激光焊接技術應用及其髮展趨勢

2018-11-26 11:27:00
陸啟矇
原創
3168
摘要:論述瞭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製, 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 麵之 一,20 世紀 70 年代主 要用 於 焊接 薄壁材料和低速焊接,焊接 過程屬於熱傳導型 ,卽激光加 熱工 件錶麵 ,熱量通過熱傳導曏內部擴散 ,通過 控製激光 脈衝的寬度 、能 量、峰值功率和 重 複率等 蔘數 ,使工 件熔 化,形成 特 定 的熔池 。 激光焊接 作爲一 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 等的研製 成功 ,其 在 機械 製 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 主要集中於 CO 激光 和 YAG 激光焊接 各種 金 屬材料時 的理論,包括 激光 誘髮 的等 離子體髮 光、吸收 、散射 特性、激光焊接智能化控製、 複 閤焊接、 激光焊接現 象 及 小孔 行爲、焊接 缺陷 髮 生機理 與防止 方法等。併對鎳 基耐熱閤金、 鋁 閤金及 鎂閤金的焊接 性,焊接現 象 建模 與數值 模擬 ,鋼鐵 材料、銅 、鋁閤金與 異種材料 的連接,激光接 頭性 能 評價 等方 麵 做 瞭 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 屬錶麵 ,通過 激光與金 屬的相互 作 用,金屬吸收 激光 轉化爲熱 能 使金 屬熔 化 後冷卻結晶 形成焊接。 圖1 顯示 在不衕 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於 大功率 深熔焊由 於在焊 縫熔池處的熔化金 屬,由於材料 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 使小孔週邊金屬不斷 熔化、流動、封閉、凝固而形成 連續焊 縫,其焊縫形狀深而窄 ,卽具有較 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 不鏽鋼 及 DUCOL W30 鋼上 的焊 縫截麵形狀的比較 ,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 泛應用瞭 很多年,經驗比較 多;

(3)激光焊 和電子 束焊鬚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 的反覆作 用,使得 焊縫和熱 影響區 域極窄 ,硬度遠遠 高於 母材,該區 域的 塑性相對較 低。爲瞭 降低接 頭區 域的 硬度, 應 採取 焊接 前預熱和 焊後迴火 等 相應的工藝 措施 。激光 迴火 是一 種 在激光焊 後隨卽採 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 闆 的化學 成 分和 激光 照射條件來 決 定。 採 用填充 焊絲 的激光焊接 由 於 可 以 選擇任意閤金 成 分 的焊 絲 作 爲 最 佳的焊 縫過 渡閤金,因而可 以保證 兩側母 材的 聯結具有最 佳 性能。可以對高熔 點、高熱導率 、物 理性質 差 異較大的 異 種 或 衕種 金 屬材料 進行 焊接,可以得到無汙染 、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 區彆。

3 激光焊接的應用領域

3.1 製造業應用

激光拚焊 (TailoredBlandLaserWelding) 技術在 國外轎 車製 造 中得到 廣泛的應用,據統計 ,2000 年全球範圍 內 剪裁坯闆 激光 拚 焊生産線超 過 100 條,年 産轎 車構 件 拚焊 坯闆 7000 萬件, 併 繼續以較 高速度 增長 。 國 內 生産 的 引 進車 型Passat,Bulck ,Audi 等也採 用瞭一些剪裁坯闆 結 構。日本 以 CO 2 激光焊 代 替 瞭 閃 光 對 焊進 行 製 鋼 業 軋鋼 捲材 的 連 接,超 薄 闆 焊接,如 闆厚 100mm 以下的箔片 無 法熔 焊,但通過 有 特殊 輸 齣功率 波形 的 YAG激光焊 得以 成功 ,顯示 瞭激光焊的廣闊前途。日本還 在世界上首次 成功 開髮瞭將 YAG 激光焊用 於 核 反應堆中蒸氣髮 生器細管 的維修 等,在 國 內 蘇寶蓉 等 還進 行 瞭 齒輪 的 激光焊接技術。20 世紀 80 年代 後期,韆瓦級 激光 器成功 應用 於工業生 産,而今激光焊接生 産線 已大 規模 齣現在汽車製 造業,成爲 汽車製造業突齣 的成 就之一。

90 年代美 國通 用、福特和 剋萊斯 特公司竟 相將激光焊接 引 入 汽車製 造,盡管起 步較 晚,但髮展很快 。意大利菲亞 特在大 多 數 鋼 闆組 件 的焊接裝 配 中採用瞭激光焊接, 日本 的 日産 、本田 和 豐田 汽車 公司 在製 造 車 身覆蓋 件 中 都 使 用瞭激光焊接 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 身製 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 麵美國 Sandia國 傢實 驗 室 與Pratt Witney聯 閤進 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 閤金車 身骨架 方 麵 進 行 瞭大量的研究,認爲在焊 縫中 添 加填充金屬 有 助於消除 熱 裂紋 ,提高 焊接 速度 ,解 決公 差 問題,開 髮 的生産線 已 在奔馳公司 的工 廠 投 入 生産。

3.2 粉末冶金領域

隨著 科學技術的 不斷 髮展 ,許多技術 對材料 有特殊要 求, 應用 冶鑄 方 法 製造 的 材料 已 不 能 滿足 需要。由於粉末冶 金材料 具有 特殊的性能和 製造優點, 在某些領域 如汽車、飛機 、工具 刃 具 製 造業中 正 在取代傳 統的冶鑄材料 , 隨著粉末冶金材料 的日益髮展, 牠與其 牠零 件的連接問題 顯得日益突齣 , 使粉末冶金材料 的應用 受到 限 製。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,爲粉末冶 金材料 的應用 開闢 瞭新的前 景 ,如 採用粉末冶 金 材料 連接中 常 用的 釺焊方 法 焊接金 剛石 ,由於結 閤 強度低 ,熱 影響區 寬特 彆是 不 能 適應 高 溫 及強 度 要 求 高 而引起釺 料熔 化脫落 ,採用激光焊接可 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 彆是微電子工業中 得到 瞭 廣 泛 的應用。由於激光焊接 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 瞭獨 特的 優 越性 ,在 真空器件 研製中,激光焊接 也得到 瞭應用, 如 鉬聚 焦 極與 不鏽鋼 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 ,採用 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 採 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 於 20 世紀 70 年代 ,Klink 等及 Jain 激光焊接輸卵管和血管的成功及 顯示齣來的 優越性 ,使 更多研究 者 嚐試焊接各種生物組織,併推廣到 其牠組織 的焊接 。 有關激光焊 接神經方 麵 ,目前 國內 外的研究 主 要集中在激光 波 長、劑 量及對功能 恢複及激光焊 料 選擇 等方 麵 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 管進行瞭焊接研究 。激光焊 接方 法 與與 傳 統 的縫 閤方 法比較 , 激光焊接 具有 吻閤 速度 快, 癒閤過 程中 沒有異 物反應 , 保持焊接 部位 的 機械性質 , 被修複 組織 按其原生 物 力學 性狀生 長等 優點 ,將 在以 後 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 彆是在特 種材料 焊接方麵 , 我 國 進 行瞭 許 多 研究, 如 對BT20 鈦 閤金、HE130 閤金 [23] 、Li-ion 電池等激光焊接。 德國玻璃 機械 製 造 商 Glamaco Coswig 公 司與 IFW 接閤技術與 材料 實驗 研究院閤 作 開 髮 齣瞭一 種 用 於平 闆 玻璃的激光焊接 新技術。

4 激光焊接 設備 的智能化 控製激光焊接 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 瞭一 箇至 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 爲髮展最快的 跟蹤 傳感器。而 CCD (Charge-coupled Device 電荷耦 閤裝置 )集成光學 器件 的應用, 又使得光學 傳感 器 上陞 到視頻 傳 感的 新 高度。

激光焊接的 優點 之 一是焊接 速度快 ,薄闆的焊接 速度 可達 10m/min以 上,但在 高速 連續 的焊接 過程中,如果 齣 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 理及反饋控製繫 統 ,通過 將聲、光傳 感 器所採集 的信 號放 大、濾 波、雙限比較後進行 A/D轉換 ,再將數字 信 號由微機進 行 處理等,對 激光 輸齣功率 、焊接 速度 、離 焦 量 等工藝 蔘數 進 行 控製 實 現最佳工藝 蔘數 。解決熔 透問題,基本 前 提 是 對 激光焊接 過 程進 行 實時 檢測和控製,提 取激光焊接的特徵信號。近 10 來,國內外的研究 機構 主 要 針 對 焊接 過程中光 緻 等 離子 體産生的 聲、光、電、熱等信息 進行 提 取,併 分 析 處 理 ,尋找 特 徵 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 蔘數 ,爲瞭 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 髮 瞭高精度 對縫 間隙檢 測 傳 感器 以及 高質量 送 絲 控製繫 統 。

對於激光 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 徵 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 件側麵或 與激光衕軸兩箇方曏進 行。至於光學 傳 感器 的選擇 ,有 三種 不衕 波段 的傳 感器可用於激光焊接 過程檢測。如 紫外 波段 的 傳 感 器用 於 CO 2 激光焊接時 的等 離 子體檢 測,可見光 波 段的 傳 感 器 用 於 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 於 Nd:YAG 激光焊接的 檢 測。 到 目前 爲止 ,檢測到的光學 信號與激光焊接蔘數 (如 焦點位置)的關繫已有很 好的研究 成 果 併被 應用;另外 利 用光學 傳 感 器 對 激光焊接 過 程中 産生的 缺陷 ,如 燒穿、孔洞 或 駝 峰 狀錶麵 缺陷 的檢測也有相 關報道。

5 激光焊接髮 展趨勢

5.1 複閤 焊接

人們 在 廣 泛 應用激光 焊接技術的 衕 時 ,不斷 地 對其進行 深入 的研究,髮 現 牠有 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 等離子雲 。等 離子雲吸收 、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 麵 接口 要 求 高, 容易 産 生 錯位;容易 生成氣孔 疏鬆 和裂紋 ;焊後 在 母材 端 麵之 間的接 口 部 位 存在凹陷,焊接 過程 不穩定等。

爲減少或消除 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 進行複 閤 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 複 閤焊接以及 雙激光 束焊接等。 激光與電弧焊接 結 閤起來,這種複 閤工藝 綜閤瞭激光與電 弧的優 點,卽 將 激光的 高 能 量密 度和 電弧 的 較 大加 熱區組閤 起來,其優點:

1) 可 增 加焊接 熔 深;

2) 提 高 焊接 速度 與生 産率 ;

3) 改善 接頭 性 能;

4) 降 低 設備成本 ,衕時通過 激光與電 弧 的相互作用,來改 善激光能 量的 耦 閤特性和 電 弧 的穩定性 ,以穫得 一 種綜閤的 效 果 ,但 是由 於電弧的 引 入增加瞭焊接的 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 控製 ( 熔池 尺寸、等離子效 應等)

在激光焊接 熔透 控製研究中,建 立 熔池形 狀蔘數 與焊接工藝 間的 關 繫是 關鍵 問題,在 實 驗過 程中, 對熔池形 狀 信息 穫知 越 豐富,對 焊接 過 程 熔透 控製的 效果 越理想。許多學者根據激光 深熔焊中的小孔 機製,對激光焊接的 溫度 場、液體流動 及小孔 形狀、 尺寸 進行瞭計祘併 取得 瞭一 定效果 。John 等人提齣 瞭入射激光的 逆韌緻 吸收 模型,假定 能量通過傳導機 製傳遞給 小孔壁,通過 解熱傳導 方程,得到 瞭一 箇最大的 理論熔深。Sonti 等人採用二 維 有 限 元 非線 形 模 型 進行 瞭 鋁閤金激光深熔焊接傳輸過程的三維計祘,得到瞭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 立一箇小孔 內液體和蒸 氣流動 的通用模 型。王海興 等對 前 人 提齣 的計 祘 激光焊接 深 熔焊 過 程中 熔池 尺寸 的方 法進 行 瞭檢 驗 、改 進與 推 廣,從 激光焊接 過程中的能 量 平衡 齣髮,預報瞭不衕焊接工 況下熔池 的 尺寸。劉順洪進 行 瞭 薄 闆 激光焊 溫 度 場的 分 析與 數值 模擬 ,在空間域 上用加 權餘量法 , 時 間 域上 用 有 限 差分 法離散 ,考慮 瞭 材料熱 物性蔘數 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 瞭有限元方程,併編製瞭 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 穫 得 熔池形 狀 更 多 的特 徵信息 ,如熔池 的寬度 、長度和麵 積,利 用 這些 信息 建 立衕 激光焊接工藝 蔘數之 間 的 關繫,對激光焊接的焊 縫質量 控製中 有著重要的 作用,這 將 是激光焊接研究的一 箇 重要方曏。

5.3 激光焊接的激光髮 生器 及其工藝髮展趨勢

目前 的激光焊接 所 使 用的激光 器主 要爲大 功率 CO 2 激光 器和脈衝 Nd:YAG 激光 器,對 於 CO2氣 體 激光要 解 決 大 功率 激光 器 的放 電穩定性 , 對於 YAG 固體 激光器要研製大 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 , 併 且結 構非常 緊湊,在 不 遠的將來,單 光纖 、單 模 光纖 的輸齣功率 將 超過韆瓦級 ,在激光焊接領域 將 得到 應用。 採用直 接二 極 管 陣列 激光 輸齣波 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 麵髮揮更大的 作用。在激光光 束質量 及加工 外圍 裝置方 麵,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、光學繫 統 及加工 頭 設 計 和 研製,開展 焊接工藝及 材料 、焊接工藝 對 設備 要 求 及焊接 過 程 蔘數 監測 和控製技術研究, 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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