激光加工-激光焊接技术.docx

激光加工作业激光焊接技术激光焊接是激光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。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 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，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发光、吸收、散射特性、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，激光接头性能评价等方面做了广泛的研究。与其他传统焊接技术相比 ,激光焊接的主要优点是速度快、深度大、变形小; 能在室温或特殊条件下进行焊接,焊接设备装置简单; 可焊接难熔材料如钛、石英等 ,并能对异性材料施焊 ,效果良好等。同时,激光焊接也存在着一定的局限性,要求焊件装配精度高,且要求光束在工件上的位置不能有显著偏移。激光器及其相关系统的成本较高,一次性投资较大。激光焊接原理：激光焊接是利用激光的辐射能量来实现有效焊接的工艺, 其工作原理是: 通过特定的方式来激励激光活性介质 (如CO2和其他气体的混合气体、YAG钇铝石榴石晶体等) ,使其在谐振腔中往复振荡, 从而形成受激辐射光束,当光束与工件接触时,其能量被工件吸收, 在温度达到材料熔点时便可进行焊接。用于焊接的主要有两种激光 ,即 CO2 激光和 Nd:YAG激光。CO2 激光和 Nd:YAG激光都是肉眼不可见红外光。Nd : YAG激光产生的光束主要是近红外光,波长为 1.06m,热导体对这种波长的光吸收率较高,对于大部分金属 ,它的反射率为 20%30%。只要使用标准的光镜就能使近红外波段的光束聚焦为直径0.25 mm。CO 2 激光的光束为远红外光,波长为10.6m,大部分金属对这种光的反射率达到 80% 90%,需要特别的光镜把光束聚焦成直径为 0.75-0.1mm。Nd:YAG激光功率一般能达到 4 0006 000 W左右 ,现在最大功率已达到 10 000 W。而 C O 2 激光功率却能轻易达到 20 000 W甚至更大。大功率的 CO 2 激光通过小孔效应来解决高反射率的问题, 当光斑照射的材料表面熔化时形成小孔 ,这个充满蒸气的小孔犹如一个黑体 , 几乎全部吸收入射光线的能量 ,孔腔内平衡温度达 25 000 左右 ,在几微秒的时间内 , 反射率迅速下降。 CO 2 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。另外 , C O 2 激光 10 k W以上大功率焊接时, 若使用氩气保护气体 ,常诱发很强的等离子体 ,使熔深变浅。因此,CO2激光大功率焊接时, 常使用不产生等离子体的氦气作为保护气体。用于激发高功率 Nd : YAG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, 其平均功率已达 1 k W,光电转换效率接近 50%。二极管还具有更长的使用寿命 ( 10 000 h ) , 有利于降低激光设备的维护成本。二极管泵浦固体激光设备 (D P S S L) 的开发研究在世界上很活跃 。激光焊接的机理：激光焊接和传统电弧焊的最大区别在于热传导方式的不同,材料对激光束能量的吸收受到很多因素的影响,激光束的类型、即时激光束的能量密度和材料的表面状况都会影响能量的传输。影响材料激光焊接的两个重要指标是 :( 1) 热传输效率,即工件吸收的热量与激光束能量之比。( 2) 熔化效率,即熔合区刚好熔化工件需要的热量与工件吸收的热量之比。激光焊接有两种基本方式:传导焊与深熔 ( 小孔 )焊。这两种方式最根本的区别在于:前者熔池表面保持封闭(图1) ,而后者熔池则被激光束穿透成孔 (图2)。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, 然后再转变为小孔方式。可以调节激光焊接过程中各因素相互作用的程度, 使得小孔刚建立以后即进入脉冲间歇阶段 ,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 。图1 激光热传导焊接的熔池形状示意图图2 激光穿透焊的熔池形状示意图激光焊接的工艺参数包括功率密度、离焦量 、焊接速度等。功率密度是激光加工过程中最重要的参数之一, 采用较高的功率密度, 在微秒时间内 , 表层即可加热至沸点 ,产生大量气化, 常用于激光打孔 、切割和雕刻等 。对于较低功率密度, 表层温度达到沸点需要经历数毫秒 ,在表层气化前, 底层达到熔点 , 易形成良好的熔融焊接。因此 ,在传导型激光焊接中, 功率密度范围在 10 1 000 k W/c m 2 。在激光焊接中, 光束焦点位置是最关键的工艺参数之一 ,在一定激光功率和焊接速度下 , 只有焦点处于最佳位置范围内才能获得最大熔深和最佳的焊缝质量 。离焦方式有两种 : 正离焦和负离焦 。焦平面位于工件上方为正离焦 ,反之为负离焦 。按集合光学理论 ,正负离焦相等时 ,所对应平面上的功率密度近似相等 ,但实际上所获得的熔池形状不同 。负离焦时可获得更大的熔深 , 焊接薄材料时宜用正离焦 。在实际激光焊接中 , 为了避免和减少影响焦点位置稳定性的因素 ,需要设计专门的夹具 , 夹具使用的合适与否直接关系到激光焊接的质量高低 。激光焊接技术的应用目前激光焊应用领域的扩大, 主要应用于 : 制造业应用、粉末冶金领域、汽车工业、电子工业、生物医学、塑料激光焊接应用、新材料激活激光焊接应用 、航空航天工业、造船工业 、其他领域如对 BT20 钛合金、H El30 合金、Li -ion 电池等激光焊接。制造业应用激光拼焊 (TailoredBlandLaserWelding) 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。粉末冶金领域随着科学技术的不断发展,许多技术对材料有特殊要求, 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 20世纪 80 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。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， 显示了独特的优越性，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 0.050.1mm，采用传统焊接方法难以解决，电弧焊容易焊穿，等离子焊稳定性差， 影响因素多，而采用激光焊接效果很好， 得到广泛的应用。生物医学生物组织的激光焊接始于 20世纪 70 年代，Klink 等及 Jain用激光焊接输卵管和血管的成功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，并推广到其它组织的焊接有关激光焊接神经方面，目前国内外的研究主要集中在激光波长、剂量及对功能恢复及激光焊料选择等方面，刘铜军在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。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方面，我国进行了许多研究，如对BT20 钛合金、 HE130 合金、Liion 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。激光焊接发展趋势复合焊接人们在广泛应用激光焊接技术的同时，不断地对其进行深入的研究，发现它有一定的缺点：在激光焊接过程中，母材受热熔化、汽化，形成深熔小孔，孔中充满金属蒸汽，金属气体与激光作用形成等离子云。等离子云吸收、反射激光，降低金属材料对激光的吸收率，使激光的能量利用率降低；对焊接母材端面接口要求高，容易产生错位；容易生成气孔疏松和裂纹；焊后在母材端面之间的接口部位存在凹陷，焊接过程不稳定等。为减少或消除单热源激光焊接的缺陷，人们在保持激光加热优点的基础上，利用其他热源的加热特性来改善激光对工件的加热， 从而把激光与其他热源一起进行复合热源焊接。主要有激光与电弧、 激光与等离子弧、 激光与感应热源复合焊接以及双激光束焊接等。激光与电弧焊接结合起来， 这种复合工艺综合了激光与电弧的优点， 即将激光的高能量密度和电弧的较大加热区组合起来，其优点： 1) 可增加焊接熔深；2) 提高焊接速度与生产率；3) 改善接头性能；4) 降低设备成本。同时通过激光与电弧的相互作用，来改善激光能量的耦合特性和电弧的稳定性，以获得一种综合的效果，但是由于电弧的引入增加了焊接的热输入，从而使焊接热影响区和热变形增大。激光焊接的控制(熔池尺寸、等离子效应等)在激光焊接熔透控制研究中，建立熔池形状参数与焊接工艺间的关系是关键问题，在实验过程中，对熔池形状信息获知越丰富，对焊接过程熔透控制的效果越理想。许多学者根据激光深熔焊中的小孔机制，对激光焊接的温度场、液体流动及小孔形状、尺寸进行了计算并取得了一定效果。John 等人提出了入射激光的逆韧致吸收模型，假定能量通过传导机制传递给小孔壁， 通过解热传导方程，得到了一个最大的理论熔深。 Sonti 等人采用二维有限元非线形模型进行了铝合金激光深熔焊接传输过程的三维计算，得到了激光焊接的三维温度场。John 分析小孔内的能量和压力平衡，建立一个小孔内液体和蒸气流动的通用模型。王海兴等对前人提出的计算激光焊接深熔焊过程中熔池尺寸的方法进行了检验、 改进与推广，从激光焊接过程中的能量平衡出发，预报了不同焊接工况下熔池的尺寸。刘顺洪进行了薄板激光焊温度场的分析与数值模拟，在空间域上用加权余量法，时间域上用有限差分法离散，考虑了材料热物性参数的温度相关性、 熔化潜热以及对流辐射等对温度场的影响，建立了有限元方程，并编制了相应的程序。随着图象传感方法的改进，人们可以从熔池图象获得熔池形状更多的特征信息，如熔池的宽度、长度和面积，利用这些信息建立同激光焊接工艺参数之间的关系，对激光焊接的焊缝质量控制中有着重要的作用，这将是激光焊接研究的一个重要方向。激光焊接的激光发生器及其工艺发展趋势目前的激光焊接所使用的激光器主要为大功率 CO2 激光器和脉冲 Nd:YAG 激光器 ，对于 CO2气体激光要解决大功率激光器的放电稳定性，对于 YAG 固体激光器要研制大容量、长寿命的光泵激励光源。光纤激光器具有高转换效率和极低损耗，极好光束质量、高效率和可靠性，并且结构非常紧凑，在不远的将来，单光纤、单模光纤的输出功率将超过千瓦级，在激光焊接领域将得到应用。采用直接二极管阵列激光输出波长在近红外区域的激光平均功率已达 1kW,光电转换效率接近 50豫，这些激光设备和技术，将在焊接应用方面发挥更大的作用。在激光光束质量及加工外围装置方面，应研究各种激光加工工艺对激光光束的质量要求、激光光束和加工质量监控技术、光学系统及加工头设计和研制，开展焊接工艺及材料、焊接工艺对设备要求及焊接过程参数监测和控制技术研究，从而掌握普通钢材、有色金属及特殊钢材的焊接工艺。展望从国内外的研究现状看,新型激光器的研究与完善、焊接过程的有效控制和焊缝缺陷的实时监测是未来激光焊接领域的研究重点。其中,激光器的研发将集中在输出功率和电- 光转化效率的提高上,针