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作者:广源激光来源:广源激光 浏览次数: 日期:2018-12-21

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。

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。

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( 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 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。 

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。?/span>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。?/span>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。 

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:
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。
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。
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,并能对不同性能材料施焊。


当然,激光焊接也存在不足之处: 
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。
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%) 。
由于激光焊接的聚焦光斑较。?怨ぜ?油返淖氨妇?纫?蠼细,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。 
国内外激光焊接的研究现状

 


 

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0.5~50 kWNd: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- - 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,- 光转化效率为3%~10%,其输出功率主要为0.1~5 kW[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。

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106 W/cm2) ,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Y Arata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。 

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。
J ShaoY Yan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。LiSteen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。
Young Whan Park等人采用UVIR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UVIR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。
W S ChangS J Na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。
S Dixon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。

 

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