高功率激光焊接技术的应用与发展.pptx

1、随着激光、冶金、材料、力学、测控、信息、机电等学科的发展，激光焊接的应用是现代科学技术在材料加工领域应用的综合体现，尤其是1000瓦以上的大功率激光焊接技术，几乎伴随着激光的进步。焊接是材料永久连接中应用最广泛、最重要的方法，在提高材料利用率、减轻结构重量、降低成本等方面具有独特的优势。激光焊接是近十年来应用和发展速度最快的焊接方法，它利用聚焦可控的高能量密度激光束作为热源来实现材料的熔化焊接。激光具有良好的光束方向性、单色性和相干性，其光强是普通光的1010倍，脉冲功率可达1014瓦。因此，它具有热作用集中、焊接变形小、焊接结构制造精度高、灵活性和自动化实施性好等优点。结合机器人、工艺数据库

2、、专家系统管理等先进工艺模式，实现数字化智能制造。它是现代设备结构制造中不可缺少的关键。它已成功应用于汽车、船舶、高速列车和航空航天结构，其中激光焊接已被确定为汽车工业结构制造的标准化工艺，激光焊接技术被认为是国际上最先进的具有发展潜力的焊接技术。随着激光、冶金、材料、力学、测控、信息、机电等学科的发展，激光焊接的应用是现代科学技术在材料和加工领域应用的综合体现，尤其是千瓦级以上的大功率激光焊接技术，几乎伴随着激光的进步。从20世纪80年代的CO2激光器和YAG激光器，半导体激光器和光纤激光器得到了发展，激光功率从1kW提高到100kW。典型焊接激光器的特点见表1，其中光纤激光焊接是激光焊接新

3、技术研究的热点。由于不同的热作用形式和不同的产品，激光焊接要解决的关键问题也不同。最广泛使用的激光焊接是薄壁结构焊接。在航空领域，最典型的结构是欧洲空客系列客机的铝合金机身下面板。这种用焊接代替铆接的结构将使飞机机身重量减轻近20%，制造成本降低约20%。空客A3、18、A380和A340系列飞机的壁板结构已用于焊接，其中壁板数量将达到18个，焊缝总长度将达到1000米。随着航空结构应用需求的发展，激光和焊接技术的一个应用发展是中厚度结构的激光复合热源焊接技术，旨在扩大激光焊接技术的应用范围，满足未来设备结构中厚度结构高精度、高效率焊接的需求。其次，脉冲激光焊接用于微纳结构的精密焊接，利用微秒

4、级和纳秒级脉冲激光解决铜和铝等异种金属、金属基复合材料、陶瓷等非金属材料以及航空结构相关的叠层材料(GLA)。目前，美国、欧洲等发达国家已经发布了在军事制造领域推进先进激光焊接技术研究和应用的国家计划。欧洲空中客车公司是第一家使用激光焊接结构代替传统铆接结构连接飞机铝合金面板和纵梁的航空制造商，未来还将用于焊接A350飞机面板。激光焊接金属夹层板已广泛用于制造导弹舱、大型飞机壁板和轻型船舶的轻型结构部件。与传统的实心结构件相比，重量可减轻50%以上，所需空间可减少2/3。飞机的混合层流控制结构也是未来激光焊接技术的应用对象，德国在这方面进行了研究。这种新型铝锂合金是一种金属结构材料，可以与复合

5、材料竞争飞机重量在发动机结构方面，美国普惠公司完成了涡轮叶片所需部件的自动激光焊接。美国GE公司也成功完成了发动机导叶部件的激光焊接，有效解决了激光焊接中镍基合金零件的变形和裂纹问题。国外也对金属间化合物和记忆合金等特殊材料的激光焊接做了大量的研究工作。我国对大功率激光焊接技术的研究最初是针对拼焊汽车板，现在已经扩展到各个领域。哈尔滨工业大学在产学研相结合的基础上，开展了大量的航天器钛合金和不锈钢轻量化研究，并建立了相关的激光焊接平台。哈尔滨焊接研究所和上海交通大学一直致力于船舶结构激光焊接和激光电弧复合焊接技术的研究。北京航空制造工程研究所以飞机结构激光焊接为核心，与华中科技大学、北京工业大

6、学、Xi交通大学等合作开展激光焊接基础研究。经过十几年的努力，激光焊接技术已经应用到飞机钛合金腹鳍、壁板等结构上。同时，在自主研发的基础上，建立了CO2激光飞行轨迹四轴自动控制激光切割焊接系统和YAG激光焊接机械手自动焊接连接系统。随着光纤激光器的发展，建立了光纤激光器多轴数控双光束激光焊接平台和双机器人双光束激光焊接平台，在国内率先形成了多种大功率激光焊接实验和小批量生产的设备系统。在基础方面，一方面致力于新材料激光焊接技术的基础研究和焊接接头性能及焊接热效率的分析，如钛、3Al、Ti2AlNb和TiNi等金属间化合物的激光焊接；另一方面，对航空结构铝合金和钛合金进行了激光焊接工艺优化、缺陷

7、控制和检测、测量和自动控制，并在焊接冶金和力学性能方面进行了大量的基础研究。不仅建立了激光焊接过程信号检测系统来研究等离子体特性、熔池行为和针孔特性的过程机理，而且开发了钛合金激光活性剂焊接技术等发明专利。在航空工业铝合金和钛合金激光焊接的基础上，将编制五个激光焊接相关工艺标准(H、B)，未来我国航空结构激光焊接工艺标准体系将逐步完善。激光焊接也有其固有的缺点：(1)激光焊接合金增强金属时，由于凝固和结晶，容易形成共晶和晶体，从而导致焊接裂纹，如高强度铝合金；(2)激光焊接过程中小孔的动态不稳定性容易导致焊缝气孔；(3)激光光斑尺寸小，对焊接零件的装配精度要求高。(4)激光焊接高反射材料，激光

8、反射不仅容易造成人身伤害，而且容易损坏激光焊接设备，影响设备运行的可靠性。这些问题是国内外激光焊接工作者和工程技术人员一直致力于的研究课题，从利用激光焊接固有特性的技术创新到激光焊接技术和激光复合热源焊接技术的结合研究，激光焊接技术正在向精密、高效方向发展；激光焊接设备正朝着智能化和信息化方向发展。焊接装配正朝着数字化和柔性化方向发展。激光焊接技术发展的每一步都涉及新材料、新结构和新工艺。在克服现有工程问题的基础上，新材料和新结构的焊接产生了新的科学和工程问题。未来的飞机和发动机更强调长寿命、高机动性、低成本和损伤容限的设计，制造技术对轻量化、集成化结构件制造、新型结构件精密制造、低成本高效率新技术有更强的需求。激光焊接和焊接技术仍将发挥重要作用，其发展趋势是：(1)高效、自动化和智能化的激光焊接，以及电子技术、自动控制技术、传感检测和信息处理。(2)全数字化激光焊接，包括焊接过程模拟、焊接质量监控、焊接可靠性评估和接头结