激光焊接技术应用及其发展

激光焊接技术应用及其发展
激光焊接的质量与特点：
激光焊接是将高强度的激光辐射至金属表面, 通过激光与金属的相互作用,金属吸收激光转化为热能，使金属熔化后冷却为结晶，从而形成焊接。激光焊接的机理有两种: (1) 热传导焊接; (2)激光深熔焊。
激光焊接的优缺点：
激光焊接作为新型的焊接方式，正逐渐普及，但是它在拥有大量优点的同时，不可避免的就会出现一些缺点。
激光焊接的主要优点 （1）可将入热量降到最低的需要量，热影响区金相变化范围小，且因热传导所导致的变形亦最低；
（2）32mm板厚单道焊接的焊接工艺参数业经检定合格，可降低厚板焊接所需的时间甚至可省掉填料金属的使用；
（3）不需使用电极，没有电极污染或受损的顾虑。且因不属于接触式焊接制程，机具的耗损及变形接可降至最低；
（4）激光束易于聚焦、对准及受光学仪器所导引，可放置在离工件适当之距离，且可在工件周围的机具或障碍间再导引，其他焊接法则因受到上述的空间限制而无法发挥；
（5）工件可放置在封闭的空间（经抽真空或内部气体环境在控制下）；
（6）激光束可聚焦在很小的区域，可焊接小型且间隔相近的部件；
（7）可焊材质种类范围大，亦可相互接合各种异质材料；
（8）易于以自动化进行高速焊接，亦可以数位或电脑控制；
（9）焊接薄材时，不会像电弧焊接那样容易有回熔的困扰；
（10）不受磁场所影响（电弧焊接及电子束焊接则容易），能精确的对准焊件；
（11）可焊接不同物性（如不同电阻）的两种金属；
（12）不需真空，亦不需做X射线防护；
（13）若以穿孔式焊接，焊道深一宽比可达10:1；
（14）可以切换装置将激光束传送至多个工作站。
激光焊接的主要缺点
（1）焊件位置需非常精确，务必在激光束的聚焦范围内；
（2）焊件需使用夹治具时，必须确保焊件的最终位置需与激光束将冲击的焊点对准;
（3）最大可焊厚度受到限制渗透厚度远超过19mm的工件，生产线上不适合使用激光焊接；
（4）高反射性及高导热性材料如铝、铜及其合金等，焊接性会受激光所改变；
（5）当进行中能量至高能量的激光束焊接时，需使用等离子控制器将熔池周围的离子化气体驱除，以确保焊道的再出现；
（6）能量转换效率太低，通常低于10%；
（7）焊道快速凝固，可能有气孔及脆化的顾虑；
（8）设备昂贵。
激光焊接的应用领域： 1、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。国内生产的引进车型Passat，Buick，Audi等也采用了一些剪裁坯板结构。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100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。日本还在世界上首次成功开发了将YAG激光焊用于核反应堆中蒸气发生器细管的维修等，在国内苏宝蓉等还进行了齿轮的激光焊接技术。
2、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，采用激光焊接可以提高焊接强度以及耐高温性能。
3、汽车工业
20世纪80年代后期，千瓦级激光成功应用于工业生产，而今激光焊接生产线已大规模出现在汽车制造业，成为汽车制造业突出的成就之一。德国奥迪、奔驰、大众、瑞典的沃尔沃等欧洲的汽车制造厂早在20世纪80年代就率先采用激光焊接车顶、车身、侧框等钣金焊接，90年代美国通用、福特和克莱斯勒公司竟相将激光焊接引入汽车制造，尽管起步较晚，但发展很快。意大利菲亚特在大多数钢板组件的焊接装配中采用了激光焊接，日本的日产、本田和丰田汽车公司在制造车身覆盖件中都使用了激光焊接和切割工艺，高强钢激光焊接装配件因其性能优良在汽车车身制造中使用得越来越多，根据美国金属市场统计，至2002年底，激光焊接钢结构的消耗将达到70000t比1998年增加3倍。根据汽车工业批量大、自动化程度高的特点，激光焊接设备向大功率、多路式方向发展。在工艺方面美国Sandia国家实验室与PrattWitney联合进行在激光焊接过程中添加粉末金属和金属丝的研究，德国不莱梅应用光束技术研究所在使用激光焊接铝合金车身骨架方面进行了大量的研究，认为在焊缝中添加填充余属有助于消除热裂纹，提高焊接速度，解决公差问题，开发的生产线已在奔驰公司的工厂投入生产。
4、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0.05-0.1mm，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，影响因素多而采用激光焊接效果很好，得到广泛的应用。
5、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[13]用激光焊接输卵管和血管的成功焊接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，并推广到其他组织的焊接。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、剂量及其对功能恢复以及激光焊料的选择等方面的研究，刘铜军进行了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。
6、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、HEl30合金、Li-ion电池等激光焊接，德国玻璃机械制造商GlamacoCoswig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:
1 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。
2 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。
3 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二氧化碳激光器和脉冲Nd:YAG 激光器,对于二氧化碳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,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。
相信在今后的工业生产中，激光焊接技术会占据越来越大的比重，而激光技术也将引领工业进入一个新的天地。