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气体流动状况不好时

发布日期:2021-01-26 04:46 作者:牙买加赌场 点击:

  不锈钢的激光焊接 一、绪论 激光焊以聚焦的激光束作为能源轰击焊件所产生的热量进行焊接的方法。 它具有 输入热量少、焊接速度高、接头热变形和热影响区小、熔池形状深宽比大、组织 细、 韧性好等优点。 焊接时无机械接触, 有利于实现在线质量监控和自动化生产, 经济效益显著。 激光焊接的应用领域 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 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,Buick,Audi 等也采用了一些剪裁坯板结构。日本以 C O2 激光焊代替了闪光对焊进行制钢业轧钢卷材的连接,在超薄板焊接的研 究,如板厚 100 微米以下的箔片,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。 2、粉末冶金领域 随着科学技术的不断发展,许多工业技术上对材料特殊要求,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。在八十年代初期,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的方法焊接金刚石,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、汽车工业 20 世纪 80 年代后期,千瓦级激光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。 德国奥迪、奔驰、大众、瑞典的沃尔沃等欧洲的汽车制造厂早在 20 世纪 8 0 年代就率先采用激光焊接车顶、车身、侧框等钣金焊接,90 年代美国通 用、福特和克莱斯勒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 使用得越来越多,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 70000t 比 1998 年增加 3 倍。根据汽车工业批量大、自动化 程度高的特点,激光焊接设备向大功率、多路式方向发展。在工艺方面美 国 Sandia 国家实验室与 PrattWitney 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余属有助于 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。 4、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,显示出独特的优越性,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,TIG 焊容易焊穿,等离子稳定性差,影响因素多而采用激光 焊接效果很好,得到广泛的应用。 5、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[13]用激光 焊接输卵管和血管的成功焊接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,并推广到其他组织的焊接。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、剂量及其对功能恢复以及激光焊料的 选择等方面的研究,刘铜军进行了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。 6、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中国内 进行了许多研究,如对 BT20 钛合金、HEl30 合金、Li-ion 电池等激光焊接, 德国玻璃机械制造商 GlamacoCoswig 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。 (一) 激光 激光的最初中文名叫做“镭射”、“莱塞”,是它的英文名称 LASER 的音译,是 取自英文 Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation 的各单词的头 一个字母组成的缩写词。意思是通过受激发射光扩大。激光的英文全名已完全 表达了制造激光的主要过程。1964 年按照我国著名科学家钱学森建议将“光受激 发射”改称“激光”。 激光是 20 世纪以来,继原子能、计算机、半导体之后,人类的又一重大发明, 被称为“最快的刀”、“最准的尺”、“最亮的光”和“奇异的激光”。它的亮 度为太阳光的 50 亿倍。它的原理早在 1916 年已被著名的物理学家爱因斯坦发 现,但要直到 1958 年激光才被首次成功制造。激光是在有理论准备和生产实践 迫切需要的背景下应运而生的,它一问世,就获得了异乎寻常的飞快发展,激光 的发展不仅使古老的光学科学和光学技术获得了新生, 而且导致整个一门新兴产 业的 出现。激光可使人们有效地利用前所未有的先进方法和手段,去获得空前 的效益和成果,从而促进了生产力的发展。 激光是物质受激辐射产生的光束,激光焊的焊接热源是高能激光束。 激光具有好的单色性、方向性、和高亮度。 1、单色性 激光的谱线宽度窄、波振面形状不随时间变化,有良好的时间和空间相干性,激 光这一性质使其在检测和通信领域得到了广泛应用。 2、方向性 方向性好意味着光束的发散角小。 发散角小的激光, 其束斑尺寸小, 功率密度高, 适合于激光焊。高质量激光器输出激光的发散角全角一般在(1~3)×10ˉ?rad, 上述激光刻意进行远离激光器的抵港进行激光焊操作。 3、高亮度 激光的高亮度表明激光的功率密度高,这正是材料激光焊所需要的。 激光的模式有纵模和横模之分,通常所说的模式均值横模。横模代表谐振腔内光 波场的横向分布规律(垂直于光的传播方向) ,时一个重要的激光参数,对焊接 效果有很大影响。横模通常用 TEMmn 来表示,其中 TEM 代表横电磁波,m、n 为垂直于光传播方向平面上 x、y 两个方向上的横模序数。M 或 n 的序数判断, 习惯上以 x、y 方向上能量分布曲线中谷(节点)的个数来决定。m、n 一般为小 正整数,有时称他们为阶次。 (一) 激光焊原理 激光焊接是激光加工材料加工技术应用的重要方面之一。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,即激光辐射加热工件表面,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 频率等参数,使工件熔化,形成特定的熔池。由于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 CO2 和高功率的 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,使其在机 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 C02 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的分光、吸收、散射特性以及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一定的研究。 按激光器输出能量方式的不同,激光焊分为脉冲激光焊和梁旭激光焊(包苦 熬高频脉冲连续激光焊);按激光聚焦后光斑上功率密度,激光焊可分为传热焊 和深熔焊。 1. 传热焊 采用的激光光斑功率密度小于 105W/cm2 时,激光将金属表面加热到熔点与 沸点之间,焊接时,金属材料表面将所吸收的激光能转变为热能,使金属表面温 度升高而熔化,然后通过热传导方式把热能传向金属内部,使熔化区逐渐扩大, 凝固后形成焊点或焊缝,其熔深轮廓近似为半球形。这种焊接机理称为传热焊, 它类似于 TIG 电弧焊过程,如图 1(a)所示。 传热焊的主要特点是激光光斑的功率密度小, 很大一部分光被金属表面所反 射,光的吸收率低,焊接熔深浅,焊接速度慢主要用于薄(厚度<1mm)、小 零件的焊接加工 传 10 2、 、 深熔焊 当激光光斑上的功率密度足够大时(≥106W/cm2) ,金属在激光的照射下被 -8 -6 迅速加热,其表面温度在极短的时间内(10 ~10 s)升高到沸点,使金属熔化 和气化。当金属气化时,所产生的金属蒸气以一定的速度离开熔池,金属蒸气的 逸出对熔化的液态金属产生一个附加压力(例如对于铝,p≈11MPa;对于钢,p ≈5MPa) ,使熔池金属表面向下凹陷,在激光光斑下产生一个小凹坑〔图 1(b)〕 。 当光束在小孔底部继续加热气化时, 所产生的金属蒸气一方面压迫坑底的液态金 属使小坑进一步加深, 另一方面, 向坑外飞出的蒸气将熔化的金属挤向熔池四周。 这个过程进行下去,便在液态金属中形成一个细长的孔洞。当光束能量所产生的 金属蒸气的反冲压力与液态金属的表面张力和重力平衡后,小孔不再继续加深, 形成一个深度稳定的孔而进行焊接,因此称之为激光深熔焊〔图 1(b)〕 。如果激 光功率足够大而材料相对较薄, 激光焊形成的小孔贯穿整个板厚且背面可以收到 部分激光,这种焊接方法也可称之为薄板激光小孔效应焊。从机理上看,深熔焊 和小孔效应焊的前提都是焊接过程中存在着小孔,二者没有本质的区别。在能量 平衡和物质流动平衡的条件下,可以对小孔稳定存在时产生的一些现象进行分 析。只要光束有足够高的功率密度,小孔总是可以形成的。小孔中充满了被焊金 属在激光束连续照射下所产生的金属蒸气及等离子体(图 2) 。这个具有一定压 力的等离子体还向工件表面空间喷发, 在小孔之上, 形成一定范围的等离子体云。 小孔周围为熔池所包围,在熔化金属的外面是未熔化金属及一部分凝固金属,熔 化金属的重力和表面张力有使小孔弥合的趋势, 而连续产生的金属蒸气则力图维 持小孔的存在。在光束入射的地方,有物质连续逸出孔外,随着光束的运动,小 孔将随着光束运动,但其形状和尺寸却是稳定。 用激光束作为热源的焊接 方法。焊接时,将激光器发射的高功率密度(108~1012 瓦/厘米 2 )的激光束聚 缩成聚焦光束,用以轰击工件表面,產生热能,熔化工件(见图 激光焊示意图)。 激光束是具有单一频率的相干光束,在发射中不產生发散,可用透镜聚 缩为一定大小的焦点(直径为 0.076~0.8 毫米)。小焦点激光束可用於焊接﹑切 割和打孔﹔大焦点激光束可用於材料表面热处理。 激光束可利用反射镜任意变换 方向,因而能焊接一般焊接方法无法接近的工件部位。如採用光导纤维引导激光 束,则更能增加焊接的灵活性。激光器分固体激光器和气体激光器。固体激光器 所用材料为红宝石﹑釹玻璃等。固体激光器输出能量小,约为 1~50 焦耳,產 生脉衝激光,其加热脉衝持续时间极短(小於 10 毫秒),因而焊点可小到几十至 几百微米,焊接精度高,适於 0.5 毫米以下厚度的金属箔片的点焊﹑连续点焊或 直径 0.6 毫米以下的金属丝的对接焊, 固体激光器广泛用於焊接微型﹑精密﹑排 列密集﹑对受热敏感的电子元件和仪器部件。 气体激光器所用材料为二氧化碳或 氬离子气等,功率大(15~25000 瓦),可產生连续激光,能进行连续焊接,可焊 0.12~12 毫米厚的低合金钢﹑不锈钢﹑镍﹑鈦﹑铝等金属及其合金。小功率二 氧化碳激光器还可焊接石英﹑陶瓷﹑玻璃和塑料等非金属材料。激光焊件质量 高, 有时超过电子束焊焊件的质量。 激光焊机, 特别是大功率激光焊机, 成本高, 效率甚低,一般只达 5~10%,最佳为 20%,穿透能力也不及电子束。但用激 光束可在空气中或保护气体中焊接,比电子束焊方便。l (二)激光焊接的主要特性 与其它传统焊接技术相比,激光焊接的主要优点是: 1、速度快、深度大、变形小。 2、能在室温或特殊条件下进行焊接,焊接设备装置简单。例如,激光通过 电磁场,光束不会偏移;激光在真空、空气及某种气体环境中均能施焊,并能通 过玻璃或对光束透明的材料进行焊接。 3、可焊接难熔材料如钛、石英等,并能对异性材料施焊,效果良好。 4、激光聚焦后,功率密度高,在高功率器件焊接时,深宽比可达 5:1,最 高可达 10:1。 5、可进行微型焊接。激光束经聚焦后可获得很小的光斑,且能精确定位, 可应用于大批量自动化生产的微、小型工件的组焊中。 6、可焊接难以接近的部位,施行非接触远距离焊接,具有很大的灵活性。 尤其是近几年来,在 YAG 激光加工技术中采用了光纤传输技术,使激光焊接技 术获得了更为广泛的推广和应用。 7、激光束易实现光束按时间与空间分光,能进行多光束同时加工及多工位 加工,为更精密的焊接提供了条件。 但是,激光焊接也存在着一定的局限性: 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雨寸小,焊缝窄,为加填充金属材料。若工件装配精度 或光束定位精度达不到要求,很容易造成焊接缺憾。 2、激光器及其相关系统的成本较高,一次性投资较大。二、激光焊接热传 导。 激光焊接是将高强度的激光束辐射至金属表面,通过激光与金属的相互作 用,使金属熔化形成焊接。在激光与金属的相互作用过程中,金属熔化仅为其中 一种物理现象。有时光能并非主要转化为金属熔化,而以其它形式表现出来,如 汽化、等离子体形成等。然而,要实现良好的熔融焊接,必须使金属熔化成为能 量转换的主要形式。为此,必须了解激光与金属相互作用中所产生的各种物理现 象以及这些物理现象与激光参数的关系,从而通过控制激光参数,使激光能量绝 大部分转化为金属熔化的能量,达到焊接的目的。 (三) 激光焊焊接过程中的几种效应 (1)激光焊焊接过程中的等离子体 ① 等离子体的形成 在高功率密度条件下进行激光加工时会出现等离子 体。等离子体的产生是物质原子或分工受能量激发电离的结果,任何物质在接收 外界能量而温度升高时,原子或分子受能量(光能、热能、电场能等)的激发都 会产生电离,从而形成由自由运动的电子、带正电的离子和中性原子组成的等离 子体。等离子体通常称为物质的第四态,在宏观上保持电中性状态。激光焊时, 形成等离子体的前提是材料被加热至气化。 金属被激光加热气化后,在熔池上方形成高温金属蒸气。金属蒸气中有一定 的自由电子。处在激光辐照区的自由电子通过逆韧致辐射吸收能量而被加速,直 到其有足够的能量来碰撞、电离金属蒸气和周围气体,电子密度从而雪崩式地增 加。这个过程可以近似地用微波加热和产生等离子体的经典模型来描述。 在 107W/cm2 的功率下,平均电子能量随辐照时间的加长急剧增加到一个常 值(约 1cV) 。在这个电子能量下,电离速率占有优势,产生雪崩式电离,电子 密度急剧上升。电子密度最后达到的数值与复合速率有关,也与保护气体有关。 激光加工过程中的等离子体主要为金属蒸气的等离子体, 这是因为金属材料 的电离能低于保护气体的电离能,金属蒸气较周围气体易于电离。如果激光功率 密度很高,而周围气体流动不充分时,也可能使周围气体离解而形成等离子体。 ② 等离子体的行为 高功率 激光深熔焊时, 位于熔池上方的等离子体会引 起光的吸收和散射,改变焦点位置,降低激光功率和热源的集中程度,可影响焊 接过程。 等离子体通过逆韧致辐射吸收激光能量, 逆韧致辐射是等离子体吸收激光能 量的重要机制,是由于电子和离子之间的碰撞所引起的。简单地说就是:在激光 场中, 高频率振荡的电子在和郭碰撞时, 会将其相应的振动能变成无规则运动能, 结果激光能量变成等离子体热运动的能量,激光能量被等离子体吸收。 等离子体对激光的吸收率与电子密度和蒸气密度成正比, 随激光功率密度和 作用时间的增长而增加,并与波长的平方成正比。同样的等离子体,对波长 10.6 μm 的 CO2 激光焊的吸收率比对波长 1.06μm 的 YAG 激光的吸收高两个数量级。 由于吸收率不同,不同波长的激光产生等离子体所需的功率密度阈值也不同。 YAG 激光产生等离子体阈值功率密度比 CO2 激光的高出约两个数量级。也就是 说,用 CO2 激光进行加工时,易产生等离子体并受其影响,而用 YAG 激光加工, 等离子体的影响则较小。 激光通过等离子体时,改变了吸收和聚焦条件,有时会出现激光束的自聚焦 现象。等离子体吸收的光能可以通过不同渠道传至工件。如果等离子体传至工件 的能量大于等离子体吸收所造成工件接收光能的损失, 则等离子体反而增强了工 件对激光能量的吸收,这时,等离子体也可看作是一个热源。 激光功率 密 度处于形成等离子体的阈值附近时,较稀薄的等离子体云集于工件表面,工件通 过等离子体吸收能量〔图 3(a)〕 ,当材料气化和形成的等离子体云浓度形成稳定 的平成所谓激光维持的吸收波。在这种情形中,会出现等离子体的形成和消失的 周期性振荡〔图 3(b)〕 。这种激光维持的吸收波,容易在激光焊接过程中出现, 必须加以抑制。 进一步加大激光功率密度(I107W/cm2) ,激光加工区周围的气体可能被击 穿。激光穿过纯气体,将气体击穿所需功率密度一般大于 109W/cm2。但在激光 作用的材料附近,存在一些物质的初始电离,原始电子密度较大,击穿气体所需 功率密度可下降约两个数量级。击穿各种气体所需功率密度大小与气体导热性、 解离能和电离能有关。气体的导热性越好,能量的传热导损失越大,等离子体的 维持阈值越高,在聚焦状态下就意味着等离子体高度越低,越不容易出现等离子 体屏蔽。对于电离能较低的氩气,气体流动状况不好时,在略高于 106W/cm2 的 功率下也可能出现击穿现象。 气体击穿所形成的等离子体,其温度、压力、传播速度和对激光的吸收率都 很大,形成所谓激光维持的爆发波,它完全、持续地阻断激光向工件地传播。一 般在采用连续 CO2 激光进行加工时,其功率密度均应小于 107W/cm2。 (2)壁聚焦效应 激光深熔焊时,当小孔形成以后,激光束将进入小孔。 当光束与小孔壁相互作用时,入射激光并不能全部被吸收,有一部分将由孔壁反 射在小孔某处重新汇聚起来,这一现象称为壁聚焦效应。壁聚焦效应地产生,可 使激光在小孔内部维持较高的功率密度,进一步加热熔化材料。对于激光焊接过 程,重要的是激光在小孔底部的剩余功率密度,它必须足够高,以维持孔底有足 够高的温度,产生必要的气化压力,维持一定深度的小孔。 小孔效应的产生和壁聚焦效应的出现, 能大大地改变激光与物质的相互作用 过程,当光束进入小孔后,小孔相当于一个吸光的黑体,使能量的吸收率大大增 加。 (3)净化效应 净化效应是指 CO2 激光焊时,焊缝金属有害物质减少或夹 杂物减少的现象。 产生净化效应原因是: 有害物质在钢中可以有两种形式存在──夹杂物或直 接固溶在基体中。当这些元素以非金属夹杂物存在时,在激光焊时将产生下列作 用:对于波长为 10.6μm 的 CO2 激光,非金属的吸收率远远大于金属,当非金 属和金属同时受到激光照射时, 非金属将吸收较多的激光使其温度迅速上升而气 化。当这些元素固溶在金属基体时,由于这些非金属元素的沸点低,蒸气压高, 它们会从熔池中蒸发出来。上述两种作用的总效果是焊缝中的有害元素减少,这 对金属的性能,特别是塑性和韧性,有很大好处。当然,激光焊净化效应产生的 前提必须是对焊接区加以有效地保护,使之不受大气等的污染。 (四)激光焊工艺参数 (1)功率密度。 功率密度是激光加工中最关键的参数之一。采用较高的功率 密度,在微秒时间范围内,表层即可加热至沸点,产生大量汽化。因此, 高功率密度对于材料去除加工,如打孔、切割、雕刻有利。对于较低功率 密度,表层温度达到沸点需要经历数毫秒,在表层汽化前,底层达到熔点, 易形成良好的熔融焊接。因此,在传导型激光焊接中,功率密度在范围在 1 0^4~10^6W/CM^2。 (2)激光脉冲波形。 激光脉冲波形在激光焊接中是一个重要问题,尤其 对于薄片焊接更为重要。当高强度激光束射至材料表面,金属表面将会有 6 0~98%的激光能量反射而损失掉,且反射率随表面温度变化。在一个激光 脉冲作用期间内,金属反射率的变化很大。 (3)激光脉冲宽度。 脉宽是脉冲激光焊接的重要参数之一,它既是区别 于材料去除和材料熔化的重要参数,也是决定加工设备造价及体积的关键 参数。 (4)离焦量对焊接质量的影响。 激光焊接通常需要一定的离做文章 一,因为激光焦点处光斑中心的功率密度过高,容易蒸发成孔。离开激光 焦点的各平面上,功率密度分布相对均匀。离焦方式有两种:正离焦与负 离焦。焦平面位于工件上方为正离焦,反之为负离焦。按几何光学理论, 当正负离焦平面与焊接平面距离相等时,所对应平面上功率密度近似相同, 但实际上所获得的熔池形状不同。负离焦时,可获得更大的熔深,这与熔 池的形成过程有关。实验表明,激光加热 50~200us 材料开始熔化,形成液 相金属并出现问分汽化,形成市压蒸汽,并以极高的速度喷射,发出耀眼 的白光。与此同时,高浓度汽体使液相金属运动至熔池边缘,在熔池中心 形成凹陷。当负离焦时,材料内部功率密度比表面还高,易形成更强的熔 化、汽化,使光能向材料更深处传递。所以在实际应用中,当要求熔深较 大时,采用负离焦;焊接薄材料时,宜用正离焦。 激光焊国内外发展状况 20 世纪 80 年代中期,激光焊接作为新技术在欧洲、美国、日本得到了 广泛的关注。1985 年德国蒂森钢铁公司与德国大众汽车公司合作,在 Aud i100 车身上成功采用了全球第一块激光拼焊板。90 年代欧洲、北美、日本 各大汽车生产厂开始在车身制造中大规模使用激光拼焊板技术。目前,无 论实验室还是汽车制造厂的实践经验,均证明了拼焊板可以成功地应用于 汽车车身的制造。 激光拼焊是采用激光能源,将若干不同材质、不同厚度、不同涂层的 钢材、不锈钢材、铝合金材等进行自动拼合和焊接而形成一块整体板材、 型材、夹芯板等,以满足零部件对材料性能的不同要求,用最轻的重量、 最优结构和最佳性能实现装备轻量化。在欧美等发达国家,激光拼焊不仅 在交通运输装备制造业中被使用,还在建筑业、桥梁、家电板材焊接生产、 轧钢线钢板焊接(连续轧制中的钢板连接)等领域中被大量使用。 世界著名的激光焊接企业有瑞士 Soudonic 公司、 法国阿赛洛钢铁集团、 德国蒂森克虏伯集团 TWB 公司、加拿大 Servo-Robot 公司、德国 Precitec 公司等。 中国的激光拼焊板技术应用刚刚起步,2002 年 10 月 25 日,中国第一 条激光拼焊板专业化商业生产线正式投入运行,由武汉蒂森克虏伯中人激 光拼焊从德国蒂森克虏伯集团 TWB 公司引进。此后上海宝钢阿赛洛激光拼 焊公司、一汽宝友激光拼焊有限公司等相继投产。 2003 年 由华工激光提供的国内首台大型带材在线式焊接成套设备通 过离线验收。该设备集激光切割、焊接和热处理于一身,使我国华工激光 成为世界上第四家能够生产此类设备的企业。 2004 年 华工激光“高功率激光切割,焊接及切焊组合加工技术与设备” 项目获得国家科学技术进步二等奖,成为国内目前唯一具备该项技术与设备 研制能力的激光企业。 中科院沈阳自动化研究所与日本石川岛播磨重工株式会社进行国 际合作,遵循国家引进消化后再创新的科技发展战略,攻克激光拼焊若干 个关键技术,于 2006 年 9 月开发出国内第一套激光拼焊成套生产线,并成 功开发了机器人激光焊接系统,实现了平面和空间曲线的激光 激光焊接的主要优点 (1)可将入热量降到最低的需要量,热影响区金相变化范围小,且因 热传导所导致的变形亦最低。 (2)32mm 板厚单道焊接的焊接工艺参数业经检定合格,可降低厚板 焊接所需的时间甚至可省掉填料金属的使用。 (3)不需使用电极,没有电极污染或受损的顾虑。且因不属于接触式 焊接制程,机具的耗损及变形接可降至最低。 (4)激光束易于聚焦、对准及受光学仪器所导引,可放置在离工件适 当之距离,且可在工件周围的机具或障碍间再导引,其他焊接法则因受到 上述的空间限制而无法发挥。 (5)工件可放置在封闭的空间(经抽真空或内部气体环境在控制下)。 (6)激光束可聚焦在很小的区域,可焊接小型且间隔相近的部件, (7)可焊材质种类范围大,亦可相互接合各种异质材料。 (8)易于以自动化进行高速焊接,亦可以数位或电脑控制。 (9)焊接薄材或细径线材时,不会像电弧焊接般易有回熔的困扰。 (10)不受磁场所影响(电弧焊接及电子束焊接则容易),能精确的 对准焊件。 (11)可焊接不同物性(如不同电阻)的两种金属 (12)不需真空,亦不需做 X 射线)若以穿孔式焊接,焊道深一宽比可达 10:1 (14)可以切换装置将激光束传送至多个工作站。 激光焊接的主要缺点 (1)焊件位置需非常精确,务必在激光束的聚焦范围内。 (2)焊件需使用夹治具时,必须确保焊件的最终位置需与激光束将冲 击的焊点对准。 (3)最大可焊厚度受到限制渗透厚度远超过 19mm 的工件,生产线上 不适合使用激光焊接。 (4)高反射性及高导热性材料如铝、铜及其合金等,焊接性会受激光 所改变。 (5)当进行中能量至高能量的激光束焊接时,需使用等离子控制器将 熔池周围的离子化气体驱除,以确保焊道的再出现。 (6)能量转换效率太低,通常低于 10%。 (7)焊道快速凝固,可能有气孔及脆化的顾虑。 (8)设备昂贵。 不锈钢的激光焊 二、 实验部分、 三、

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