激光焊接技术的应用.doc

激光焊接技术的应用激光焊接是激光加工材料加工技术应用的重要方面之一。20世纪70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。由于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CO2和高功率的YAG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、生物医学微电子行业等领域的应用越来越广。目前的研究主要集中于CO2激光和YAG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、散射特性以及激光焊接智能化控制、复合焊接、激光焊接现象及小孔行为、焊接缺陷发乍机理与防止方法等，并对镍蓐耐热合金、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。1 激光焊接的原理 激光焊接原理：激光焊接是将高强度的激光束辐射至金属表面。通过激光与金属的相互作用，金属吸收激光转化为热能使金属熔化后冷却结晶形成焊接。11 热传导焊接 当激光照射在材料表面时，一部分激光被反射。一部分被材料吸收，将光能转化为热能而加热熔化，材料表面层的热以热传导的方式继续向材料深处传递，最后将炳焊件熔接在一起。12 激光深熔焊 当功率密度比较大的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，产生大量的金属蒸汽，在蒸汽退出表面时产生的反作用力下，使熔化的金属液体向四周排挤，形成凹坑，随着激光的继续照射。凹坑穿人更深。当激光停止照射后。凹坑周边的熔液回流。冷却凝固后将两焊件焊接在一起。2 激光焊接的应用领域21 制造业应用 激光拼焊（Tailored Bland Laser Welding）技术在国外轿车制造中得到广泛的应用，据统计，2000年全球范围内剪裁坯板激光拼焊生产线超过100条，年产轿车构件拼焊坯板7000万件，并继续以较高速度增长。国内生产的引进车型Passat，Buick，Audi等也采用厂一些剪裁坯板结构。日本以CO2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loo微米以下的箔片，无法熔焊，但通过有特殊输出功率波形的YAG激光焊得以成功，显示了激光焊的广阔前途。22 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。由于粉末冶金材料具有特殊的性能和制造优点。在某砦领域如汽车、飞机、工具刃具制造业中正在取代传统的冶铸材料，随着粉末冶金材料的日益发展。它与其它零件的连接问题显得日益突出，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，为粉末冶金材料的应用开辟了新的前景，如采用粉末冶金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，采用激光焊接町以提高焊接强度以及耐高温性能。23 汽车工业在20世纪90年代中期，BMW公司利用激光焊接机器人完成了BMW 5系列轿车的第一条焊缝，焊缝总长度达12m。到2003年7月，激光焊接焊缝的总长度累计达到150万米。激光技术竞争的结果是强化了其在汽车制造工业中的应用。Daimler Chrysler公司焊接（设备和零部件）技术课题组的负责人Christian Elsner先生认为：激光焊接最主要的应用领域是汽车传动系统和汽车车架的焊接制造。激光焊接长期以来并没有被充分利用，新的激光焊接电源和更高的功率使得激光焊接挤进了长期以来一直被传统焊接技术所占据的“领地”。激光技术在汽车工业中之所以得到了极为广泛的应用，与研究所的科技工作者们的劳动是分不开的。Daimler Chrysler公司生产技术与材料技术研究所打算在将来进一步加强与物理研究所的密切合作，使焊接生产过程中的传感器技术能有更好的结果。工业控制系统生产企业、工业控制系统应用企业与科学研究机构之间的合作越紧密，合作的结果就越富有成效。新的激光焊接方案目前，一些研究机构和工业企业正在研制开发新的激光焊接方案。新型晶体管脉冲的沙本激光器（Diodengepumpte Scheibenlaser）就是一个这样的范例。斯图加特激光工具研究所（IFSW）的指出：新的沙本激光技术是一个全新的晶体管固体激光技术方案，它有着很高的激光效率和很好的激光聚焦性能。产生激光的介质是一个极薄的反射片，其厚度在百分之几到二百分之几微米之间。脉冲激光射束经紧凑的折射镜系统多次折射，最后经晶体射出。尽管反射片厚度尺寸很小，但是其反射能力极高，总效率也很高。Hgel先生认为：这种激光技术集CO2激光技术与Nd：YAG固体激光技术的优点于一身，在将来可以开辟更多新的应用领域。激光焊接的使用量在不断增长，德国VW公司的Touran轿车就是一个很好的例证。在这一新型轿车中，激光焊点的数量达到了1400个、焊缝的总长度达70m。在舒适、美观的敞蓬轿车的生产中，VW公司的技术人员与奥地利的焊接专家Fronius公司合作研制开发了一种激光混合焊接技术。在高级敞蓬轿车的车门上，激光混合焊接焊缝的长度达到了3570mm，是纯激光焊接焊缝长度的3倍。激光混合焊接技术VW公司的材料专家认为：与纯激光焊接技术相比，利用激光混合焊接技术可大大提高板金件缝隙的连接能力。从而使得VW公司可以更加充分地利用激光高速焊接时电弧焊接的工艺稳定性。另一个应用实例是BMW 5系列的宝马轿车的铝合金隔板采用这种激光混合焊接技术与内高压变形加工的铝合金支架焊接在一起。与各种单独使用的激光焊接技术相比，激光混合焊接技术具有显著的优点。对于激光混合，优点主要体现在：更大的熔深/较大缝隙的焊接能力；焊缝的韧性更好，通过添加辅助材料可对焊缝晶格组织施加影响；无烧穿时焊缝背面下垂的现象；适用范围更广；借助于激光替换技术投资较少。对于激光MIG惰性气体保护焊混合，优点主要体现在：较高的焊接速度；熔焊深度大；产生的焊接热少；焊缝的强度高；焊缝宽度小；焊缝凸出小。从而使得整个系统的生产过程稳定性好，设备可用性好；焊缝准备工作量和焊接后焊缝处理工作量小；焊接生产工时短、费用低、生产效率高；具有很好的光学设备配置性能。但是，激光混合焊接在电源设备方面的投资成本相对较高。随着市场的进一步扩大，电源设备的价格也将会有所下降，并将使激光混合焊接技术在更多的领域中得到应用。至少激光混合焊接技术在铝合金材料的焊接中是一种非常合适的焊接工艺，将在较长的时期内成为主要的焊接生产工具。双焦点激光焊接技术据BMW公司的专家介绍，在焊接隔板时，BMW公司采用了双焦点激光焊接技术。因为该技术在铝合金材料的焊接过程中有很好的性能，因此广泛应用于BMW公司的大批量生产过程中。在激光焊接中，双焦点激光焊接技术可在被焊接材料上形成间距很小的两个聚焦点，可实现激光光束的分束和叠加。两个激光光源的叠加形成一束激光光束，可大大提高激光功率、生产的稳定性、产品质量和生产灵活性。激光焊接功率的提高一方面可以提高激光焊接焊缝的深度；另一方面又可提高激光焊接的焊接速度；同时还可避免铝合金焊接中常见的熔洞和烧穿等焊接缺陷。激光焊接技术的标准化从激光焊接技术的用户企业的角度来讲，一个没有完全得以解决的问题是激光焊接技术的标准化问题。该问题集中体现在设备的连接接口和不同的焊接设备零部件方面。BMW的专家指出：标准化将使得激光光学设备、零部件的生产和制造在世界范围内达到简化。VW公司的专家与BMW的专家的观点相似，并且认为标准化还可以提高激光设备的有效程度。相反地，Trumpf Gesch ftsbereichs Lasertechnik的发言人则认为：在激光技术中，每年都有新的进步。因此在激光设备的生产厂家之间存在着非常强烈的竞争，这自然而然地阻碍了不同激光技术设备研制、开发企业统一的产品研制开发。所谓的标准化最终只能实现激光光缆接口的标准化。而做到这一步的前提条件是保质、保修的三包责任和三包过程得到说明和认可时。另一方面，该发言人也同意在激光应用技术的各个领域中，激光性能的发展趋势是在不断地提高。这种发展趋势可以增大激光的功率和提高激光的射束质量。借助于新的激光产生方案和新的激光设备设计方案，也包括新的激光技术应用领域，这种发展趋势可在今后不久得以实现。激光焊接技术是上海大众多次提到的汽车车身制造技术。在上海大众的产品系列中，车身使用激光焊接的产品包括帕萨特、POLO以及途安。帕萨特车身的激光焊接长度约4.1米、POLO的接近6.6米而途安车身的激光焊接长度为41米。 上海大众之所以将激光焊接技术作为产品的卖点之一，是因为激光焊接与传统的点焊相比可以大幅提高车身刚度，令车身整体结构更加坚固。 从制造商方面考虑，传统的点焊需要将焊接的两块部件互相搭接，无形中增加了钢材的消耗量。另外，点焊存在不连续性，板件的结合面积显然没有连续焊接的激光焊接多，从而降低了车体的刚度（相对于激光焊接）。 激光焊接可以实现钢材分子层面的结合，另两块钢板结合成一整块钢板，从而增加了结合强度，消除了板件之间的空隙，避免了摩擦。激光焊接还具有连续性，传统的点焊由多个焊点组成，会产生漏点，而激光焊接形成的焊缝牢固而连续，没有漏点。激光焊接的其它好处是可以减少材料用量、提高尺寸精度与降低成本等（以往认为的激光焊接会增加成本的观点是比较片面的）。应用在POLO轿车车身的激光焊接POLO车顶的激光焊接焊缝长达1.7米 在POLO轿车的车体结构中，激光焊接的长度要超过帕萨特。主要应用部位分为顶盖与侧围、底板与侧围以及门框等处。最长的一条激光焊分是顶盖与车身侧围板的焊接，长度为1.7米。传统的点焊存在车顶焊缝雨天漏水的问题，需要加装橡胶密封条来解决漏水问题，而采用激光焊接技术的POLO则省去了橡胶密封条，同时省去了因装配质量不佳带来的漏水问题。在应用激光焊接的过程中，上海大众还利用焊缝追踪、缺陷检测等工序来保证焊接的精度与质量。 POLO在所有同级别产品中是售价最高的，但从科技含量讲POLO也是最高的。正常使用下消费者很难察觉到激光焊接带来的好处，可是在关乎生命安全的紧要关头，高技术制造的车体却能为拥有者增加生存的砝码。有关POLO的事故照片激光焊接技术的应用很大程度上保证的车体的坚固程度24 电子工业 激光焊接在电子工业中特别是微电子工业中得到了广泛的应用。由于激光焊接热影响区小加热集中迅速、热应力低，因而正在集成电路和半导体器件壳体的封装中，显示出独特的优越性在真空器件研制中。激光焊接也得到了应用如钼聚焦极与不锈钢支持环、快热阴极灯丝组件等。传感器或温控器中的弹性薄壁波纹片其厚度在005-01m，采用传统焊接方法难以解决，TIG焊容易焊穿，等离子稳定性差，影响因素多丽采用激光焊接效果很好得到广泛的应用。25 医学外科手术医生用激光焊接术缝合伤口近日，以色列科学家开发出一种激光焊接术来缝合病人手术后的伤口，这样可使皮肤和内部组织愈合得更快。不久的将来，医生为病人做完手术后，不是用针线为他们缝合伤口，而是用激光焊接术使伤口缝合。以色列特拉维夫大学亚伯拉罕-卡茨尔教授领导的研究小组负责这一研究。早在几十年前，就有人提议采用激光手术进行伤口愈合，但是由于产生的温度太高造成皮肤或人体组织烧伤而被遗弃。新技术采用了智能激光，在工作的时候可以调整自己的温度。从而能够避免这一问题的出现。研究人员使用以色列奥姆雷克斯生物技术公司生产的一种特殊白蛋白作为生物黏合剂，把这种特殊生物胶涂在切口的两侧。用激光把它加热到适当的温度，使胶浓缩并产生硬壳，从而能够保护伤口，使其能够更快愈合，又能阻止细菌感染。医务救护人员可以把这种新的技术应用到事故现场，使救护病人的伤口更快更安全的愈合。 新方法与传统的缝合术相比能减少疤痕，并能更好地保护伤口，使伤口免受感染。研究人员认为将一方法将在整形外科和战场上发挥用武之地。在整形外科方面，新技术可以为全世界的爱美人士带来福音;未来战场上，士兵可以使用激光器进行相互救治，从而大大减少战争伤亡，提高战斗能力。卡茨尔教授称，针线逢合术已经存在了1000多年，是一项历史悠久的外科手术缝合方法。它是目前治疗外伤、肿瘤、感染、畸形等众多疾病的重要方法，有些甚至是唯一的方法。而止血、缝合是手术的基本技术。止血的目的就是减少术中、术后的出血并防止形成血肿。血肿容易引起继发感染并妨碍纤维母细胞移动和毛细血管再生，影响伤口的愈合。缝合是使伤口的间隙消失有助术后伤口的愈合。止血、缝合均离不开缝线。严格地说，任何一种缝线对人体都是一种异物，它可引起组织的非细菌性炎症反应及排斥反应。这些反应都客观地存在于每一个人体内。这种方法不仅需要很好的技术，操作不当很容易产生伤疤和感染。近年来，医学领域获得了长足发展，现在该是对伤口缝合术这种最普通和最常见的外科手术方法进行改造的时候了，而他们的研究成果正是这方面的一个突破。这一新技术得到了以色列卫生部的审核批准，研究人员已经对10位实施胆囊手术的患者进行临床试验，并取得了成功。因为传统缝合技术不防水，而且血液或尿液可以从伤口处通过，容易造成严重的感染。与传统缝合技术相比照，采用激光焊接技术，手术伤口愈合得更快，效果也更为理想。研究人员下一步计划在剖腹产等产生较长伤口的手术上进行试验，如果取得预期效果，将在几年内投入商业应用。26其他领域 在其他行业中。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BT20钛合金、HE130合金、Li-ion电池等激光焊接，德国玻璃机械制造商Glamaco Coswig公司与IFW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。3 激光焊接设备的智能化控制 激光焊接监控自动化的关键之一是熔池的实时监视。因此。跟踪传感器的选择成为了一个至关晕要的前提。在所有传感器中，光学传感器以其灵敏度和测量精度高，动态特性好，于工件无接触及包含的信息量大等特点，成为发展得最快的跟踪传感器，而CCD集成光学器件的应用又使得光学传感器上升到了视频传感的新高度。激光焊接的优点之一是焊接速度快，薄板的焊接速度可达10mmin以上。在高速连续的焊接过程中。如果出现焊接缺陷。将在极短的时间内造成大量的废品。实现在线的激光焊接质量监测是保证质量的十分重要的环节，华中科技大学设计的信号处理及反馈控制系统通过将声、光传感器所采取的信号放大、滤波、双限比较后进行AD转换，再将数字信号由微机进行处理等。对激光输出功率、焊接速度、离焦量等工艺参数进行控制实现最佳工艺数。解决熔透问题