激光焊接技術應用及其發展趨勢

2018-11-26 11:27:00
陸啟蒙
原創
6862
摘要:論述了激光焊接工藝的特點, 激光焊接在汽車工業、 微電子工業、 生物醫學等領域的應用以及研究現狀, 激光焊接的智能化控制, 需進一步研究與探討的問題。

1 引言

激光焊接是激光加工技術應

用的重要方 面之 一,20 世紀 70 年代主 要用 于 焊接 薄壁材料和低速焊接,焊接 過程屬于熱傳導型 ,即激光加 熱工 件表面 ,熱量通過熱傳導向內部擴散 ,通過 控制激光 脈沖的寬度 、能 量、峰值功率和 重 復率等 參數 ,使工 件熔 化,形成 特 定 的熔池 。激光焊接 作為一 種高質量 、高精度 、低變形 、高效率和高速度的焊接方 法,隨著高功率 CO 2 和高功率 YAG 激光 器以及光 纖傳輸 技術的 完善 、金 屬鉬 焊接 聚束 物鏡 等的研制 成功 ,其 在 機械 制 造 、航空、航天 、汽車工業、 粉末冶 金、生物醫學、微電子 行業等領域的應用 越來越廣 。目前 的研究 主要集中于 CO 激光 和 YAG 激光焊接 各種 金 屬材料時 的理論,包括 激光 誘發 的等 離子體發 光、吸收 、散射 特性、激光焊接智能化控制、 復 合焊接、 激光焊接現 象 及 小孔 行為、焊接 缺陷 發 生機理 與防止 方法等。并對鎳 基耐熱合金、 鋁 合金及 鎂合金的焊接 性,焊接現 象 建模 與數值 模擬 ,鋼鐵 材料、銅 、鋁合金與 異種材料 的連接,激光接 頭性 能 評價 等方 面 做 了 廣泛的研究 。

2 激光焊接的質量與特點

激光焊接是 將 高 強 度 的激光輻射至 金 屬表面 ,通過 激光與金 屬的相互 作 用,金屬吸收 激光 轉化為熱 能 使金 屬熔 化 后冷卻結晶 形成焊接。 圖1 顯示 在不同 的 輻射功率密度下 熔 化過程的 演 變階段 ,激光焊接的 機理 有兩 種 :(1) 熱傳導 焊接;(2)激光 深 熔焊。

2.1 激光焊接的焊縫形狀對于 大功率 深熔焊由 于在焊 縫熔池處的熔化金 屬,由于材料 的瞬時汽化而形成深穿 型的圓孔空腔,隨著激光 束與工 件的相對運動 使小孔周邊金屬不斷 熔化、流動、封閉、凝固而形成 連續焊 縫,其焊縫形狀深而窄 ,即具有較 大的 熔深熔寬比,在高功率器件焊接 時,深寬比可達 5:1,最高可達 10:1。

圖 2 顯示四 種焊法在 316不銹鋼 及 DUCOL W30 鋼上 的焊 縫截面形狀的比較 ,對比 的結論有以下幾點:

(1)激光焊與電子 束焊、鎢極惰性氣體 電弧焊(TIG) 、等離子焊的 主要優點相似:焊縫窄、穿透性強、焊縫兩邊平 行 、熱影響區小 ;

(2)電弧焊和等離 子焊 投資少,廣 泛應用了 很多年,經驗比較 多;

(3)激光焊 和電子 束焊須在真空或局部真空中進 行,也可在空氣中,但電子 束穿透 能力比激光差;

(4) 激光焊 和電子 束焊,焊縫窄 且熱影響區小 ,因而變形小。

2.2

激光焊接焊縫的組織性能大功率 激光焊接, 因其 能量密度 極高,被 焊工 件經受快 速加熱和冷卻 的反復作 用,使得 焊縫和熱 影響區 域極窄 ,硬度遠遠 高于 母材,該區 域的 塑性相對較 低。為了 降低接 頭區 域的 硬度, 應 采取 焊接 前預熱和 焊后回火 等 相應的工藝 措施 。激光 回火 是一 種 在激光焊 后隨即采 用 非 聚 焦 的低 能 量 密 度 光束 對焊 道 進 行 多道掃描從 而 降低 焊 縫硬度 的新工藝。激光焊接金 屬及熱影響區 的 組織 和 硬 度 是 由 化學 成分 和冷卻 速度 決定 的。在激光焊接中,現行焊接工藝一 般 不需要 填充金 屬。在 這種情況 下,焊縫的組織 和硬 度主 要 由鋼 板 的化學 成 分和 激光 照射條件來 決 定。 采 用填充 焊絲 的激光焊接 由 于 可 以 選擇任意合金 成 分 的焊 絲 作 為 最 佳的焊 縫過 渡合金,因而可 以保證 兩側母 材的 聯結具有最 佳 性能??梢詫Ω呷?點、高熱導率 、物 理性質 差 異較大的 異 種 或 同種 金 屬材料 進行 焊接,可以得到無污染 、雜質少的焊縫 。激光焊接加 熱速度 快 ,焊接 熔池 迅速冷卻 ,與普通的 常規 焊接在金相 組織 上有 很大的 區別。

3 激光焊接的應用領域

3.1 制造業應用

激光拼焊 (TailoredBlandLaserWelding) 技術在 國外轎 車制 造 中得到 廣泛的應用,據統計 ,2000 年全球范圍 內 剪裁坯板 激光 拼 焊生產線超 過 100 條,年 產轎 車構 件 拼焊 坯板 7000 萬件, 并 繼續以較 高速度 增長 。 國 內 生產 的 引 進車 型Passat,Bulck ,Audi 等也采 用了一些剪裁坯板 結 構。日本 以 CO 2 激光焊 代 替 了 閃 光 對 焊進 行 制 鋼 業 軋鋼 卷材 的 連 接,超 薄 板 焊接,如 板厚 100mm 以下的箔片 無 法熔 焊,但通過 有 特殊 輸 出功率 波形 的 YAG激光焊 得以 成功 ,顯示 了激光焊的廣闊前途。日本還 在世界上首次 成功 開發了將 YAG 激光焊用 于 核 反應堆中蒸氣發 生器細管 的維修 等,在 國 內 蘇寶蓉 等 還進 行 了 齒輪 的激光焊接技術。20 世紀 80 年代 后期,千瓦級 激光 器成功 應用 于工業生 產,而今激光焊接生 產線 已大 規模 出現在汽車制 造業,成為汽車制造業突出 的成 就之一。

90 年代美 國通 用、福特和 克萊斯 特公司竟 相將激光焊接 引 入 汽車制 造,盡管起 步較 晚,但發展很快 。意大利菲亞 特在大 多 數 鋼 板組 件 的焊接裝 配 中采用了激光焊接, 日本 的 日產 、本田 和 豐田 汽車 公司 在制 造 車 身覆蓋 件 中 都 使 用了激光焊接 和 切割工藝,高強鋼 激光焊接裝 配件因 其性 能 優 良 在汽車車 身制 造 中 使 用的 越來越 多 ,根 據 美國金屬 市場 統計 ,至 2002 年底,激光焊接 鋼結 構的 消耗 將達 到 7 萬噸, 比 1998 年增加 3 倍。在工藝方 面美國 Sandia國 家實 驗 室 與Pratt Witney聯 合進 行 在激光焊接 過程中 添 加 粉末金 屬和 金屬 絲的研究,德國 不萊梅應用光 束 技術研究 所在 使 用激光焊接 鋁 合金車 身骨架 方 面 進 行 了大量的研究,認為在焊 縫中 添 加填充金屬 有 助于消除 熱 裂紋 ,提高 焊接 速度 ,解 決公 差 問題,開 發 的生產線 已 在奔馳公司 的工 廠 投 入 生產。

3.2 粉末冶金領域

隨著 科學技術的 不斷 發展 ,許多技術 對材料 有特殊要 求, 應用 冶鑄 方 法 制造 的 材料 已 不 能 滿足 需要。由于粉末冶 金材料 具有 特殊的性能和 制造優點, 在某些領域 如汽車、飛機 、工具 刃 具 制 造業中 正 在取代傳 統的冶鑄材料 , 隨著粉末冶金材料 的日益發展, 它與其 它零 件的連接問題 顯得日益突出 , 使粉末冶金材料 的應用 受到 限 制。在 20世紀 80 年代初 期,激光焊以 其獨特的 優 點進 入 粉末冶 金 材料 加工領域,為粉末冶 金材料 的應用 開辟 了新的前 景 ,如 采用粉末冶 金 材料 連接中 常 用的 釬焊方 法 焊接金 剛石 ,由于結 合 強度低 ,熱 影響區 寬特 別是 不 能 適應 高 溫 及強 度 要 求 高 而引起釬 料熔 化脫落 ,采用激光焊接可 以 提 高焊接 強 度以及 耐 高 溫 性能。

3.3 電子工 業

激光焊接在電子工業中, 特 別是微電子工業中 得到 了 廣 泛 的應用。由于激光焊接 熱影響區小,加熱集 中 迅 速 、熱應 力 低 ,因 而 正 在集成 電 路和 半 導體器件 殼 體 的 封裝中,顯示 了獨 特的 優 越性 ,在 真空器件 研制中,激光焊接 也得到 了應用, 如 鉬聚 焦 極與 不銹鋼 支持環、快 熱陰極 燈絲組 件等。 傳感 器或 溫 控 器中的 彈 性薄壁 波紋片 其厚度 在 0.05~0.1mm ,采用 傳統 焊接方 法難 以 解 決 ,電 弧 焊 容易 焊穿 ,等離 子焊 穩 定性 差 ,影響 因 素多,而 采 用激光焊接 效果很好,得到廣泛的應用。

3.4 生物醫學

生物 組織 的激光焊接 始 于 20世紀 70 年代 ,Klink 等及 Jain激光焊接輸卵管和血管的成功及顯示出來的 優越性 ,使 更多研究 者嘗試焊接各種生物組織,并推廣到其它組織 的焊接。 有關激光焊接神經方 面 ,目前 國內 外的研究 主要集中在激光 波 長、劑 量及對功能恢復及激光焊 料 選擇 等方 面,劉銅 軍在激光焊接 小血管及皮膚等基 礎 研究的基 礎 上 又 對大 白鼠膽總 管進行了焊接研究。激光焊接方 法 與與 傳 統 的縫 合方 法比較 ,激光焊接 具有 吻合 速度 快, 愈合過程中 沒有異 物反應 , 保持焊接 部位的 機械性質 , 被修復 組織 按其原生物 力學 性狀生 長等 優點,將 在以后 的生物醫學中 得到 更 廣泛 的應用。

3.5 其他 領域

在其他 行業中,激光焊接 也逐漸增加,特 別是在特 種材料 焊接方面 , 我 國 進 行了 許 多 研究, 如 對BT20 鈦 合金、HE130 合金 [23] 、Li-ion 電池等激光焊接。 德國玻璃 機械 制 造 商 Glamaco Coswig 公 司與 IFW 接合技術與 材料 實驗 研究院合 作 開 發 出了一 種 用 于平 板 玻璃的激光焊接 新技術。

4 激光焊接 設備 的智能化 控制激光焊接 監 控自 動 化的 關鍵之 一是 熔池 的實 時監視 ,因 此,跟蹤 傳 感 器 的 選擇 成 了一 個至 關 重要的 前提。在 所 有傳感 器中,光學傳 感器以其 靈敏 度和 測 量精度高 ,動態特性好 ,與工 件無 接觸及包含的 信息 量大等特點, 成 為發展最快的 跟蹤 傳感器。而 CCD (Charge-coupled Device 電荷耦 合裝置 )集成光學 器件 的應用, 又使得光學 傳感 器 上升 到視頻 傳 感的 新 高度。

激光焊接的 優點 之 一是焊接 速度快 ,薄板的焊接 速度 可達 10m/min以 上,但在 高速 連續 的焊接 過程中,如果 出 現焊接 缺陷 ,將 在極 短的時間內造成 大量的廢品 。實現在線 的激光焊接 質量 監測 是 保證 質量 十分重要的 環節 ,華中科技大學設 計的信號 處 理及反饋控制系 統 ,通過 將聲、光傳 感 器所采集 的信 號放 大、濾 波、雙限比較后進行 A/D轉換 ,再將數字 信 號由微機進 行 處理等,對 激光 輸出功率 、焊接 速度 、離 焦 量 等工藝 參數 進 行 控制 實 現最佳工藝 參數 。解決熔 透問題,基本 前 提 是 對 激光焊接 過 程進 行 實時 檢測和控制,提 取激光焊接的特征信號。近 10 來,國內外的研究 機構 主 要 針 對 焊接 過程中光 致 等 離子 體產生的 聲、光、電、熱等信息 進行 提 取,并 分 析 處 理 ,尋找 特 征 信號。在填絲 激光焊接 時,激光 填絲 焊對接間 隙寬度 是主要的 參數 ,為了 保證 焊縫 全長 都取得 良 好 均勻 的成形 ,實 現高質量 的激光 填絲焊,研究 人員 開 發 了高精度 對縫 間隙檢 測 傳 感器 以及 高質量 送 絲 控制系 統 。

對于激光 深 熔焊而言 ,利 用光學 傳 感 器 檢測 焊接 過程中的等 離子 體和 反 射激光的 信號 特 征 是一種 簡單 而有 效 的 實時 檢 測 焊接 過程的方 法 [32] 。目前 ,利用光電 管檢 測焊接 過 程中的等 離子 體 或反 射 光的方 法,主要從 工 件側面或 與激光同軸兩個方向進 行。至于光學 傳 感器 的選擇 ,有 三種 不同 波段 的傳 感器可用于激光焊接 過程檢測。如 紫外 波段 的 傳 感 器用 于 CO 2 激光焊接時 的等 離 子體檢 測,可見光 波 段的 傳 感 器 用 于 CO 2 和 Nd:YAG 激光焊接 過 程等 離 子體 或 金 屬 蒸 汽羽焰 的 檢 測 , 紅 外 波 段 用 于 Nd:YAG 激光焊接的 檢 測。 到 目前 為止 ,檢測到的光學 信號與激光焊接參數 (如 焦點位置)的關系已有很 好的研究 成 果 并被 應用;另外 利 用光學 傳 感 器 對 激光焊接 過 程中 產生的 缺陷 ,如 燒穿、孔洞 或 駝 峰 狀表面 缺陷 的檢測也有相 關報道。

5 激光焊接發 展趨勢

5.1 復合 焊接

人們 在 廣 泛 應用激光焊接技術的 同 時 ,不斷 地 對其進行 深入 的研究,發 現 它有 一 定 的 缺 點 :在激光焊接 過 程中, 母材 受熱熔 化、汽化,形成 深 熔小孔 ,孔中 充 滿 金 屬蒸汽,金 屬氣 體與激光 作用 形成 等離子云 。等 離子云吸收 、反射激光,降低金 屬材料 對激光的 吸收率 ,使激光的能 量利用率降 低;對 焊接 母材 端 面 接口 要 求 高, 容易 產 生 錯位;容易 生成氣孔 疏松 和裂紋 ;焊后 在 母材 端 面之 間的接 口 部 位 存在凹陷,焊接 過程 不穩定等。

為減少或消除 單熱源激光焊接的 缺陷 ,人們 在 保持 激光加 熱 優 點的基 礎上,利 用其他 熱源的加 熱特 性來 改善激光 對 工件的加 熱 ,從而 把激光與 其 他 熱源 一 起 進行復 合 熱 源 焊接。主要有激光與電 弧、激光與等離子 弧 、激光與 感應熱源 復 合焊接以及 雙激光 束焊接等。 激光與電弧焊接 結 合起來,這種復 合工藝 綜合了激光與電 弧的優 點,即 將 激光的 高 能 量密 度和 電弧 的 較 大加 熱區組合 起來,其優點:

1) 可 增 加焊接 熔 深;

2) 提 高 焊接 速度 與生 產率 ;

3) 改善 接頭 性 能;

4) 降 低 設備成本 ,同時通過 激光與電 弧 的相互作用,來改 善激光能 量的 耦 合特性和 電 弧 的穩定性 ,以獲得 一 種綜合的 效 果 ,但 是由 于電弧的 引 入增加了焊接的 熱輸 入,從 而 使焊接 熱影響區 和熱變形 增 大。

5.2 激光焊接的 控制 ( 熔池 尺寸、等離子效 應等)

在激光焊接 熔透 控制研究中,建 立 熔池形 狀參數 與焊接工藝 間的 關 系是 關鍵 問題,在 實 驗過 程中, 對熔池形 狀 信息 獲知 越 豐富,對 焊接 過 程 熔透 控制的 效果 越理想。許多學者根據激光 深熔焊中的小孔 機制,對激光焊接的 溫度 場、液體流動 及小孔 形狀、 尺寸 進行了計算并 取得 了一 定效果 。John 等人提出 了入射激光的 逆韌致 吸收 模型,假定 能量通過傳導機 制傳遞給 小孔壁,通過 解熱傳導 方程,得到 了一 個最大的 理論熔深。Sonti 等人采用二 維 有 限 元 非線 形 模 型 進行 了 鋁合金激光深熔焊接傳輸過程的三維計算,得到了激光焊接的三維溫度場。John 分析小孔 內的能 量和壓 力平衡,建 立一個小孔 內液體和蒸 氣流動 的通用模 型。王海興 等對 前 人 提出 的計 算 激光焊接 深 熔焊 過 程中 熔池 尺寸 的方 法進 行 了檢 驗 、改 進與 推 廣,從 激光焊接 過程中的能 量 平衡 出發,預報了不同焊接工 況下熔池 的 尺寸。劉順洪進 行 了 薄 板 激光焊 溫 度 場的 分 析與 數值 模擬 ,在空間域 上用加 權余量法 , 時 間 域上 用 有 限 差分 法離散 ,考慮 了 材料熱 物性參數 的溫度相 關性、熔 化潛熱以及 對流輻 射等對 溫度場的 影響 ,建立 了有限元方程,并編制了 相應的程 序。隨著 圖象傳 感方法 的改 進,人們 可以從熔池 圖 象 獲 得 熔池形 狀 更 多 的特 征信息 ,如熔池 的寬度 、長度和面 積,利 用 這些 信息 建 立同 激光焊接工藝 參數之 間 的 關系,對激光焊接的焊 縫質量 控制中 有著重要的 作用,這 將 是激光焊接研究的一 個 重要方向。

5.3 激光焊接的激光發 生器 及其工藝發展趨勢

目前 的激光焊接 所 使 用的激光 器主 要為大 功率 CO 2 激光 器和脈沖 Nd:YAG 激光 器,對 于 CO2氣 體 激光要 解 決 大 功率 激光 器 的放 電穩定性 , 對于 YAG 固體 激光器要研制大 容量、長壽命 的光 泵 激勵光源。光纖激光 器具有 高轉換 效率和 極低損 耗,極 好光束質量 、高效率和 可 靠性 , 并 且結 構非常 緊湊,在 不 遠的將來,單 光纖 、單 模 光纖 的輸出功率 將 超過千瓦級 ,在激光焊接領域 將 得到 應用。 采用直 接二 極 管 陣列 激光 輸出波 長 在 近紅外 區域的激光 平 均功率 已達 1kW,光電 轉換 效率 接近 50豫,這些 激光設備 和技術,將 在焊接應用方 面發揮更大的 作用。在激光光 束質量 及加工 外圍 裝置方 面,應研究 各種 激光加工工藝 對 激光光 束 的 質量 要求 、激光光 束和 加工 質量 監 控技術、光學系 統 及加工 頭 設 計 和 研制,開展 焊接工藝及 材料 、焊接工藝 對 設備 要 求 及焊接 過 程 參數 監測 和控制技術研究, 從而 掌握 普 通鋼 材、有色金屬 及特 殊鋼 材的焊接工藝。



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