激光焊接技术的研究现状与展望

材料制备与加工1目录目录................................................................................................................................1摘要................................................................................................................................2引言................................................................................................................................21采用激光技术的焊接工艺........................................................................................31.1激光焊接的模式.............................................................................................31.2激光焊接的焊缝形状及组织性能.................................................................31.3激光焊接的优缺点.........................................................................................32国内外激光焊接的研究现状....................................................................................42.1激光器的研究现状.........................................................................................42.2等离子体控制的研究现状.............................................................................52.3焊接过程自动检测的研究现状.....................................................................5参考文献........................................................................................................................6材料制备与加工2激光焊接技术的研究现状与展望摘要激光技术在制造业中的应用是目前各国的研究重点,随着工业发展对高效、环保、自动化的需要,激光技术的应用迅速普及制造业的许多领域。在此基础上,激光焊接工艺将成为激光应用的重要方面之一。本文概述了激光焊接的发展现状,简单介绍了采用激光技术进行焊接的基本原理及其优缺点。详细描述了激光器的研发、等离子体控制、焊接过程的自动化检测和各种先进激光焊接技术。通过介绍激光焊接在具体领域(如汽车业、造船业等)的应用,充分说明激光技术在焊接制造中的优越性,并对激光焊接的发展前景做了具体的展望。引言激光焊接是激光加工技术应用的重要内容,更是21世纪最受瞩目、最有发展前景的焊接技术。早在上世纪末,欧美各国就已把激光焊接充分应用到工业生产中,我国在加快对激光焊接技术的研究与开发的同时,逐步建立起一个“产、学、研”相结合的发展体制,并在个别领域有了较大的突破。随着工业制造的发展,高效、敏捷、环保的加工技术将倍受青睐。激光焊接以其高能束的聚焦方式,在焊接过程中能实现深熔焊、快速焊等其他焊接工艺较难实现的形式,特别是激光焊接设备搭配灵活,实时在线检测技术成熟,使其能够在大批量生产中实现高度自动化,目前已有大量的激光焊接生产线投入工业生产。实践证明,激光焊接在加工业的应用范围十分广泛,基本上传统焊接工艺可以使用的领域,激光焊接都能胜任,并且焊接质量更高,加工效率更快。材料制备与加工31采用激光技术的焊接工艺激光焊接是利用激光的辐射能量来实现有效焊接的工艺,其工作原理是:通过特定的方式来激励激光活性介质(如CO2和其他气体的混合气体、YAG钇铝石榴石晶体等),使其在谐振腔中往复振荡,从而形成受激辐射光束,当光束与工件接触时,其能量被工件吸收,在温度达到材料熔点时便可进行焊接。1.1激光焊接的模式激光焊接可分为热传导焊和深熔焊,前者的热量通过热传递向工件内部扩散,只在焊缝表面产生熔化现象,工件内部没有完全熔透,基本不产生汽化现象,多用于低速薄壁材料的焊接;后者不但完全熔透材料,还使材料汽化,形成大量等离子体,由于热量较大,熔池前端会出现匙孔现象。深熔焊能够彻底焊透工件,且输入能量大、焊接速度快,是目前使用最广泛的激光焊接模式。1.2激光焊接的焊缝形状及组织性能由于激光器产生的聚焦光斑面积较小,其作用在焊缝周围的热影响区也比普通焊接工艺的小得多,且激光焊接一般不需填充金属,因此焊缝表面连续均匀、成形美观,无气孔、裂纹等表面缺陷,非常适合于对焊缝外形要求严格的场合。虽然聚焦的面积比较小,但激光束的能量密度大(普遍达103~108W/cm2)。焊接过程中,金属被加热和冷却的速度非常快,熔池周围温度梯度比较大,使其接头强度往往高于母材,相反地接头塑性则相对较低。目前,已经可以通过双焦点技术或复合焊接技术来改善接头质量。1.3激光焊接的优缺点激光焊接之所以受到如此高的重视,在于其特有的诸多优点:①采用激光焊接可以获得高质量的接头强度和较大的深宽比,且焊接速度比较快。②由于激光焊接不需真空环境,因此通过透镜及光纤,可以实现远程控制与自动化生产。③激光具有较大的功率密度,对难焊材料如钛、石英等有较好的焊接效果,并能对不同性材料制备与加工4能材料施焊。当然,激光焊接也存在不足之处:①激光器及焊接系统各配件的价格较为昂贵,因此初期投资及维护成本比传统焊接工艺高,经济效益较差。②由于固体材料对激光的吸收率较低,特别是在出现等离子体后(等离子体对激光具有吸收作用),因此激光焊接的转化效率普遍较低(通常为5%~30%)。③由于激光焊接的聚焦光斑较小,对工件接头的装备精度要求较高,很小的装备偏差就会产生较大的加工误差。随着激光焊接的普及应用和激光器的商品化生产,激光设备的价格明显下降。而大功率激光器的发展和新型复合焊接方式的研发与运用,使激光焊接转化效率低的缺点也得到改善,相信不久的将来,激光焊接将逐步代替传统焊接工艺(如电弧焊和电阻焊),成为工业焊接的主要方式。2国内外激光焊接的研究现状2.1激光器的研究现状现有的激光器多以CO2激光器、YAG激光器和半导体激光器为主,特别是CO2激光器和Nd:YAG激光器,由于研发较早,技术较完善,在各领域的应用已经相当广泛。其中,CO2激光器属于气体激光器,其激光活性介质是碳酸气、氮气、氦气等的混合气体,发射光的波长为10.6μm,一般以连续方式工作,电-光转化效率为10%~30%,其输出功率一般为0.5~50kW;Nd:YAG激光器属于固体激光器,其激光活性介质是掺有钕(Nd)的钇-铝-石榴石(YAG)晶体,发射光的波长为1.06μm,可以用脉冲和连续2种方式输出,电-光转化效率为3%~10%,其输出功率主要为0.1~5kW[1]。虽然Nd:YAG激光器的输出功率和电-光转化效率比CO2激光器低得多,但由于其发射光波长较短,材料对其光束的吸收率较高,对高反射率的材料(如铝合金与铜合金等)具有较好的焊接效果,特别是Nd:YAG激光器可以采用光纤进行传输,能够与机器人加工系统很好匹配,有利于实现远程控制和自动化生产,因此在激光焊接中占有重要的地位。材料制备与加工52.2等离子体控制的研究现状众所周知,等离子体的出现,是激光焊接所面临的最大问题。激光的高能量密度,不但能使金属熔化,还能使金属汽化(能量密度超过106W/cm2时),当汽化后的金属在空气中与激光束接触时,会出现电离现象,大量等离子体便由此产生。等离子体不但能够吸收和散射激光束,还能折射激光,使光斑聚焦的位置出现偏离,严重影响激光的焊接效果。因此,减少等离子体的出现,是优化激光焊接的最有效方式。日本的YArata发明了LSSW(激光摆动法)[8],即光束沿焊接方向迅速地来回摆动,时间控制在匙孔出现后与等离子体出现之前,避免了等离子体的产生。2.3焊接过程自动检测的研究现状无论采用哪种焊接工艺,均会产生废品,目前,工业制造中对产品质量的控制更多的是采用实时监控技术,而不是焊后处理技术。因此焊接过程的实时监控,便成了激光焊接实现自动化的研究重点。JShao和YYan对激光焊接过程声信号和光信号的检测进行了系统的阐述,并给出了检测系统的设计方案。Li和Steen等人设计了一个绝缘喷嘴来检测等离子体的动态电信号,试验结果表明:信号的强度随熔深的增大而增强。国内高向东等人采用视觉传感技术,通过计算机图像处理,有效地提取焊接过程的各种信息,并最终实现自动化控制。YoungWhanPark等人采用UV和IR探测器来检测等离子体的紫外线辐射和红外线辐射,并成功地将UV和IR的辐射信号与焊接质量联系起来,实现了焊接过程的在线检测。WSChang和SJNa利用数学模型来研究焊接过程中对热源控制的重要性,试验证明通过对热源的控制(如聚焦位置、激光功率)能够有效地评估焊接质量。SDixon等人则采用电磁声学转换器(EMAT)来实现激光焊接过程的超声波检测,试验证明材料内部产生的超声波能够反应熔深不足、裂痕的出现、气孔的产生等焊接缺陷。目前国内外的研究结果显示:可供激光焊接过程实时检测的信号有声信号、光信号、电信号、紫外/红外辐射信号和超声波信号等。材料制备与加工6参考文献[1]陈彦宾.现代激光焊接技术[M].北京:科学出版社,2005.[2]刘必利,谢颂京,姚建华.激光焊接技术应用及其发展趋势[J].激光与光电子学进展,2005,42(9):43-46.[3]Trumpf.Trudiskdisklasers,Truflow8000-Truflow20000[EB/OL].[4]金石凯.10~20kW横流CO2激光器[EB/OL].=20,2007-08-08.[5]邹意会,张荣康.20kW级高功率CO激光器[J].激光与光电子学进展,1996,33(2):19-24.[6]QuintinoL,CostaA,MirandaR,etal.Weldingwithhighpowerfiberlasers-Apreliminarystudy[J].MaterialsandDesign,2007,(28):1231-1237.[7]IPG.YLR-HPSeries:1~50kWYtterbiumfiberlasers[EB/OL].[8]胡昌奎,陈培锋,黄涛.激光深熔焊接光致等离子体行为及控制技术[J].激光杂志,2003,24(5):78-80.[9]TseHC,ManHCandYueTM.Effectofmagneticfieldonplasmacontroldur