激光焊接工艺调研报告

1激光焊接工艺调研报告引言21世纪是现代科技高速发展的时代，而激光技术作为目前时代发展中人们所最为瞩目的可击之一，其不仅仅是应用于现代军事领域，同样随着激光技术的日益娴熟以及其本身的制造工艺和应用工艺的普遍化，未来能够在更多的行业得到广泛应用，其中就包括传统制造业。由于传统焊接本身更多是依赖于焊接人员自身的工作经验以及对于焊接目标的目测实现焊接，其往往精度存在一定的偏差性，很难实现高精度项目的作业，而激光焊接无疑能够有效解决这一难题，利用激光技术准确对现有的目标进行准确的焊接，从而大大提升了焊接的准确性和有效性。未来随着工业现代化的迅猛发展，激光焊接技术有着广阔的应用空间。鉴于此，本文主要通过对激光焊接技术的内涵以及分类出发，就目前国内外激光焊接技术研究现状进行综合性、系统性的分析，并由此结合未来制造业发展需求以及激光焊接的特点，对其未来的应用以及发展进行展望。发展历程世界上的第一个激光束于1960年利用闪光灯泡激发红宝石晶粒所产生，因受限于晶体的热容量，只能产生很短暂的脉冲光束且频率很低。虽然瞬间脉冲峰值能量可高达10^6瓦，但仍属于低能量输出。使用钕（ND）为激发元素的钇铝石榴石晶棒（Nd:YAG）可产生1---8KW的连续单一波长光束。YAG激光，波长为1.06uM，可以通过柔性光纤连接到激光加工头，设备布局灵活，适用焊接厚度0.5-6mm。使用CO2为激发物的CO2激光（波长10.6uM），输出能量可达25KW，可做出2mm板厚单道全渗透焊接，工业界已广泛用于金属的加工上。20世纪80年代中期，激光焊接作为新技术在欧洲、美国、日本得到了广泛的关注。1985年德国蒂森钢铁公司与德国大众汽车公司合作，在Audi100车身上成功采用了全球第一块激光拼焊板。90年代欧洲、北美、日本各大汽车生产2厂开始在车身制造中大规模使用激光拼焊板技术。无论实验室还是汽车制造厂的实践经验，均证明了拼焊板可以成功地应用于汽车车身的制造。激光拼焊是采用激光能源，将若干不同材质、不同厚度、不同涂层的钢材、不锈钢材、铝合金材等进行自动拼合和焊接而形成一块整体板材、型材、夹芯板等，以满足零部件对材料性能的不同要求，用最轻的重量、最优结构和最佳性能实现装备轻量化。在欧美等发达国家，激光拼焊不仅在交通运输装备制造业中被使用，还在建筑业、桥梁、家电板材焊接生产、轧钢线钢板焊接（连续轧制中的钢板连接）等领域中被大量使用。世界著名的激光焊接企业有瑞士Soudonic公司、法国阿赛洛钢铁集团、德国蒂森克虏伯集团TWB公司、加拿大Servo-Robot公司、德国Precitec公司等。中国的激光拼焊板技术应用刚刚起步，2002年10月25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TWB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。2003年，国外实现了A318铝合金下壁板结构双光束C02激光填丝焊和YAG激光填丝焊，它代替传统铆结构减轻了飞机机身重量的20%，同时也节约了20%的成本。巩水利认定激光焊接技术将对我国传统航空制造业改造升级产生重大意义。随后他立即申请多项相关预研课题，组织攻关团队，在国内率先将“双光束激光焊接”技术引入到课题研究中，并且从一开始就酝酿要将这项技术用到飞机制造中。中国专家团队向某飞机设计所交底初步技术，向他们推介双光束激光焊接的优越性和可行性。该设计所经多方考证和评估，毅然决定将该技术用于某飞机带筋壁板的制造，实现了最初要把“双光束激光焊接”技术应用到飞机制造的目标，突破了轻质合金激光焊接填丝精度控制等关键技术，集成创新研制了双光束激光填丝复合焊接装置，建立了国内首个大功率双光束激光填丝焊接平台，实现了大型薄壁结构T型接头双光束双侧同步焊接，并首次成功应用于航空带筋壁板关键结构件的焊接制造中，在我国新型飞机研制中发挥了重要作用。32003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。2004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。华工激光法利莱研究开发Walc9030切焊一体机，9×3米超大幅面，是目前世界最大幅面的激光切焊一体化设备。Walc9030是集成了激光切割与激光焊接功能于一体的大幅面切焊设备，设备具有专业的切割头和焊接头，两个加工头共用一个横梁，用数控技术保证其不会互相干涉，设备能够完成同时需要切割与焊接两道工序。先切后焊，先焊后切，激光切割、焊接轻松进行切换，一台设备，两种功能，而不用另外添置新的设备，为应用厂家节约了设备成本，提高了加工效率和加工范围，而且由于切焊一体，加工精度得到了完全的保障，设备性能高效稳定。此外，它攻克了超大板材拼焊过程中板材易产生热变形和如何保持超长飞行光路稳定实现的难关，可以将两块长6米宽1.5米的平面板材一次性焊接完成，焊后表面光滑平整，无需其他后续加工。同时可以切割宽3米长度6米以上的20mm以下的板材，一次成型，无需二次位。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，于2006年9月开发出国内第一套激光拼焊成套生产线，并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。2013年10月，中国焊接专家获得了焊接领域最高学术奖--布鲁克奖。英国焊接研究所(TWI)每年从来自120多个国家的4000余会员单位中推荐提名，最终将该奖项授予一位专家，以表彰其在焊接或连接科学技术与工业应用领域做4出的卓越贡献。这次获奖不仅是对巩水利及其团队的认可，也是对中航工业推动材料连接技术进步的肯定。激光焊接技术是激光材料在加工应用中所涉及到的重要技术之一，其发展最早可追溯至二十世纪六十年代，它是在传统焊接技术的基础上形成和发展起来的，是对传统技术的改革和创新，其焊接效率更高、不易变形、抗电磁干扰能力强、可达性较好。而到了二十世纪七十年代，激光焊接技术被直接应用于低速焊接和薄壁材料焊接，是一种热传导型的焊接，它通过热传导的方式将焊接材料表面的热量迅速传递至内部，并经过一系列内部调控之后，实现了对激光脉冲宽度、能量值、重复频率等参数的有效控制，加工者可以按照自己的个性化需求进行调节，最终完成工件的熔化，从而形成了一个特定的熔池。随着大功率激光器的不断发展，激光焊接技术的应用领域也进一步扩展，越来越多地被应用至微型零件和小型零件等高精密度零件的焊接中。国内外该工艺发展状况及其企业发展状况国外对其研究现状由于国外激光技术以及制造业较为发达，因此他们早在上世纪八十年代就已经逐步开始研究以及分析如何将现代激光技术应用在传统制造业中。以欧盟、美国等西方国家和亚洲的日本为例，他们借助于自身发达的科学技术实力以及良好的制造业基础，在政府合理的引导以及财政支持下，激光焊接技术发展非常快速，特别是进入新世纪以后，已经在许多的制造业和其他行业中能够看到激光焊接结束的应用，包括电子工业、造船工业、汽车工业等等，都能够看到现代激光焊接技术的应用。并且，他们为了能够对整个技术进行合理的应用，已经初步形成了焊接技术的行业标准，从而使得其能够在一个合理可控的范围内得到应用。与此同时，为了进一步提升焊接效率，使得激光焊接技术能够更好地应用于现代大型生产，特别是大型制造业以及建筑业，西方发达国家近年来在积极研究如何提升激光焊接的效率，通过大功率激光器的研究，进一步推动和实现大功率激光焊接技术的实现，由此真正将其应用到大型制造业、建筑业甚至是军事领域，进行潜艇以及军舰的制造。5国内对其研究现状相对于国外成熟的技术而言，我国指导改革开放之后在开始逐步接触和了解激光技术，而直到上世纪九十年代末才开始逐渐将激光技术与传统焊接应用相结合。目前，激光焊接技术研究在国内走在前列的当属哈尔滨焊接研究所。近年来，其除了进一步拓宽和研发新的激光焊接种类以及设备之外，也在积极模仿以及参照国外研究的最新动向，不断寻求大功率激光焊接技术的突破与发展。而最新的研究成果显示，他们成功克服了国内大型构件的焊接难题，这无疑标志着我国在激光焊接技术领域的重大突破，也为未来大型工程重大应用奠定了基础。除此之外，目前国内的激光焊接技术研究还集中在激光热丝焊、异种金属焊等领域，他们都是现代激光焊接技术研究的最新课题。而国外在相关研究领域已经取得了突破，特别是德国已经初步掌握了异种金属焊的技巧和方式，而未来我国要想真正熟练的应用以及掌握激光焊接技术，将其应用到更多的领域以及行业内，无疑就必须要攻破上述课题，要进一步完善以及优化激光焊接技术。总体而言，虽然国内的激光焊接技术与国外目前的研究以及发展进度存在一定的差距，但是随着研究的不断深入，这一差距正在被逐步缩短，未来其必然会被广泛应用于实际生产和生活中。激光拼焊(TailoredBlandLaserWelding)技术在国外轿车制造中得到广泛的应用[6]，据统计，2000年全球范同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，Bulck，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，超薄板焊接，如板厚100~tm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161，在同内苏宝蓉等还进行了齿轮的激光焊接技术[7]。20世纪80年代后期，千瓦级激光器成功应用于T业生产，而今激光焊接生产线已大规模出现在汽车制造业，或为汽车制造业突出的成就之一。9O年代美国通用、6福特和克莱斯特公司竞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，牛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的越来越多，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7万吨，比1998年增加3倍。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[8]。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T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。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[9-11]。激光焊接在电子T业中，特别是微电子工业中得到了广泛的应用[12]。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0．05～0．1mm，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及显示出来的优越性，使更多研究者