© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 第2 6卷第5期
2 0 0 8年9月
西安航空技术高等专科学校学报
Journal of Xi’ an Aerotechnical College
Vol12 6 No15 Sept . 2 0 0 8
收稿日期:2008205213
作者简介:杨春燕(1968 - ) ,女,陕西省延安市人,1990年毕业于沈阳航空学院,西工大机电学院在职研究生,现任西安航专机
械系讲师,研究方向,机电一体化 。
激光焊接技术的应用与发展
杨春燕
(西安航空技术高等专科学校 机械工程系,西北工业大学 机电学院,陕西 西安710077)
摘 要:激光焊接是一种先进的焊接技术,激光焊接技术的发展过程是不断创新的发展过程,随着新的激光焊接技 术和设备的研发,激光焊接正在逐渐取代传统的焊接技术 。通过从激光焊接的性质 、应用现状及最新发展成果的分 析,较全面地介绍对这种先进焊接技术 。
关键词:激光焊接;激光器;激光熔覆
中图分类号: T G439. 4 文献标识码:A 文章编号:100829233 (2008) 0520018203
前言
焊接,作为现代重要的加工技术之一,自1882年出现碳 弧焊开始,迄今已经历了100多年的发展历程,为了适应工 业发展及技术进步的需要,先后产生了埋弧焊 、电阻焊 、电渣 焊及各种气体保护焊等一系列新的焊接方法 。进入20世纪 60年代后,随着焊接新工艺和新能源的开发研究,等离子弧 切割与焊接 、真空电子束焊接及激光焊接等高能束技术也陆 续应用到各工业部门,使焊接技术达到了一个新的水平 。特 别是近年来,各种尖端工业的发展需求,不断提出了具有特 殊性能材料的焊接问题,如高强钢 、超高强钢 、特种耐热耐腐 蚀钢 、高强不锈钢 、特种合金及金属间化合物 、复合材料 、难 熔金属及异种材料焊接等等 。激光焊接技术以其与其它熔 化焊相比独具的深宽比高,焊缝宽度小,热影响区小 、变形 小,焊接速度快,焊缝质量高,无气孔,可精确控制,聚焦光点 小,定位精度高,易实现自动化等优点,在各种加工制造业中 得到了高度重视 。
1 激光焊接技术
激光焊接是一种新型的熔化焊接方式,是利用原子受激 辐射的原理,使工作物质(激光材料)受激而产生的一种单色 性好 、方向性强 、强度很高的激光束 。聚焦后的激光束最高 能量密度可达1013w/ cm2,在千分之几秒甚至更短时间内将 光能转换成热能,温度可达一万摄氏度以上,利用这种高能
量的激光脉冲对材料进行微小区域内的局部加热,激光辐射 的能量通过热传导向材料的内部扩散,将材料熔化后形成特 定熔池,从而达到焊接的目的 。激光焊接主要针对薄壁材 料 、精密零件的焊接,可实现点焊 、对接焊 、叠焊 、密封焊等 。 激光焊接中应用的激光器主要有两大类,一类是固体激
光器,又称Nd : YA G激光器 。Nd (钕)是一种稀土族元素,
YA G代表钇铝柘榴石,晶体结构与红宝石相似 。Nd : YA G 激光器波长为1. 06mm ,主要优点是产生的光束可以通过光 纤传送,因此可以省去复杂的光束传送系统,适用于柔性制 造系统或远程加工,通常用于焊接精度要求比较高的工件 。 另一类是气体激光器,又称CO2激光器,分子气体作工作介 质,产生平均为10. 6mm的红外激光,可以连续工作并输出 很高的功率,标准激光功率在2 - 5千瓦之间 。
1. 1 激光焊接的种类
激光焊接分为脉冲激光焊接和连续激光焊接两大类 。 脉冲激光焊特别适用于对电子工业和仪表工业微形件的焊 接,可以实现薄片(012mm以上)、薄膜(几微米到几十微米)、 丝与丝(直径0102—012mm)、密封缝焊和异种金属 、异种材 料的 焊 接,如 集 成 电 路 外 引 线 和 内 引 线(硅 片 上 蒸 镀 有 118μm的铝膜和50μm厚铝箔间)的焊接,微波器件中速调管 的钽片和钼片的焊接,零点几毫米不锈钢 、铜 、镍 、钽等金属 丝的对接 、重迭 、十字接 、T字接,密封性微型继电器 、石英晶 体器件外壳和航空仪表零件的焊接等 。
连续激光焊接主要使用大功率CO2气体激光器,适合于
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1. 2 激光焊接的特点:
激光焊接与传统的熔焊工艺相比,具有的优势主要集中 在以下几个方面:
(1) 能量密度大且放出极其迅速,在高速加工中能避免 热损伤和焊接变形,可进行精密零件 、热敏感性材料加工 。
(2) 被焊材料不易氧化,可以在大气中焊接,不需要气 体保护或真空环境 。
(3) 激光可对绝缘材料直接焊接,对异种金属材料焊接 比较容易,甚至能把金属与非金属焊接在一起 。
(4) 激光焊接装置不需要与被焊接工件接触 。激光束 可用反射镜或偏转棱镜将其在任何方向上弯曲或聚焦,还可 用光导纤维将其引到难以接近的部位进行焊接 。激光还可 以穿过透明材料进行聚焦,因此可以焊接一般方法难以接近 的接头或无法安置的接焊点,如真空管中电极的焊接 。
(5) 激光束不会带来任何磨损,且能长时间稳定工作 。 激光焊接的不足主要表现在以下两点:
(1) 要求焊件装配精度高,且要求光束在工件上的位置 不能有显著偏移 。这是因为激光聚焦后光斑尺寸小,焊缝 窄 。如工件装配精度或光束定位精度达不到要求,很容易造 成焊接缺陷 。
(2) 激光器及其相关系统的成本较高,一次性投资比 较大 。
2 激光焊接在加工生产中的应用
激光焊接最主要的应用领域是汽车 、航空航天 、船舶等 加工中的焊接制造 。以汽车制造为例,激光焊接已实现规模 化,并且已出现了相关的自动生产线和焊接机器人 。据有关 资料统计,在欧美发达工业国家中,有50 %～70 %的汽车零 部件是用激光加工来完成的 。其中主要以激光焊接和激光 切割为主,激光焊接在汽车工业中已成为标准工艺 。我国汽 车工业界也开始重视这种先进的焊接技术,如率先使用激光 焊接技术的上海大众,新近上市的多功能轿车的车身上,使 用激光焊接技术的总长度达到41米 。汽车工业中,激光技 术主要用于车身拼焊 、焊接和零件焊接 。
激光用于车身面板的焊接可将不同厚度和具有不同表 面涂镀层的金属板焊在一起,然后再进行冲压,这样制成的 面板结构能达到最合理的金属组合 。由于很少变形,也省去 了二次加工 。激光焊接加速了用车身冲压零件代替锻造零 件的进程 。采用激光焊接,可以减少搭接宽度和一些加强部 件,还可以压缩车身结构件本身的体积 。仅此一项车身的重 量可减少50kg左右 。而且激光焊接技术能保证焊点连接达 到分子层面的接合,有效提高了车身的刚度和碰撞安全性, 同时有效降低了车内噪声 。
激光拼焊是在车身设计制造中,根据车身不同的设计和 性能要求,选择不同规格的钢板,通过激光截剪和拼装技术
完成车身某一部位的制造,例如前档风玻璃框架 、车门内板 、 车身底板 、中立柱等 。激光拼焊具有减少零件和模具数量 、 减少点焊数目 、优化材料用量 、降低零件重量 、降低成本和提 高尺寸精度等好处 。而激光焊接主要用于车身框架结构的 焊接,例如顶盖与侧面车身的焊接,传统焊接方法的电阻点 焊已经逐渐被激光焊接所代替 。用激光焊接技术,工件连接 之间的接合面宽度可以减少,既降低了板材使用量也提高了 车体的刚度,目前已经被世界上部分生产高档轿车的大汽车 制造商和领先的配件供应商所采用 。
飞机制造中,它主要应用于飞机大蒙皮的拼接以及蒙皮 与长桁的焊接,以保证气动面的外形公差 。另外在机身附件 的装配中也大量使用了激光束焊接技术,如腹鳍和襟翼的翼 盒,结构不再是应用内肋条骨架支撑结构和外加蒙皮完成, 而是应用了先进的钣金成形技术后,采用激光焊接技术在三 维空间完成焊接拼合,不仅产品质量好,生产效率高,而且工 艺再现性好,减重效果明显 。
珠宝首饰行业中,激光焊接可满足美观性及不同材质间 的焊接,已被广泛用于金银首饰补孔 、点焊砂眼 、焊镶口等 。 激光焊接中的熔覆技术已成为模具修补的主要技术,航 空业界用此技术进行航空发动机Ni基涡轮叶片耐热 、耐磨 层的修复 。激光熔覆与其它表面改性方法相比,加热速度 快 、热输入少,变形极小,结合强度高,稀释率低,改性层厚度 可精确控制,定域性好 、可达性好 、生产效率高 。
其它诸如手机电池 、电子元件 、传感器 、钟表 、精密机械 、 通信等行业都已引入了激光焊接技术 。
激光焊接由于设备投入较高,目前只是在高附加值的领 域里应用较多,即使在这些领域里,激光焊接长期以来也并 没有被充分利用 。不过随着新的激光焊接技术和设备的研 发,激光焊接正在逐渐挤进长期以来一直被传统焊接技术所 占据的“领地”。
3 激光焊接的最新发展
自从激光焊接技术面世以来,科技工作者就没有停止过 对它的深入研究 。近年来已成熟的应用研究成果主要体现 在这样几个方面:
3. 1 新型激光器的研发
已经面市的新型激光器有直流板条式CO2激光器 、二极 管泵浦的 YA G激光器 、CO激光器 、半导体激光器 、准分子激 光器等 。直流板条式CO2激光器,光束质量极好( k > 0. 8) , 消耗气体少(0. 3L/ h) ,运行可靠 、免维修 、运行费用低,商品
型的已达3500W。二极管泵浦的 YA G激光器,使用寿命
长,可 以 使 用 近 20000 小 时,该 类 激 光 器 商 品 型 的 已 达
5000W。而CO激光器,产生的波长是CO2激光的一半,为
5. 3μm ,发散角也为CO2 激光的一半,同样的条件下PD为 CO2的4倍 。半导体激光器产生的波长为0. 85～1. 65μm , 可用光纤传输,体积小,输出功率可达3kW。准分子激光器
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第5期 杨春燕:激光焊接技术的应用与发展© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 的波长处于紫外波段,范围193～351nm ,约是 YA G激光器
的1/ 5和CO2激光的1/ 50 ,单光子能量比大部分分子的化学
键能都高,能深入材料分子内部进行加工,加工基理是基于 光化学作用,在非放热效应下进行,因此,材料变形极小 。准 分子激光器还可调谐,功率水平在实验室已达千瓦级 。 3. 2 设备的智能化及加工的柔性化
激光焊接设备的智能化,为激光在高 、精 、尖方面的焊接 提供了有力的支持 。特别是对 YA G激光,由于可用光纤传 输,给加工带来了极大方便 。智能化激光机的特点是:
(1)一机多用,同时具有焊接 、切割 、打孔等功能 。 (2)采用一台激光机可进行多工位加工 。既可进行不同 工位的分时加工,也可进行几个工位的同时加工 。
(3)光纤长度可长达数十米,能实现较远距离的焊接 。 (4)开放式控制接口,可与CNC、PL C、PC直接相连 。 (5)具有远距离诊断功能 。
3. 3 复合激光焊接
1970年就已出现了激光 —电弧复合焊,然而成熟稳定的 加工是近几年才实现的,这主要是由于激光技术以及弧焊设 备的发展,尤其是激光功率和电流控制技术的提高给提供了 有力的技术支持 。复合加工时,激光产生的等离子体有利于 电弧的稳定,通过激光与电弧的相互影响,可克服每一种方 法自身的不足,进而产生良好的复合效应 。复合加工可提高 加工效率和焊接性差的材料诸如铝合金等的焊接性,增加焊 接的稳定性和可靠性 。
3. 4 激光焊接过程的控制
在激光焊接过程控制方面,已出现使用电容传感系统测 量和控制焦点位置的技术,其机理是基于传感器的振荡频率 随焦点变化而发生有规律的变化 。基于相同的原理,电容传
感系统也可用于焊接速度和焊接缺陷的检测与控制 。 3. 5 双焦点激光焊接技术
这是一种利用两个激光束焊接的新技术 。双焦点激光 焊接技术可在被焊接材料上形成间距很小的两个聚焦点,可 实现激光光束的分束和叠加 。两个激光光源的叠加形成一 束激光光束,可大大提高激光功率 、生产的稳定性 、产品质量 和生产灵活性 。激光焊接功率的提高一方面可以提高激光 焊接焊缝的深度;另一方面又可提高激光焊接的焊接速度; 在铝合金材料的焊接过程中还可避免常见的熔洞和烧穿等 焊接缺陷 。
结束语
激光焊接是一种焊接新技术,其应用范围和焊接能力还 并没有被人们完全认识,还有待于科技工作者进一步研究和 开发 。相信不久的将来,激光焊接技术不仅会在更多的加工 领域出现,而且还会成为这些领域的主流加工技术之一 。
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[责任编辑 、校对:王培华]
Appl ication and Development of Laser Wel ding Technology
Y A N G Chu n 2 yan
(Department of Mechanical Engineering , Xi’an Aeronautical College , 710077 , Xi’an , Shaanxi , China)
