激光焊的应用与发展

2017-2018-1学期XXXXX学院《特种焊接技术》课程报告学院：机械与汽车工程学院专业：材料成型及控制工程学生：学号：指导教师：完成日期年月日1激光焊的应用与发展摘要：激光焊因其具有高能量密度、深穿透、高精度、适应性强等优点而受到各发达国家的高度重视，目前在很多高新技术领域中都得到了广泛的应用，尤其是激光焊接技术已在多种制造业中如电气电子工业、汽车、钢铁、重工业、建筑机械及维修技术等方面得到应用。文章主要分析了激光焊的原理及其在实际生产中的应用与发展。激光焊接作为一种高质量、高精度和高速度的先进焊接法，已引起了广泛关注。关键词：激光焊特点发展应用改善1概述1.1激光焊定义激光焊是以聚焦的激光束作为能源轰击焊件所产生的热量进行焊接的一种高效精密的焊接方法。激光焊接是激光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。由于其独特的优点，已成功应用于微、小型零件的精密焊接中。1.2激光焊的原理激光焊接时，激光照射到被焊接材料的表面，与其发生作用，一部分被反射，一部分进入材料的内部。激光焊接的原理:光子轰击金属表面形成蒸汽，蒸发的金属可防止剩余能量被金属反射掉。如果被焊金属有良好的导热性能，则会得到较大的熔深。激光在材料表面的反射、透射和吸收，本质上是光波的电磁场与材料相互作用的结果。激光的光波入射材料时，材料中的带电粒子依着光波电矢量的步调振动，使光子2的辐射变成了电子的动能。物质吸收激光后，首先产生的是某些质点的过量能量，如自由电子的动能、束缚电子的激发能或者还有过量的声子。这些原始激发能经过一定的过程再转化为热能。激光加工时，材料吸收的光能转换是在极短的时间(约为10～9s)内完成的。在这个时间内，热能仅仅局限于材料的激光辐照区，而后通过热传导，热能由高温区传向低温区[1]。2激光焊的分类一，按控制方式可分：手动式激光焊接机，自动激光焊接机，振镜式激光焊接机。二，按激光器可分：YAG激光焊接机，半导体激光焊接机，光纤激光焊接。激光焊接有两种基本模式：激光热导焊和激光深熔焊，前者所用激光功率密度较低（105～106W/cm2），工件吸收激光后，仅达到表面熔化，然后依靠热传导向工件内部传递热量形成熔池。这种焊接模式熔深浅，深宽比较小。后者激光功率密度高（106～107W/cm2），工件吸收激光后迅速熔化乃至气化，熔化的金属在蒸汽压力作用下形成小孔激光束可直照孔底，使小孔不断延伸，直至小孔内的蒸气压力与液体金属的表面张力和重力平衡为止。小孔随着激光束沿焊接方向移动时，小孔前方熔化的金属绕过小孔流向后方，凝固后形成焊缝。这种焊接模式熔深大，深宽比也大。在机械制造领域，除了那些微薄零件之外，一般应选用深熔焊。深熔焊过程产生的金属蒸气和保护气体，在激光作用下发生电离，从而在小孔内部和上方形成等离子体。等离子体对激光有吸收、折射和散射作用，因此一般来说熔池上方的等离子体会削弱到达工件的激光能量。并影响光束的聚焦效果、对焊接不利。通常可辅加侧吹气驱除或削弱等离子体。小孔的形成和等离子体效应，使焊接过程中伴随着具有特征的声、光和电荷产生，研究它们与焊接规范及焊缝质量之间的关系，和利用这些特征信号对激光焊接过程及质量进行监控，具有十分重要的理论意义和实用价值[2]。33激光焊的应用激光焊接与其它传统焊接工艺相比，有着许多优点。其最主要的优势之一就是能够将激光束集中于非常狭小的区域，从而产生高能量密度的热源，随后，该集中热源快速扫过被焊接缝，在这方面，激光束焊接可与电子束焊接相比拟，但激光焊接却有着优于电子束焊接的特点，即激光焊接可在大气压下进行，而无需真空室。通过视窗、透镜及光纤，可以实现远程位置与多工作台的激光焊接，而且，激光焊接还可以在焊条和电子束无法达到的三维构件内部细微区域中实施。与电子束焊接类似，激光焊接可以实现单面焊接双面成形，复层结构也可采取单面激光焊接，所以，对于那些用其它方法需从双面焊接的接头，如果采用激光焊接工艺，则可从单面施焊。这种灵活性开辟了接头设计的许多新思想，特别是针对某些包含不可接触表面的构件。3.1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了。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。90年代美国通用、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。43.2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吧。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。3.3电子工业激光焊接在电子T业中，特别是微电子工业中得到了广泛的应用。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0.05~0.1nm，采用传统焊接方法难以解诀，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。3.4生物医学生物组织的激光焊接始于20世纪70年代，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，目前同内外的研究主要集中在激光波长、剂量及对功能恢复及徼光焊料选择等方面，刘铜军在激光焊接小血管及皮肤咿等基础研究的基础上又对大白鼠胆总管进行了焊接研究。激光焊接疗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牛长等优点，将在以后的生物医学5中得到更广泛的应用。3.5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”、Li-ionl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[3]。4不足之处·缺少关于厚板焊接和材料合成的激光焊接参数研究。·创建激光焊择优参数的交互式计算机辅助数据库。·研究激光焊接厚板金属焊缝和材料合成方面的机械性能。·运用焊条、焊丝、焊剂、粉末或带极等填充金属来优化弥合根部间隙的能力。·测定激光焊接厚板金属接头的疲劳强度特征。·更加灵活、方便携带激光系统。·不能焊接表面覆盖层的接头。·发展提高激光焊接效率的新技术（比如预热、吸收覆层等）。5激光焊的发展趋势5.1镁合金激光焊镁合金具有质轻、环保等特性，被誉为２１世纪绿色工程材料，在汽车、摩托车、航天航空等领域有着广泛的应用前景，但焊接问题已经成为制约其应用的关键。和其他熔焊方法相比激光焊具有焊缝熔深大、接头性能优良等特点，是镁合金焊接的理想方法之一。目前，两类典型的工业激光器，即ＣＯ２和Ｎｄ…ＹＡＧ激光器都已用于镁合金焊接的研究。系统分析了镁合金激光焊的工艺方6法、焊接材料、接头性能（主要为力学性能与腐蚀性能）以及冶金缺陷（主要有气孔和裂纹），综述了近年来国内外镁合金激光焊接的研究现状，并对镁合金激光焊研究及应用的发展趋势进行了展望[4]。5.2铝合金激光焊铝合金具有质量轻、比强度高、无磁性、耐锈蚀、热稳定性好、易成形、再生性好和结构简单等优点，在各种焊接结构和产品中具有很好的应用前景。由于铝合金的化学活泼性很强，表面极易形成氧化膜，且具有难熔性质，加之铝合金导热性强，焊接时容易造成不熔合现象；同时，氧化膜可以吸收较多的水分，从而导致焊缝气孔的形成；此外，铝合金的线膨胀系数大，导热导电性强，焊接时容易产生咬边、翘曲变形等缺陷，并且焊后接头力学性能下降。因此，提高铝合金的焊接技术，研究、开发新的铝合金焊接方法，成为决定铝合金在诸多领域用的关键技术之一。与传统的TIG焊、MIG焊相比，激光焊接具有焊接质量高、精度高、速度快的特点，被誉为21世纪最有希望的焊接方法，也是当前发展最快、研究最多的方法之一。近年来，焊接工作者们研究探讨了多种应用激光热源进行铝合金焊接的新方法[5]。激光焊、电弧强化激光焊、双束激光焊、顺序电弧激光焊、激光辅助焊接都是新发展的激光焊接技术，对其研究在很大程度上解决了铝合金焊接中存在的诸多问题。随着新技术的不断成熟，必定为镁、铝合金在各领域的广泛应用提供更坚实的技术保障。6总结激光焊接技术是先进制造方法之一，可能取代现有的熔焊及火焰切割方法，甚至部分机加工方法。激光焊接机器人及便携式激光焊接机是激光技术的重要方向。激光电弧联合焊是一种具有重大前途的工艺方法。研制大功率先进的激光器，将是发展激光焊接、切割及加工的重要方向。7参考文献：[1]母晓红,牛旭,惠文.激光焊的原理及其应用研究[J].科技创新报,2009,(8),5.[2]=激光焊.[3]胡伦骥,刘建华,汤漾平等.宽板激光拼接技术及设备.应用激光,2002,22(2):188~192[4]全亚杰.镁合金激光焊的研究现状及发展趋势[J].激光与光电子学进展,2012,49(05):5-15.[7]宋东风,胡绳荪,马力.铝合金激光焊接技术的发展现状[J].电焊机,2004,(09):1-3.