英国和前苏联等国所 进行的这些实验研究中 除了少数特例外 原则上不采用功率高于2 0 k w 的激光 器进行焊接 而在后续的激光焊接工艺开发与应用研究中表明 使用功率高于 1 2 1 5 k w 的激光器进行焊接非但不会得到更多益处 反而有可能使焊接接头处 出现焊穿的现象 因此高的功率一般应用在焊接速度极高或者工件厚度极厚的场 合中 波长1 0 6 岬的大功率固体激光器作用下的金属反射率比波长1 0 6 岬的c 0 2 激光器降低很多 因此在焊接过程中使用大功率固体激光器比使用c 0 2 激光器 可获得更好的焊接质量 c 0 2 激光器由于波长较长而不能很好的与光纤耦合 但 是波长低一个数量级的大功率激光器发出的激光束即使在功率高于l k w 的情况 下也能很好的与光纤相耦合 这种优异的特质使得目前几乎所有用于热处理和焊 接的大功率固体激光器都与光导纤维系统相组合使用 这种组合系统大大增加了 激光加工系统的方便性与灵活性 对于工业上的多工作台同时加工及机器人操作 非常理想 值得注意的是 相同的平均功率条件下 脉冲固体激光比连续固体激 光可获得更大的熔深 9 6 第一章绪论 目前世界上主要工业国家都对激光焊接进行大量研究与开发 如瑞士 法国 德国 加拿大 美国 英国 日本等对激光焊接做了大量的研究 国内主要有华 中科技大学及哈尔滨工业大学在激光焊接方面做了深入研究 2 0 世纪8 0 年代以后 激光焊接技术在欧洲 美国 日本得到了广泛的关注 同时被成功应用在连续焊接生产线中 而后期激光拼焊板技术的开发 又是激光 焊接技术的另一个里程碑 自从2 0 世纪8 0 年代中期德国蒂森钢铁公司与大众汽车公司合作生产出全球 第一块激光拼焊板并成功地将它应用到汽车车身上 欧洲 北美 日本各大汽车 生产厂从9 0 年代也开始在车身制造中大规模使用激光拼焊技术 就目前来说 无论是实验室的理论经验还是汽车制造厂的实践经验 都证明了拼焊板不仅可以 成功地应用于汽车车身的制造 还在交通运输装备制造业 建筑业 家电板材焊 接生产 桥梁 连续轧制中的钢板连接等领域中被大量使用n 引 激光拼焊技术是一种采用激光束作为能源 自动拼合和焊接若干块不同材 质 不同涂层 不同厚度的钢板 铝合金板等板材 把它们形成一块整体的板材 型材 夹芯板等的技术 以满足某些零部件对材料形状及性能的不同要求 用最 轻的重量 最优的结构和最佳的性能实现装备轻量化n 中国的激光拼焊板技术应用刚刚起步 2 0 0 2 年1 0 月2 5 日中国第一条激光 拼焊板专业化商业生产线正式投入运行 由武汉蒂森克虏伯中人激光拼焊从德国 蒂森克虏伯集团t w b 公司引进 此后上海宝钢阿赛洛激光拼焊公司 一汽宝友 激光拼焊有限公司等相继投产 2 0 0 3 年由华工激光提供的国内首台大型带材在线式焊接成套设备通过离线 验收 该设备集激光切割 焊接和热处理于一身 使我国华工激光成为世界上第 四家能够生产此类设备的企业 2 0 0 4 年华工激光法利莱 高功率激光切割 焊接及切焊组合加工技术与设 备 项目获得国家科学技术进步二等奖 成为国内目前唯一具备该项技术与设备 研制能力的激光企业 随着工业激光产业的快速发展 市场对激光加工技术的要求越来越高 激光 技术已从单一应用逐渐转向多元化应用 激光加工方面不再是单一的切割或者焊 接 市场对激光加工要求切割和焊接一体化的需求也越来越多 激光切割和激光 焊接的切焊一体化激光加工设备应运而生 中科院沈阳自动化研究所与日本石川岛播磨重工株式会社进行国际合作 遵 循国家引进消化后再创新的科技发展战略 攻克激光拼焊若干个关键技术 不仅 于2 0 0 6 年9 月开发出国内第一套激光拼焊成套生产线 而且还成功开发了机器 人激光焊接系统 实现了平面和空间曲线的激光焊接 l2 1 7 天津工业大学硕士学位论文 激光机器人焊接系统虽然成本高于传统的焊接设备 并且在焊接过程中要求 有很高的装配精度 但该系统所具有的诸如生产效率高 生成的焊缝质量好等优 点足以弥补上述缺憾 这些优点还使得激光机器人焊接系统在技术上具有很强的 综合竞争能力 目前 德国 日本 瑞士和美国等国家在激光焊接技术的研究与 应用方面处于世界领先水平 激光器的发展表现在高的输出功率及可达到纳秒级 的脉冲宽度上 激光焊接技术的发展表现在所焊材料厚度最大已达8 0 m m 最小 为0 0 5 m m 并且多数材料应用激光焊接质量均优于传统焊接工艺 可见 激光 焊接技术正向着低成本 高质量的方向发展 具有很大的发展潜力和发展前景 因此 很多学者将激光加工与等离子弧加工 电子束加工并称为2 l 世纪最具发 展前景及最有效的加工技术 制 1 3 3 激光焊接机器人系统 刚性的焊接自动化设备 一般都是专用的 且只适用于大 中批量产品的自 动化生产 因此在中 小批量产品的焊接生产过程中 仍然把手工焊作为主要的 焊接方式 应用机器人系统控制焊接是使焊接自动化的革命性进步 它突破了传 统方式下刚性自动化焊接 开拓了一种柔性自动化焊接的新方式 而机器人焊接 系统的出现使小批量产品自动化焊接生产成为可能 机器人具有示教再现功能 可重复再现通过示教编程存储起来的作业程序 只需由人工直接导引机器人末端 执行器 或由人工操作导引机械模拟装置 或用示教盒控制机器人完成预期的动 作 给它做一次示教 它就能精确地不断重复再现示教的每一步操作 当需要机 器人完成另一项工作时 无须改变任何硬件 只要对它再做一次示教完成所需工 作即可 因此 在一条机器人焊接系统生产线上可以自动生产若干焊件 l3 1 早在1 9 8 9 年 在工业机器人的整体用途中 焊接机器人就占据总量的4 0 以上 现在所占比重更是大大增加 1 4 l 川 而在焊接机器人的不断发展和广泛应用 过程中 难免会遇到一些问题 比如在对工件进行焊接时 为了保证烙铁头能伸 入至被焊部位进行焊接 焊枪头与被焊部位就必须留有一定的空隙 而且在焊接 过程中烙铁头必定会存在损耗 再者 目前的部件引脚间距越来越小等等 业内 人士始终想突破这瓶颈 寻找新的焊接方式 综合以上问题及激光加工所具有的 优越性 激光焊接机器人系统就应运而生了 激光焊接机器人系统即应用工业机器人控制激光轨迹来完成焊接 该系统主 要由操作机 控制装置 驱动单元 焊枪 跟踪系统等组成 1 6 该系统主要有以 下几个方面的优判1 7 j l 使焊接过程和焊接质量得到了稳定和提高 2 提高了劳动生产率 第一章绪论 3 可在有害环境下长期工作 改善了工人的劳动环境和劳动强度 4 降低了对工人操作技术的要求 5 缩短了产品改型换代的周期 减少相应的设备投资 1 4 哈氏c 合金焊接的国内外研究现状 l9 8 6 年 c i e s l a k 掣1 8 珈 便开始研究哈氏c 2 7 6 合金的氩弧焊接特性 针对 3 m m 厚度哈氏c 系列合金进行氩弧焊接的对比研究 研究了c 系列哈氏合金焊接 后的相变过程以及焊后时效处理对材料性质的影响 2 0 0 3 年 r o w e 等 2 l 对哈氏c 系列合金的焊接特性作了比较详尽的报道 分别提出了氩弧 激光 电子束以及 离子束焊接哈氏合金的可行性 分析了各种焊接方式对c 系列合金的影响规律 2 0 0 5 年 a h m a d 等 2 2 利用电子束焊接技术实现了3 m m 厚的哈氏c 2 7 6 合金焊接 成形 并分析了电子束焊接对材料组织结构的影响 而现阶段在国内 针对哈氏c 系列合金的焊接研究大多基于工程实践 只对 材料的焊接过程和焊后热处理进行了试验研究以保证工程的进度以及质量 对焊 缝成形机制以及焊后材料性能研究的分析则涉及甚少 沈阳东方钛业有限公司的陶鹏 邢卓等人四 和张东锡 李德华 2 4 均是采用 手工钨极氩弧焊的方式 针对哈氏c 2 7 6 合金的焊接给出了一套可行的焊接参 数 陈恭珉 2 5 采用搭接的方式 用g m a w 金属极弧焊 的焊接方法对1 6 r i l r n 的 哈氏c 2 2 合金薄板进行了焊接研究 中国石化集团公司第十建设公司技术管理处的唐元生等人 2 6 采用t i g 焊接 工艺 对哈氏c 2 7 6 合金管道进行了焊接性能的研究 中国石化集团第五建设公 司的孙万田阳和中国石化集团南化公司的王平等人 2 8 1 采用g 盯州焊接方法 在 对哈氏c 2 7 6 合金进行焊接时 拟定了合理的焊接材料 焊接方法 焊接工艺参 数以及焊接过程中的操作技巧和操作要点 并研究了如何确保焊接接头的耐腐蚀 性能 防止焊接热裂纹和变形的措施 大连理工大学的马广义 吴东江等人 2 9 采用脉冲激光焊接对0 5 m m 厚的哈 氏c 2 7 6 合金进行了焊接试验 研究了各焊接影响因素对焊缝成形规律的影响 上海交通大学上海市激光制造与材料改性重点实验室的倪加明等人 3 0 采用 多层多道氩弧焊接哈氏c 4 合金 通过对比实验研究焊接接头和母材的耐晶间腐 蚀性能 并通过显微硬度 金相显微镜 扫描电子显微镜 能谱分析表征接头组 织和成分 该实验室的彭坤 芦风桂等人 2 利用高功率激光焊接哈氏合金c 2 2 实现单面焊双面成形 来获得良好的焊缝成形 并通过焊后固溶处理的方法获得 金相组织均匀一致 性能与母材相当的焊缝 并研究了焊缝的耐腐蚀性能 9 天津工业大学硕士学位论文 目前 国内已经开展了很多难焊材料的激光研究工作 同时也开展了对难焊 材料激光一电弧复合焊接的研究 3 l 3 2 1 但是对哈氏合金的激光焊接研究很少 随 着哈氏合金应用的越来越广泛 3 3 弓6 1 和激光焊接技术的进一步发展 对哈氏合金激 光焊接技术的研究会越来越受到重视 1 5 本文选题依据及主要研究内容 本课题是由天津化工厂遇到的实际问题引申而来的 天津化工厂是国家级大 型氯碱化工企业 于1 9 3 8 年建厂 由于历史悠久 很多设备经过多年使用 都 已不能达到使用要求 因此需要进行大规模检修 其中不乏有大量德国进口的设 备 在需要检修的设备中有一些需要经常输送腐蚀性液体的管道 这些管道内部 有薄壁管衬套 而且材料是原本难以焊接的c 系列哈氏合金 被拆卸下来之后 再安装的时候由于手工焊接出来的焊缝有很多诸如有漏点 表面不够工整给安装 带来困难等缺点 因此提出了用激光机器人焊接系统来弥补上述缺陷 充分发挥 激光机器人焊接过程中激光能量控制稳定 位形控制准确 自动化程度高优势的 优点 本课题的研究内容如下 l 分析哈氏合金的材料成分 充分了解其性能以便在焊接过程对所遇到的 问题加以解决 2 先对试块儿进行焊接试验 验证材料用激光焊接的可焊性 3 方法可行后 采用正交试验设计的方法对焊接过程中的影响因素加以优 化 找到最合理的焊接方案 4 通过现代物理检测手段 扫描电子显微镜分析 材料拉伸试验 硬度分 析等 分析焊缝的组织及性能 5 完成机器人的路径规划及离线编程仿真 完成哈氏c 2 7 6 合金薄壁管的 激光焊接技术 l o 第二章激光焊接1 艺原理 第二章激光焊接工艺原理 激光焊接是一种基于光热效应的激光束与非透明物质相互作用的热加工过 程 加工过程中的热量交换 形式有有辐射 对流和热传导三种 是靠热传导来 实现的 从微观上讲 热传导有电子导热 声子导热 分子导热和光子导热等 但是对于激光加工中热传导的分析主要建筑在宏观上 主要表现为材料表面对激 光束的反射 吸收 以及材料在加热过程中的熔化 气化等现象 当激光束照射到材料表面时 一部分能量被材料表面反射 其余能量则进入 材料内部 而进入材料的能量有一部分被材料吸收 其余能量将透过材料 如果 用厶表示入射的激光总能量 e 表示材料表面反射的能量 e 表示材料吸收的 能量 b 表示透过材料的能量 则有 1 2 1 激光焊接分类 厶 乓 e 耳 公式 2 1 根据激光对工件的作用方式或激光束输出方式的不同 可以把激光焊接分为 脉冲激光焊接和连续激光焊接 5 顾名思义 在脉冲激光焊接过程中 由于输入到工件上的能量是脉冲的 断 续的 因而形成的焊缝形状为一个个的圆形焊点 而在连续激光焊接过程中 则 会形成一条连续的焊缝 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 2 n l r i l 以上 薄膜 几微米到几十微米 丝 直径o 2 m m 与丝 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的焊 接 微波器件中速调管的钽片和钼片的焊接 零点几毫米不锈钢 铜 镍 钽等 金属丝的对接 重叠 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 焊接过程中经常使用y a g 激光器 或者将连续输出 的y a g 激光器和c n 激光器用于脉冲焊接 其中最简单的方法就是打开或关闭 装在激光器上的光闸 连续激光焊接主要使用大功率c n 气体激光器 适合于从 薄板精密焊到5 0 m m 厚板深穿入焊的各种焊接 大功率激光焊接时 根据激光焊接时焊缝的成形特点或者激光聚焦后作用在 工件上的功率密度 则可以把激光焊接模式分为热传导焊接和锁孔焊 即深熔焊 接两类 4 当激光功率密度范围小于1 0 5 形 c 珊2 时 为热传导激光焊接 深熔焊 天津工业大学硕士学位论文 时的功率密度要比热传导激光焊接大 通常功率密度大于或等于1 0 5 形 c m 2 时为 深熔激光焊接 2 1 1 热传导焊接 当激光功率密度范围为1 0 4 1 0 6 形 c 朋2 时 激光与材料表面作用时间远远大 于1 0 9 s 这就表明在激光未能使材料表面汽化前 底层材料就能达到熔点 易 形成良好的熔融焊接 其特点是 激光光斑功率密度小 很大一部分激光被材料 表面所反射 光的吸收率较低 焊接熔深浅 焊接速度慢 主要用于薄 厚度 1 0 6 形 伽2 在微秒时间范围内 工件表层材料即可 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 雕刻等 有利 若采用较低的功率密度 1 0 6 形 俐2 工件表层温度达到 沸点需经历数毫秒 在表层材料还未汽化前底层材料就达到熔点 易形成良好的 熔融焊接 在具有恒定强度的激光热源作用下 根据热传导方程 可求出在一定脉宽条 件 f 下 材料表面达到熔点所需的功率密度g 如下 一0 8 8 6 乙k 吼l2 弋卜 位f 7 2 材料表面达到沸点的功率密度吼 为 公式 2 3 天津工业大学硕士学位论文 0 8 8 6 z 足 留c 22 中 位f 2 公式 2 4 式中 乙 瓦分别为材料的熔点和沸点 k 为材料的热传导率 口为材料 的热扩散率 可由公式 2 5 求得 足 口 一 c p 公式 2 5 本课题所涉及材料哈氏c 2 7 6 合金的部分物理性能参数如下 熔点为 乙 1 3 2 5 1 3 7 0 c 热传导率为 k 9 8 形 m c 9 8 1 0 2 形 c m c 比热为 c 4 2 7 j 堙 c 密度为 p 8 8 9 9 俐3 8 8 9 1 0 3 堙 硎3 可见 材料达到熔沸点的功率密度都随着材料的熔沸点温度 热传导率增加 而增加 却随着材料热扩散率的增加而减小 在实际应用中 功率密度的选取除 了取决于材料本身特性外 还需要根据焊接要求而定 在薄壁材料 材料壁厚范 围为0 o l 0 1 m m 的焊接中 材料表面少量汽化 容易使得焊点成孔 尤其是 薄片在上的穿透焊 因此 在整个激光加热过程中 工件的任何位置的温升都不 允许超过材料本身的沸点 其激光功率密度应在熔点功率密度和沸点功率密度之 间 在材料壁厚超过0 5 m m 的工件焊接过程中 工件表面的能量传递应该维持 在材料熔沸点间 为达到一定的熔深 脉冲宽度很长 这样将大大增加设备的体 积 因工件较厚 即使出现一定的汽化也不会影响到焊接质量 因此在这样的工 件焊接过程中 功率密度一般高于材料的沸点功率密度 由本文材料的物理参数得出材料沸点的功率密度量级为1 0 5 形 c m 2 因此在 焊接过程中使用最大功率密度量级为1 0 5 形 伽2 的激光峰值 然后根据功率密度 和实验设备的条件确定合理的试验参数 2 2 2 激光脉冲波形 在脉冲激光焊接中 激光脉冲波形是一个重要问题 尤其对于本课题中所遇 到的薄板焊接更为重要 当高强度激光束射至材料表面 金属表面将会有6 0 9 8 的激光能量反射而损失掉 且反射率随表面温度变化 在一个激光脉冲作用 期间内 金属反射率的变化很大 为了保证工件表面材料在激光焊接过程中能维持在熔沸点