激光焊接技术应用及其发展趋势

2018-11-26 11:27:00
陆启蒙
原创
101
摘要:论述了激光焊接工艺的特点, 激光焊接在汽车工业、 微电子工业、 生物医学等领域的应用以及研究现状, 激光焊接的智能化控制, 需进一步研究与探讨的问题。

1 引言

激光焊接是激光加工技术应

用的重要方 面之 一,20 世纪 70 年代主 要用 于 焊接 薄壁材料和低速焊接,焊接 过程属于热传导型 ,即激光加 热工 件表面 ,热量通过热传导向内部扩散 ,通过 控制激光 脉冲的宽度 、能 量、峰值功率和 重 复率等 参数 ,使工 件熔 化,形成 特 定 的熔池 。 激光焊接 作为一 种高质量 、高精度 、低变形 、高效率和高速度的焊接方 法,随着高功率 CO 2 和高功率 YAG 激光 器以及光 纤传输 技术的 完善 、金 属钼 焊接 聚束 物镜 等的研制 成功 ,其 在 机械 制 造 、航空、航天 、汽车工业、 粉末冶 金、生物医学、微电子 行业等领域的应用 越来越广 。目前 的研究 主要集中于 CO 激光 和 YAG 激光焊接 各种 金 属材料时 的理论,包括 激光 诱发 的等 离子体发 光、吸收 、散射 特性、激光焊接智能化控制、 复 合焊接、 激光焊接现 象 及 小孔 行为、焊接 缺陷 发 生机理 与防止 方法等。并对镍 基耐热合金、 铝 合金及 镁合金的焊接 性,焊接现 象 建模 与数值 模拟 ,钢铁 材料、铜 、铝合金与 异种材料 的连接,激光接 头性 能 评价 等方 面 做 了 广泛的研究 。

2 激光焊接的质量与特点

激光焊接是 将 高 强 度 的激光辐射至 金 属表面 ,通过 激光与金 属的相互 作 用,金属吸收 激光 转化为热 能 使金 属熔 化 后冷却结晶 形成焊接。 图1 显示 在不同 的 辐射功率密度下 熔 化过程的 演 变阶段 ,激光焊接的 机理 有两 种 :(1) 热传导 焊接;(2)激光 深 熔焊。

2.1 激光焊接的焊缝形状对于 大功率 深熔焊由 于在焊 缝熔池处的熔化金 属,由于材料 的瞬时汽化而形成深穿 型的圆孔空腔,随着激光 束与工 件的相对运动 使小孔周边金属不断 熔化、流动、封闭、凝固而形成 连续焊 缝,其焊缝形状深而窄 ,即具有较 大的 熔深熔宽比,在高功率器件焊接 时,深宽比可达 5:1,最高可达 10:1。

图 2 显示四 种焊法在 316 不锈钢 及 DUCOL W30 钢上 的焊 缝截面形状的比较 ,对比 的结论有以下几点:

(1)激光焊与电子 束焊、钨极惰性气体 电弧焊(TIG) 、等离子焊的 主要优点相似:焊缝窄、穿透性强、焊缝两边平 行 、热影响区小 ;

(2)电弧焊和等离 子焊 投资少,广 泛应用了 很多年,经验比较 多;

(3)激光焊 和电子 束焊须在真空或局部真空中进 行,也可在空气中,但电子 束穿透 能力比激光差;

(4) 激光焊 和电子 束焊,焊缝窄 且热影响区小 ,因而变形小。

2.2

激光焊接焊缝的组织性能大功率 激光焊接, 因其 能量密度 极高,被 焊工 件经受快 速加热和冷却 的反复作 用,使得 焊缝和热 影响区 域极窄 ,硬度远远 高于 母材,该区 域的 塑性相对较 低。为了 降低接 头区 域的 硬度, 应 采取 焊接 前预热和 焊后回火 等 相应的工艺 措施 。激光 回火 是一 种 在激光焊 后随即采 用 非 聚 焦 的低 能 量 密 度 光束 对焊 道 进 行 多道扫描从 而 降低 焊 缝硬度 的新工艺。激光焊接金 属及热影响区 的 组织 和 硬 度 是 由 化学 成分 和冷却 速度 决定 的。在激光焊接中,现行 焊接工艺一 般 不需要 填充金 属。在 这种情况 下,焊缝的组织 和硬 度主 要 由钢 板 的化学 成 分和 激光 照射条件来 决 定。 采 用填充 焊丝 的激光焊接 由 于 可 以 选择任意合金 成 分 的焊 丝 作 为 最 佳的焊 缝过 渡合金,因而可 以保证 两侧母 材的 联结具有最 佳 性能。可以对高熔 点、高热导率 、物 理性质 差 异较大的 异 种 或 同种 金 属材料 进行 焊接,可以得到无污染 、杂质少的焊缝 。激光焊接加 热速度 快 ,焊接 熔池 迅速冷却 ,与普通的 常规 焊接在金相 组织 上有 很大的 区别。

3 激光焊接的应用领域

3.1 制造业应用

激光拼焊 (TailoredBlandLaserWelding) 技术在 国外轿 车制 造 中得到 广泛的应用,据统计 ,2000 年全球范围 内 剪裁坯板 激光 拼 焊生产线超 过 100 条,年 产轿 车构 件 拼焊 坯板 7000 万件, 并 继续以较 高速度 增长 。 国 内 生产 的 引 进车 型Passat,Bulck ,Audi 等也采 用了一些剪裁坯板 结 构。日本 以 CO 2 激光焊 代 替 了 闪 光 对 焊进 行 制 钢 业 轧钢 卷材 的 连 接,超 薄 板 焊接,如 板厚 100mm 以下的箔片 无 法熔 焊,但通过 有 特殊 输 出功率 波形 的 YAG激光焊 得以 成功 ,显示 了激光焊的广阔前途。日本还 在世界上首次 成功 开发了将 YAG 激光焊用 于 核 反应堆中蒸气发 生器细管 的维修 等,在 国 内 苏宝蓉 等 还进 行 了 齿轮 的 激光焊接技术。20 世纪 80 年代 后期,千瓦级 激光 器成功 应用 于工业生 产,而今激光焊接生 产线 已大 规模 出现在汽车制 造业,成为 汽车制造业突出 的成 就之一。

90 年代美 国通 用、福特和 克莱斯 特公司竟 相将激光焊接 引 入 汽车制 造,尽管起 步较 晚,但发展很快 。意大利菲亚 特在大 多 数 钢 板组 件 的焊接装 配 中采用了激光焊接, 日本 的 日产 、本田 和 丰田 汽车 公司 在制 造 车 身覆盖 件 中 都 使 用了激光焊接 和 切割工艺,高强钢 激光焊接装 配件因 其性 能 优 良 在汽车车 身制 造 中 使 用的 越来越 多 ,根 据 美国金属 市场 统计 ,至 2002 年底,激光焊接 钢结 构的 消耗 将达 到 7 万吨, 比 1998 年增加 3 倍。在工艺方 面美国 Sandia国 家实 验 室 与Pratt Witney联 合进 行 在激光焊接 过程中 添 加 粉末金 属和 金属 丝的研究,德国 不莱梅应用光 束 技术研究 所在 使 用激光焊接 铝 合金车 身骨架 方 面 进 行 了大量的研究,认为在焊 缝中 添 加填充金属 有 助于消除 热 裂纹 ,提高 焊接 速度 ,解 决公 差 问题,开 发 的生产线 已 在奔驰公司 的工 厂 投 入 生产。

3.2 粉末冶金领域

随着 科学技术的 不断 发展 ,许多技术 对材料 有特殊要 求, 应用 冶铸 方 法 制造 的 材料 已 不 能 满足 需要。由于粉末冶 金材料 具有 特殊的性能和 制造优点, 在某些领域 如汽车、飞机 、工具 刃 具 制 造业中 正 在取代传 统的冶铸材料 , 随着粉末冶金材料 的日益发展, 它与其 它零 件的连接问题 显得日益突出 , 使粉末冶金材料 的应用 受到 限 制。在 20世纪 80 年代初 期,激光焊以 其独特的 优 点进 入 粉末冶 金 材料 加工领域,为粉末冶 金材料 的应用 开辟 了新的前 景 ,如 采用粉末冶 金 材料 连接中 常 用的 钎焊方 法 焊接金 刚石 ,由于结 合 强度低 ,热 影响区 宽特 别是 不 能 适应 高 温 及强 度 要 求 高 而引起钎 料熔 化脱落 ,采用激光焊接可 以 提 高焊接 强 度以及 耐 高 温 性能。

3.3 电子工 业

激光焊接在电子工业中, 特 别是微电子工业中 得到 了 广 泛 的应用。由于激光焊接 热影响区小,加热集 中 迅 速 、热应 力 低 ,因 而 正 在集成 电 路和 半 导体器件 壳 体 的 封装中,显示 了独 特的 优 越性 ,在 真空器件 研制中,激光焊接 也得到 了应用, 如 钼聚 焦 极与 不锈钢 支持环、快 热阴极 灯丝组 件等。 传感 器或 温 控 器中的 弹 性薄壁 波纹片 其厚度 在 0.05~0.1mm ,采用 传统 焊接方 法难 以 解 决 ,电 弧 焊 容易 焊穿 ,等离 子焊 稳 定性 差 ,影响 因 素多,而 采 用激光焊接 效果很好,得到广泛的应用。

3.4 生物医学

生物 组织 的激光焊接 始 于 20 世纪 70 年代 ,Klink 等及 Jain 激光焊接输卵管和血管的成功及 显示出来的 优越性 ,使 更多研究 者 尝试焊接各种生物组织,并推广到 其它组织 的焊接 。 有关激光焊 接神经方 面 ,目前 国内 外的研究 主 要集中在激光 波 长、剂 量及对功能 恢复及激光焊 料 选择 等方 面 刘铜 军在激光焊接 小血管及皮肤 等基 础 研究的基 础 上 又 对大 白鼠 胆总 管进行了焊接研究 。激光焊 接方 法 与与 传 统 的缝 合方 法比较 , 激光焊接 具有 吻合 速度 快, 愈合过 程中 没有异 物反应 , 保持焊接 部位 的 机械性质 , 被修复 组织 按其原生 物 力学 性状生 长等 优点 ,将 在以 后 的生物医学中 得到 更 广泛 的应 用。

3.5 其他 领域

在其他 行业中,激光焊接 也逐渐增加,特 别是在特 种材料 焊接方面 , 我 国 进 行了 许 多 研究, 如 对BT20 钛 合金、HE130 合金 [23] 、Li-ion 电池等激光焊接。 德国玻璃 机械 制 造 商 Glamaco Coswig 公 司与 IFW 接合技术与 材料 实验 研究院合 作 开 发 出了一 种 用 于平 板 玻璃的激光焊接 新技术。

4 激光焊接 设备 的智能化 控制激光焊接 监 控自 动 化的 关键之 一是 熔池 的实 时监视 ,因 此,跟踪 传 感 器 的 选择 成 了一 个至 关 重要的 前提。在 所 有传感 器中,光学传 感器以其 灵敏 度和 测 量精度高 ,动态特性好 ,与工 件无 接触及包含的 信息 量大等特点, 成 为发展最快的 跟踪 传感器。而 CCD (Charge-coupled Device 电荷耦 合装置 )集成光学 器件 的应用, 又使得光学 传感 器 上升 到视频 传 感的 新 高度。

激光焊接的 优点 之 一是焊接 速度快 ,薄板的焊接 速度 可达 10m/min以 上,但在 高速 连续 的焊接 过程中,如果 出 现焊接 缺陷 ,将 在极 短的时间内造成 大量的废品 。实现在线 的激光焊接 质量 监测 是 保证 质量 十分重要的 环节 ,华中科技大学设 计的信号 处 理及反馈控制系 统 ,通过 将声、光传 感 器所采集 的信 号放 大、滤 波、双限比较后进行 A/D转换 ,再将数字 信 号由微机进 行 处理等,对 激光 输出功率 、焊接 速度 、离 焦 量 等工艺 参数 进 行 控制 实 现最佳工艺 参数 。解决熔 透问题,基本 前 提 是 对 激光焊接 过 程进 行 实时 检测和控制,提 取激光焊接的特征信号。近 10 来,国内外的研究 机构 主 要 针 对 焊接 过程中光 致 等 离子 体产生的 声、光、电、热等信息 进行 提 取,并 分 析 处 理 ,寻找 特 征 信号。在填丝 激光焊接 时,激光 填丝 焊对接间 隙宽度 是主要的 参数 ,为了 保证 焊缝 全长 都取得 良 好 均匀 的成形 ,实 现高质量 的激光 填丝焊,研究 人员 开 发 了高精度 对缝 间隙检 测 传 感器 以及 高质量 送 丝 控制系 统 。

对于激光 深 熔焊而言 ,利 用光学 传 感 器 检测 焊接 过程中的等 离子 体和 反 射激光的 信号 特 征 是一种 简单 而有 效 的 实时 检 测 焊接 过程的方 法 [32] 。目前 ,利用光电 管检 测焊接 过 程中的等 离子 体 或反 射 光的方 法,主要从 工 件侧面或 与激光同轴两个方向进 行。至于光学 传 感器 的选择 ,有 三种 不同 波段 的传 感器可用于激光焊接 过程检测。如 紫外 波段 的 传 感 器用 于 CO 2 激光焊接时 的等 离 子体检 测,可见光 波 段的 传 感 器 用 于 CO 2 和 Nd:YAG 激光焊接 过 程等 离 子体 或 金 属 蒸 汽羽焰 的 检 测 , 红 外 波 段 用 于 Nd:YAG 激光焊接的 检 测。 到 目前 为止 ,检测到的光学 信号与激光焊接参数 (如 焦点位置)的关系已有很 好的研究 成 果 并被 应用;另外 利 用光学 传 感 器 对 激光焊接 过 程中 产生的 缺陷 ,如 烧穿、孔洞 或 驼 峰 状表面 缺陷 的检测也有相 关报道。

5 激光焊接发 展趋势

5.1 复合 焊接

人们 在 广 泛 应用激光 焊接技术的 同 时 ,不断 地 对其进行 深入 的研究,发 现 它有 一 定 的 缺 点 :在激光焊接 过 程中, 母材 受热熔 化、汽化,形成 深 熔小孔 ,孔中 充 满 金 属蒸汽,金 属气 体与激光 作用 形成 等离子云 。等 离子云吸收 、反射激光,降低金 属材料 对激光的 吸收率 ,使激光的能 量利用率降 低;对 焊接 母材 端 面 接口 要 求 高, 容易 产 生 错位;容易 生成气孔 疏松 和裂纹 ;焊后 在 母材 端 面之 间的接 口 部 位 存在凹陷,焊接 过程 不稳定等。

为减少或消除 单热源激光焊接的 缺陷 ,人们 在 保持 激光加 热 优 点的基 础上,利 用其他 热源的加 热特 性来 改善激光 对 工件的加 热 ,从而 把激光与 其 他 热源 一 起 进行复 合 热 源 焊接。主要有激光与电 弧、激光与等离子 弧 、激光与 感应热源 复 合焊接以及 双激光 束焊接等。 激光与电弧焊接 结 合起来,这种复 合工艺 综合了激光与电 弧的优 点,即 将 激光的 高 能 量密 度和 电弧 的 较 大加 热区组合 起来,其优点:

1) 可 增 加焊接 熔 深;

2) 提 高 焊接 速度 与生 产率 ;

3) 改善 接头 性 能;

4) 降 低 设备成本 ,同时通过 激光与电 弧 的相互作用,来改 善激光能 量的 耦 合特性和 电 弧 的稳定性 ,以获得 一 种综合的 效 果 ,但 是由 于电弧的 引 入增加了焊接的 热输 入,从 而 使焊接 热影响区 和热变形 增 大。

5.2 激光焊接的 控制 ( 熔池 尺寸、等离子效 应等)

在激光焊接 熔透 控制研究中,建 立 熔池形 状参数 与焊接工艺 间的 关 系是 关键 问题,在 实 验过 程中, 对熔池形 状 信息 获知 越 丰富,对 焊接 过 程 熔透 控制的 效果 越理想。许多学者根据激光 深熔焊中的小孔 机制,对激光焊接的 温度 场、液体流动 及小孔 形状、 尺寸 进行了计算并 取得 了一 定效果 。John 等人提出 了入射激光的 逆韧致 吸收 模型,假定 能量通过传导机 制传递给 小孔壁,通过 解热传导 方程,得到 了一 个最大的 理论熔深。Sonti 等人采用二 维 有 限 元 非线 形 模 型 进行 了 铝合金激光深熔焊接传输过程的三维计算,得到了激光焊接的三维温度场。John 分析小孔 内的能 量和压 力平衡,建 立一个小孔 内液体和蒸 气流动 的通用模 型。王海兴 等对 前 人 提出 的计 算 激光焊接 深 熔焊 过 程中 熔池 尺寸 的方 法进 行 了检 验 、改 进与 推 广,从 激光焊接 过程中的能 量 平衡 出发,预报了不同焊接工 况下熔池 的 尺寸。刘顺洪进 行 了 薄 板 激光焊 温 度 场的 分 析与 数值 模拟 ,在空间域 上用加 权余量法 , 时 间 域上 用 有 限 差分 法离散 ,考虑 了 材料热 物性参数 的温度相 关性、熔 化潜热以及 对流辐 射等对 温度场的 影响 ,建立 了有限元方程,并编制了 相应的程 序。随着 图象传 感方法 的改 进,人们 可以从熔池 图 象 获 得 熔池形 状 更 多 的特 征信息 ,如熔池 的宽度 、长度和面 积,利 用 这些 信息 建 立同 激光焊接工艺 参数之 间 的 关系,对激光焊接的焊 缝质量 控制中 有着重要的 作用,这 将 是激光焊接研究的一 个 重要方向。

5.3 激光焊接的激光发 生器 及其工艺发展趋势

目前 的激光焊接 所 使 用的激光 器主 要为大 功率 CO 2 激光 器和脉冲 Nd:YAG 激光 器,对 于 CO2气 体 激光要 解 决 大 功率 激光 器 的放 电稳定性 , 对于 YAG 固体 激光器要研制大 容量、长寿命 的光 泵 激励光源。光纤激光 器具有 高转换 效率和 极低损 耗,极 好光束质量 、高效率和 可 靠性 , 并 且结 构非常 紧凑,在 不 远的将来,单 光纤 、单 模 光纤 的输出功率 将 超过千瓦级 ,在激光焊接领域 将 得到 应用。 采用直 接二 极 管 阵列 激光 输出波 长 在 近红外 区域的激光 平 均功率 已达 1kW,光电 转换 效率 接近 50豫,这些 激光设备 和技术,将 在焊接应用方 面发挥更大的 作用。在激光光 束质量 及加工 外围 装置方 面,应研究 各种 激光加工工艺 对 激光光 束 的 质量 要求 、激光光 束和 加工 质量 监 控技术、光学系 统 及加工 头 设 计 和 研制,开展 焊接工艺及 材料 、焊接工艺 对 设备 要 求 及焊接 过 程 参数 监测 和控制技术研究, 从而 掌握 普 通钢 材、有色金属 及特 殊钢 材的焊接工艺。



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