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第1章绪论-1-第1章绪论1.1引言点焊技术是目前连接薄板搭接接头的一种昀主要的连接方法，作为一种成熟的焊接工艺在各种工业生产中的应用都非常广泛。点焊的种类非常多，有传统的电阻点焊、电弧点焊，也有近几年发展迅速的激光点焊、搅拌摩擦点焊和复合点焊等[1-5]。目前传统的电阻点焊依然是昀主要的点焊方法，例如在一台汽车中就存在3000-4000个电阻点焊焊点，大约需要200-300个点焊机器人。针对不同材料和接头形式，各种点焊方法都有其独特的优势，但也都存在各自的缺点。其中点焊的过程控制和焊点质量判别为昀突出的难点。以电阻点焊为例，焊接参数包括焊接电流、电压，电极压力及形状，脉冲周期等多种参数，因此焊点成形受电、力、热等多种因素的影响，控制起来非常困难。另外由于焊点的封闭性，人们无法从外观判断焊点质量，无损检测手段匮乏，只能通过破坏性检验来判别焊点质量，在生产中就会导致成本增加，工期延长[6-9]。激光点焊技术作为一种新型的点焊方法已经在微电子行业中的连接和封装上得到了规模化的应用，这种点焊技术一般也被称为微连接或微点焊，使用的点焊功率都在几十瓦以下，脉冲持续时间为ms级别[10-12]。近几年，随着大功率激光器的开发和应用，激光点焊技术的应用对象开始由昀初的电子元器件扩大到一些航空产品和汽车工业中的薄板搭接接头的连接上。作为一种新型的点焊方法，激光点焊与传统电阻点焊和新型搅拌摩擦点焊的比较优势如表1-1所示，由于采用激光作为热源，因此焊点深宽比大，变形小，特别是单面非接触式的焊接方法可以极大地增强点焊工艺对产品结构的适应性，提高生产效率。对此德国Fraunhofer激光技术中心专门进行过比较，采用激光点焊技术可以达到每分钟点焊240个焊点，且焊点排布方式更灵活，焊点间距、边距等约束条件的限制有所降低[13]。激光点焊技术所具有的这些独特优势使其可以在很多领域替代传统的点焊方式。由于激光点焊技术在结构件上的应用刚刚起步，因此对于厚度在0.5mm以上的各种材料激光点焊焊接特性和质量监测的研究还不充分。随着应用需求的增加，国内外研究者开始针对激光点焊技术进行了多方面的研哈尔滨工业大学博士学位论文-2-究和开发，目前研究重点主要集中在工艺参数对焊点成形的影响、焊点力学性能、脉冲波形控制焊点内部缺陷、点焊过程质量监测、以及点焊过程数值模拟等几个方面。与激光连续焊接相比，激光点焊时能量集中于一点输入，因此在点焊过程中熔池、匙孔、等离子体等激光焊接特征都处于一个动态变化阶段，造成各种传感信号特征的采集和识别都较为困难，而且焊点内部也容易形成气孔、裂纹等缺陷，因此实现点焊过程质量监测和控制是目前亟待解决的问题。表1-1各种点焊方法的比较Table1-1Comparisonofdifferentspotweldingtechnologies点焊方法点焊方式焊点形态焊接变形自动化程度电阻点焊双面接触封闭式焊点较大较高激光点焊单面非接触熔透焊点较小较高搅拌摩擦点焊单面接触未熔透焊点较小一般1.2激光点焊技术的研究现状激光点焊是以激光作为热源，激光束通过透镜聚焦后作用于工件表面一点位置，通过一定的点焊时间熔化工件形成焊点。激光点焊的主要工艺参数为激光功率和点焊时间，点焊时中也存在一些其它影响因素，例如离焦量、板间间隙、保护气流量等等。由于不同反射率的材料对激光能量的吸收效率存在一些差异，因此不同材料的点焊性能也会有很大的区别[14]。1.2.1激光点焊焊接特性由于都以激光作为热源，因此各种材料的激光点焊焊接特性与激光连续焊接较为类似，一般的黑色金属如低碳钢、不锈钢等材料对激光的吸收性能较好，点焊过程较为稳定。但是由于激光点焊属于定点加热，因此激光点焊时工件某一点位置的热输入量要高于激光连续焊接，这对于一些低熔点材料如铝合金和镁合金来说，激光点焊过程中材料的烧损量较大，容易产生气孔、裂纹、下塌等缺陷，特别是铝合金材料对激光的反射率较高，导致点焊过程的稳定性较差。日本大阪大学的AkiraMATSUNAWA和加拿大滑铁卢大学的Duley等第1章绪论-3-人对激光点焊技术的应用及理论研究进行了总结[15,16]。他们认为激光点焊技术已经展示了其特有的优势，在薄板接头的连接上有很大的应用潜力。图1-1给出了厚度为4mm的碳钢、不锈钢、铝合金和钛合金的对接点焊焊点表面和横截面形貌，他们认为影响焊点成形的主要工艺参数为激光能量、脉冲周期和光斑直径。焊点中也存在一些缺陷，主要为气孔、裂纹和下塌，金属的蒸发损失和飞溅是导致下塌的主要原因。而气孔和裂纹的产生原因则是由于点焊的加热和冷却速度极快，熔池中的气泡无法在匙孔闭合前溢出。图1-1不同材料激光点焊焊点表面和横截面形貌[15]Fig.1-1Surfaceappearanceandcrosssectionoflaserspotweldofvariablematerials由于激光点焊焊点内部的气孔和裂纹缺陷较为严重，因此对于缺陷的形成原因及解决措施的研究文献较多[17-20]。综合各种方法对缺陷的抑制效果来看，调制激光输出脉冲波形是一种较为简便和理想的方法。日本大阪大学焊接研究所的MATSUNAMA教授等人通过X射线监测设备研究了不同脉冲波形作用下的匙孔闭合过程，发现在主脉冲尾部加一段缓降脉冲可以有效的延长匙孔闭合时间，从而使得气泡能够浮出熔池，抑制气孔的产生。结果显示匙孔在激光照射工件2-3ms后产生，然后快速增长，在激光消失2-3ms后匙孔闭合。图1-2显示了矩形波和尾部加缓降脉冲两种点焊方式下的匙孔深度变化曲线，可以看出尾部加缓降脉冲有效的延长了匙孔的闭合时间[21]。在此基础上，英国的GSI公司，日本千叶大学和加拿大滑铁卢大学的焊接研究机构采用缓升、缓降、尖峰、锯齿等多种激光脉冲输出波形对铝合金材料（厚度大于2mm）激光点焊焊点内部的气孔、裂纹缺陷的抑制作用进行了研究[22-24]。他们的研究结果发现特殊的脉冲波形对焊点质量可以起到积极的作用，例如缓升波形可以有效去处材料表面氧化膜，焊后表面显得哈尔滨工业大学博士学位论文-4-较为光滑。后期缓降波形可以抑制气孔的产生。而采用正常矩形波点焊的铝合金焊点内部容易产生横向和纵向两种裂纹，且裂纹一般在焊点中心位置，采用缓降脉冲波形可以起到抑制作用，但是缓降时间太长或太短都不利于减少凝固裂纹，而且主脉冲阶段的峰值功率不宜过高，否则抑制效果会减弱。a)b)图1-2脉冲波形对匙孔深度变化的影响[21]a)矩形波形b)缓降波形Fig.1-2Effectoflaserpulseshapeonvariationofkeyholedeptha)Rectangularpulseshapeb)Ramp-downpulseshape1.2.2激光点焊焊点力学性能激光点焊技术能否在实际生产中得到应用很大程度上取决于焊点的力学性能，包括各种静载性能如拉剪、正拉、撕开和冲击等，也包括焊点的抗疲劳性能。影响焊点力学性能的因素非常多，例如微观组织、焊点几何尺寸、内应力分布等等。目前研究者的关注重点是激光点焊焊点的承载性能能否达到或超过传统的电阻点焊焊点。韩国全南国立大学的Y.S.Yhang和S.H.Lee对低碳钢激光点焊焊点和电阻点焊焊点的抗剪性能和疲劳性能进行了比较[25]，结果表明，焊点抗剪切载荷取决于焊点熔合面面积和熔合面昀大直径；焊点在承受频率为10Hz的低周交变载荷时发生疲劳断裂所需的时间要长与电阻点焊焊点。美国通用公司的P.C.Wang和K.M.Ewing在激光点焊SAE1008钢时也获得了同样的结果[26]。德国汉堡GKSS研究中心的Daneshpour等人对1mm厚TRIP800高强第1章绪论-5-钢搭接接头的激光点焊焊点抗撕开性能进行了研究[27]。结果表明，焊点内部的硬度值明显高于周围母材，焊点在承受撕开载荷时的断裂方式为焊点周边撕裂型断裂，焊点内部的高硬度组织不会降低焊点的撕裂载荷。通过有限元数值模拟发现，焊点具有较强的变形能力，下板的塑性变形程度要高于上板，如图1-3所示。根据上述结果，他们认为对于TRIP800高强钢，激光点焊焊点可以代替传统的电阻点焊。图1-3焊点承受撕开载荷时的塑性应变[27]Fig.1-3Finiteelementsolutionofequivalentplasticstrainvalueat768NloadappliedtotheCPspecimen1.3激光焊接过程信号传感的研究现状目前针对激光点焊过程质量监测的研究还非常少，大多数有关质量监测方面的文献的研究对象还是在微点焊领域，采用的材料也是电子元器件中常用的铜、镍基合金等，点焊时间为毫秒级别，通过采集点焊瞬间的一些传感信号来判别焊点的可靠性。2004年日本大阪大学的Katayama等人建立了激光反射光强和焊接热辐射传感系统，通过分析监测信号与焊点质量的关系，实现了激光点焊纯铜和铝合金过程的反馈控制[28]。点焊过程中的反射光强和热辐射信号如图1-4所示，可以看出随着点焊过程的进行，金属的熔化导致对激光的吸收增大，反射光强逐渐变弱。将这两种信号作为输入，焊点熔合面直径为输出，建立了一个含有三个隐含层的BP神经网络。通过模型判断焊点的大小是否达到预期目标，一旦达到，则关闭激光，从而实现反馈控制。但是模型的输入信号均没有进行处理，含有较多的杂波信号，势必会导致输出误差。利用同样哈尔滨工业大学博士学位论文-6-的控制模型对激光点焊铝合金过程进行研究[29]，发现反射光强曲线存在两个峰值，其中一个峰值对应于匙孔的闭合，而热辐射曲线则随着熔池的扩大不断上升。反射光强能够很好的判别点焊过程是否存在大量飞溅、凹坑和孔洞等现象，而热辐射与焊点抗剪强度存在对应关系。a)b)图1-4激光点焊铜过程的监测信号及神经网络模型[28]a)监测信号b)神经网络预测模型Fig.1-4Monitoringresultsandneuralnetworkoflasermicro-spotweldingofpurecoppera)Monitoringsignalb)Neuralnetworkpredictionmodel对于一些高反射率材料来说，激光初始阶段能否快速熔化材料对于焊点成形有很大影响。材料的反射率不仅仅与其自身物理化学特性有关，表面粗糙度和氧化膜厚度等都有一定的影响。德国纽伦堡大学的IhorMYS等人在点焊之前输出一段脉冲，用于探测焊点位置材料表面对激光的反射光强，然后调节激光输出能量，从而提高了焊点的稳定性。还有一种方式也是在点焊前期加一段脉冲，通过激光的作用改变材料的表面状态，使得各个被焊点对激光的吸收作用相同，实现了使用相同焊接参数焊接表面状态不同的焊点，同样能提高焊点成形的一致性[30]。目前应用于点焊过程质量监测的信号种类有反射光强、热辐射、声信号、熔池振荡频率等等，监测的目的是为了提高点焊过程的稳定性和判别焊后的焊点内部质量[31-34]。但是当材料厚度增加到0.5mm以后，激光点焊过程监测信号的特征会与微点焊时的信号有很大区别，信号的幅度和稳定性都第1章绪论-7-会有很大的改变。目前针对这一厚度材料的点焊监测信号特征的研究内容非常少，但是从热源的角度来说，可以借鉴激光连续焊接过程中所采用的一些监测信号和特征分析方法。考虑到点焊过程中焊点是一个不断长大的过程，因此选用的监测信号必然也是处于动态变化的，而要建立监测信号与焊点质量之间的关系，则信号采集的难易程度与信号的稳定性也是需要考虑的因素。根据国内外有关激光连续焊接过程监测信号的研究结果，视觉传感信号和红外辐射信号是两个比较适合于点焊过程监测的传感信号[35-40]，其中视觉传感的对象包括熔池、匙孔和等离子体形态，红外辐射传感的对象则主要是熔池或熔池外围金属的表面温度。1.3.1激光焊接过程的视觉传感基于视觉传感的监测系统在不同的工业领域中已经广泛应用了很长一段时间。目前工业中使用的大部分视觉传感器为CCD(chargedcoupleddevice)和CMOS(complementarymetal-oxidesemiconductor)传感器，