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激光焊接技术及激光焊接机器人简介摘要各种焊接技术及其优缺点激光焊接技术激光焊接的优缺点激光焊接的工艺参数激光焊接的发展激光焊接的应用举例激光焊接机器人各种焊接技术及其优缺点激光焊接技术---------基本工作原理1.引言激光焊接从上世纪60年代激光器诞生不久就开始了研究，从开始的薄小零件或器件的焊接到目前大功率激光焊接在工业生产中的大量的应用，经历了近40年的发展。由于激光焊接具有能量密度高、变形小、热影响区窄、焊接速度高、易实现自动控制、无后续加工的优点，近年来正成为金属材料加工与制造的重要手段，越来越广泛地应用在汽车、航空航天、国防工业、造船、海洋工程、核电设备等领域，所涉及的材料涵盖了几乎所有的金属材料。虽然与传统的焊接方法相比，激光焊接尚存在设备昂贵，一次性投资大，技术要求高的问题，使得激光焊接在我国的工业应用还相当有限，但激光焊接生产效率高和易实现自动控制的特点使其非常适于大规模生产线和柔性制造。2、激光焊接技术的进展在这里分两部分进行分析：1）激光技术2）激光焊接过程监测与质量控制激光的产生原理及特性三要素：激励源，介质，谐振腔。介质受到激发至高能量状态，由于受激吸收跃迁光在两端镜间来回反射，将光波放大，并获得足够能量而开始发射出激光。激光的四性：单色性、相干性、方向性、高亮度因而高度集中的激光可以提供焊接、切割及热处理等功能激光焊接特性激光焊接属于熔融焊接，以激光束为能源，冲击在焊件接头上。激光束可由平面光学元件（如镜子）导引，随后再以反射聚焦元件或镜片将光束投射在焊缝上。激光焊接属非接触式焊接，作业过程不需加压，但需使用惰性气体以防熔池氧化，填料金属偶有使用。激光焊接示意图激光焊接的优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。激光焊接的主要优点（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）焊接薄材或细径线材时，不会像电弧焊接般易有回熔的困扰。（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。激光焊接的工艺参数激光焊接的工艺参数对于一般激光焊接的工艺参数：(1)功率密度。功率密度是激光加工中最关键的参数之一。采用较高的功率密度，在微秒时间范围内，表层即可加热至沸点，产生大量汽化。因此，高功率密度对于材料去除加工，如打孔、切割、雕刻有利。对于较低功率密度，表层温度达到沸点需要经历数毫秒，在表层汽化前，底层达到熔点，易形成良好的熔融焊接。因此，在传导型激光焊接中，功率密度在范围在10^4~10^6W/CM^2。(2)激光脉冲波形。激光脉冲波形在激光焊接中是一个重要问题，尤其对于薄片焊接更为重要。当高强度激光束射至材料表面，金属表面将会有60~98%的激光能量反射而损失掉，且反射率随表面温度变化。在一个激光脉冲作用期间内，金属反射率的变化很大。激光焊接的工艺参数(3)激光脉冲宽度。脉宽是脉冲激光焊接的重要参数之一，它既是区别于材料去除和材料熔化的重要参数，也是决定加工设备造价及体积的关键参数。(4)离焦量。对焊接质量的影响。激光焊接通常需要一定的离做文章一，因为激光焦点处光斑中心的功率密度过高，容易蒸发成孔。离开激光焦点的各平面上，功率密度分布相对均匀。离焦方式有两种：正离焦与负离焦。焦平面位于工件上方为正离焦，反之为负离焦。按几何光学理论，当正负离焦平面与焊接平面距离相等时，所对应平面上功率密度近似相同，但实际上所获得的熔池形状不同。负离焦时，可获得更大的熔深，这与熔池的形成过程有关。实验表明，激光加热50~200us材料开始熔化，形成液相金属并出现问分汽化，形成市压蒸汽，并以极高的速度喷射，发出耀眼的白光。与此同时，高浓度汽体使液相金属运动至熔池边缘，在熔池中心形成凹陷。当负离焦时，材料内部功率密度比表面还高，易形成更强的熔化、汽化，使光能向材料更深处传递。所以在实际应用中，当要求熔深较大时，采用负离焦；焊接薄材料时，宜用正离焦。激光焊接的工艺参数对于激光深熔焊接的主要工艺参数：1)激光功率。激光焊接中存在一个激光能量密度阈值，低于此值，熔深很浅，一旦达到或超过此值，熔深会大幅度提高。只有当工件上的激光功率密度超过阈值（与材料有关），等离子体才会产生，这标志着稳定深熔焊的进行。2)光束焦斑。光束斑点大小是激光焊接的最重要变量之一，因为它决定功率密度。3)材料吸收值。材料对激光的吸收取决于材料的一些重要性能，如吸收率、反射率、热导率、熔化温度、蒸发温度等，其中最重要的是吸收率。4)焊接速度。焊接速度对熔深影响较大，提高速度会使熔深变浅，但速度过低又会导致材料过度熔化、工件焊穿。所以，对一定激光功率和一定厚度的某特定材料有一个合适的焊接速度范围，并在其中相应速度值时可获得最大熔深。激光焊接的工艺参数5)保护气体。激光焊接过程常使用惰性气体来保护熔池。大多数应用场合则常使用氦、氩、氮等气体作保护，使工件在焊接过程中免受氧化。6)透镜焦距。焊接时通常采用聚焦方式会聚激光，一般选用63~254mm(2.5”~10”)焦距的透镜。7)焦点位置。焊接时，为了保持足够功率密度，焦点位置至关重要。焦点与工件表面相对位置的变化直接影响焊缝宽度与深度。8)激光束位置。对不同的材料进行激光焊接时，激光束位置控制着焊缝的最终质量，特别是对接接头的情况比搭接结头的情况对此更为敏感。9)焊接起始、终止点的激光功率渐升、渐降控制。激光深熔焊接时，不管焊缝深浅，小孔现象始终存在。当焊接过程终止、关闭功率开关时，焊缝尾端将出现凹坑。另外，当激光焊层覆盖原先焊缝时，会出现对激光束过度吸收，导致焊件过热或产生气孔。焊接速度、焊缝深度与激光功率关系焊接速度、焊缝深度与焦距关系焊接速度、焊缝深度与光束偏振方向关系焦点半径、焊接速度对焊缝截面影响激光焊接基本接头形式激光焊接的应用激光焊接的应用领域1、制造业应用拼焊板是将几块不同材质、不同厚度、不同涂层的钢材用激光把边部对焊，焊接成一块整体板，以满足零部件对材料性能的不同要求。从20世纪80年代中期开始，拼焊板作为新技术在欧洲、美国、日本得到了广泛的关注。拼焊板工艺主要是为汽车行业进行配套服务，尤其在车身零部件生产、制造和设计方面，拼焊板的使用有着巨大的优势。激光拼焊可以最大限度地减少汽车零件数量、减轻汽车重量、优化零部件的公差和降低成本，同时又可保证汽车的性能，代表了汽车新技术的发展方向。激光焊接的发展激光焊接技术激光焊接的发展---激光填丝焊接激光填丝焊接是指在焊缝中预先填入特定焊接材料后用激光照射熔化或在激光照射的同时填入焊接材料以形成焊接接头的方法。激光填丝焊接与非填丝焊接相比,具有如下优点:(1)解决了对工件加工装配要求严格的问题;(2)可实现较小功率焊接较厚较大零件;(3)通过调节填丝成分,可控制焊缝区域组织性能。激光焊接的发展---激光电弧复合焊接这种复合焊接主要指激光与TIG或MIG电弧复合焊接。在这种工艺中,激光和电弧相互作用、取长补短。例如,激光焊接的能量利用率低的重要原因是焊接过程中产生的等离子体云对激光的吸收和散射,且等离子体对激光的吸收与正负离子密度的乘积成正比;•如果在激光束附近外加电弧,电子密度显著降低,等离子体云得到稀释,对激光的消耗减小,工件对激光的吸收率提高。而且由于工件对激光的吸收率随温度的升高而增大,电弧对焊接母材接口进行预热,使接口开始被激光照射时的温度升高,也使激光的吸收率进一步提高。•这种效果尤其对于激光反射率高、导热系数高的材料更加显著激光焊接的发展---激光电弧复合焊接在激光焊接时,由于热作用和影响区很小,焊接端面接口容易发生错位和焊接不连续现象;峰值温度高,温度梯度大,焊接后冷却、凝固很快,容易产生裂纹和气孔。而在激光与电弧复合焊接时,由于电弧的热作用范围、热影响区较大,可缓和对接口精度的要求,减少错位和焊接不连续现象;而且温度梯度较小,冷却、凝固过程较缓慢,有利于气体的排除,降低内应力,减少或消除气孔和裂纹。由于电弧焊接容易使用添加剂,可以填充间隙,采用激光电弧复合焊接的方法能减少或消除焊缝的凹陷。激光焊接的发展---激光电弧复合焊接TIG焊（惰性气体钨极保护焊）钨极氩弧焊具有下列优点：1）氩气能有效地隔绝周围空气；它本身又不溶于金属，不和金属反应；钨极氩弧焊过程中电弧还有自动清除工件表面氧化膜的作用。因此，可成功地焊接易氧化，氮化、化学活泼性强的有色金属、不锈钢和各种合金。2）钨极电弧稳定，即使在很小的焊接电流（＜10A）下仍可稳定燃烧，特别适用于薄板，超薄板材料焊接。3）热源和填充焊丝可分别控制，因而热输入容易调节，可进行各种位置的焊接，也是实现单面焊双面盛开的理想方法。4）由于填充焊丝不通过电弧，故不会产生飞溅，焊缝成形美观。激光焊接的发展---激光电弧复合焊接不足之处是：1）熔深浅，熔敷速度小，生产率较低。2）钨极承载电流的能力较差，过大的电流会引起钨极熔化和蒸发，其微粒有可能进入熔池，渣成污染（夹钨）。3）隋性气体（氩气、氦气）较贵，和其它电弧焊方法（如手工电弧焊、埋弧焊、CO2气体保护焊等）比较，生产成本较高。激光与TIG复合焊接的特点是:(1)利用电弧增强激光的作用,可用小功率激光器代替大功率激光器焊接金属材料;(2)可高速焊接薄件;(3)可改善焊缝成型,获得优质焊接接头;(4)可缓和母材焊接端面接口精度要求。激光焊接的发展---激光钎焊激光焊接的发展---激光钎焊激光软钎焊主要用于印刷电路板的焊接，尤其实用于片状元件组装技术。采用激光软钎焊与其它方式相比有以下优点：1.用非接触加热，熔化带宽，不需要任何辅助工具，可在双面印刷电路板上双面元件装备后加工。2.重复操作稳定性好。焊剂对焊接工具污染小，且激光照射时间和输出功率易于控制，激光钎焊成品率高。3.激光束易于实现分光，可用半透镜、反射镜、棱镜、扫描镜等光学元件进行时间与空间分割，能实现多点同时对称焊。4.激光钎焊多用波长1.06um的激光作为热源，可用光纤传输，可以在常规方式不易焊接的部位进行加工，灵活性好。激光焊接的应用举例汽车制造业、船舶制造航空航天激光焊接应用——汽车制造汽车制造业发展趋势激光焊在汽车制造中应用形式激光拼焊汽车传动零部件激光焊接汽车传动零部件激光焊接用激光可以焊接一些要求强度高、变形小,用传统方法无法焊接的特种材料的汽车零部件激光加工应用——船舶制造造船采用高功率激光焊接的优点焊接生产