激光焊接技術

2016-03-14 13:34:00
sawchina
原創
4504
摘要:按焊接熔池形成的機理區分,激光焊接有兩種基本模式:熱導焊和深熔焊,前者所用激光功率密度較低(105~106W/cm2),工件吸收激光后,僅達到表面熔化,然后依靠熱傳導向工件內部傳遞熱量形成熔池。這種焊接模式熔深淺,深寬比較小。
1.激光焊接的工藝特點 

按焊接熔池形成的機理區分,激光焊接有兩種基本模式:熱導焊和深熔焊,前者所用激光功率密度較低(105~106W/cm2),工件吸收激光后,僅達到表面熔化,然后依靠熱傳導向工件內部傳遞熱量形成熔池。這種焊接模式熔深淺,深寬比較小。后者激光動車密度高(106~107W/cm2),工件吸收激光后迅速熔化乃至氣化,熔化的金屬在蒸汽壓力作用下形成小孔激光束可直照孔底,使小孔不斷延伸,直至小孔內的蒸氣壓力與液體金屬的表面張力和重力平衡為止。小孔隨著激光束沿焊接方向移動時,小孔前方熔化的金屬繞過小孔流向后方,凝固后形成焊縫(圖1)。這種焊接模式熔深大,深寬比也大。在機械制造領域,除了那些微薄零件之外,一般應選用深熔焊。

深熔焊過程產生的金屬蒸氣和保護氣體,在激光作用下發生電離,從而在小孔內部和上方形成等離子體。等離子體對激光有吸收、折射和散射作用,因此一般來說熔池上方的等離子體會削弱到達工件的激光能量。并影響光束的聚焦效果、對焊接不利。通??奢o加側吹氣驅除或削弱等離子體。小孔的形成和等離子體效應,使焊接過程中伴隨著具有特征的聲、光和電荷產生,研究它們與焊接規范及焊縫質量之間的關系,和利用這些特征信號對激光焊接過程及質量進行監控,具有十分重要的理論意義和實用價值。 

由于經聚焦后的激光束光斑?。?.1~0.3mm),功率密度高,比電弧焊(5×102~104W/cm2)高幾個數量級,因而激光焊接具有傳統焊接方法無法比擬的顯著優點:加熱范圍小,焊縫和熱影響區窄,接頭性能優良;殘余應力和焊接變形小,可以實現高精度焊接;可對高熔點、高熱導率,熱敏感材料及非金屬進行焊接;焊接速度快,生產率高;具有高度柔性,易于實現自動化。 

激光焊與電子束焊有許多相似之處,但它不需要真空室,不產生X射線,更適合生產中推廣應用。激光焊接實際上已取得了電子束焊接20年前的地位,成為高能束焊接技術發展的主流。 

2.激光焊接設備 

激光焊接設備主要由激光器、導光系統、焊接機和控制系統組成。 

1.激光器 
用于激光焊接的激光器主要有CO2氣體激光器和YAG固體激光器兩種。兩者優缺點比較如表1所示。 

激光器最重要的性能是輸出功率和光束質量。從這兩方面考慮,CO2激光器比YAG激光器具有很大優勢,是目前深熔焊接主要采用的激光器,生產上應用大多數還處在1.5~6kW范圍,但現在世界上最大的CO2激光器已達50kW。而YAG激光器在過去相當長一段時間內提高功率有困難,一般功率小于1kW,用于薄小零件的微聯接。但是,近幾年來,國外在研制和生產大功率YAG激光器方面取得了突破性的進展,最大功率已達5kW,并已投入市場。由于其波長短,僅為CO2激光的1/10,有利于金屬表面吸收,可以用光纖傳輸,使導光系統大為簡化??梢灶A料,大功率YAG激光焊接技術在今后一段時間內將獲得迅速發展,成為CO2激光焊接強有力的競爭對手。 

2. 導光和聚焦系統 
導光聚焦系統由圓偏振鏡、擴束鏡、反射鏡或光纖、聚焦鏡等組成,實現改變光束偏振狀態、方向,傳輸光束和聚焦的功能。這些光學零件的狀況對激光焊接質量有極其重要的影響。在大功率激光作用下,光學部件,尤其是透鏡性能會劣化使透過率下降;會產生熱透鏡效應(透鏡受熱膨脹焦距縮短);表面污染也會增加傳輸損耗。所以光學部件的質量,維護和工作狀態監測對保證焊接質量至關重要。 

3.激光焊接機 
它的作用是實現光束與工件之間的相對運動,完成激光焊接,分焊接專機和通用焊接機兩種。后者常采用數控系統,有直角坐標二維、三維焊接機或關節型激光焊接機器人。 

3.改善和發展激光焊接的新技術 
以下幾項技術有助擴展激光焊接的應用范圍及提高激光焊接自動控制水平 

l. 填充焊絲激光焊 
激光焊接一般不填充焊絲,但對焊件裝配間隙要求很高,實際生產中有時很難保證,限制了其應用范圍。采用填絲激光焊,可大大降低對裝配間隙的要求。例如板厚2mm的鋁合金板,如不采用填充焊絲,板材間隙必須為零才能獲得良好的成形,如采用φ1.6mm的焊絲做為填充金屬,即使間隙增至1.0mm,也可保證焊縫良好的成形。 

此外,填充焊絲還可以調整化學成分或進行厚板多層焊。 

2. 光束旋轉激光焊 
使激光束旋轉進行焊接的方法,也可大大降低焊件裝配以及光束對中的要求。例如在2mm厚高強合金鋼板對接時,容許對縫裝配間隙從0.14mm增大到0.25mm;而對4mm厚的板,則從0.23mm增大到0.30mm。光束中心與焊縫中心的對準允許誤差從0.25mm增加至0.5mm。 

3.激光焊接質量在線檢測與控制 
利用等離子體的光、聲、電荷信號對激光焊接過程進行檢測,近年來已成為國內外研究的熱點,少數研究成果已達到了閉環控制的程度。圖1是激光焊接質量檢測和控制系統的實例。 

該系統所用傳感器及其功能簡單介紹如下: 

(l)等離子體監測傳感器 
1)等離子體光學傳感器(PS):它的作用是采集等離子體的特征光-紫外光信。 
2)等離子體電荷傳感器(PCS);利用噴嘴做探針檢測由于等離子體帶電粒子(正離子、電子)的不均勻擴散而在噴嘴和工件之間形成的電位差。 

(2)系統功能 
1)識別激光焊接過程屬于何種方式。穩定深熔焊過程,有等離子體,PS、PCS信號均很強; 
穩定熱導焊過程,不產生等離子體,PS、PCS信號幾乎等于零; 
模式不穩定焊過程,等離子體間斷性地產生和消失,相應地PS、PCS信號間斷性地上升和下降。 
2)診斷傳輸到焊接區的激光功率是否正常。當其他參數一定時,PS和PCS信號的強弱與入射到焊接區的功率大小有對應關系。因此,監視PS和PCS信號就可以知道導光系統是否正常,焊接區的功率是否發生了波動。 
3)噴嘴高度自動跟蹤。 PCS信號隨噴嘴-工件距離的增加而減小。利用這一規律進行閉環控制可以保證噴嘴-工作距離不變,實現高度方向的自動跟蹤。 
4)焦點位置自動尋優和閉環控制。在深熔焊范圍內,光束焦點位置發生波動時,PS接收到的等離子體光信號亦隨之變化,以最佳焦點位置處(此對小孔最深)PS信號最小。依據所發現的這個規律,可以實現焦點位置自動尋優與閉環控制,使焦點位置波動小于0.2mm,熔深波動小于0.05mm。 
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