激光焊接及相關(guān)技術(shù)新進展

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1、激光焊接及相關(guān)技術(shù)的新進展激光焊接及相關(guān)技術(shù)的新進展近年來，在激光裝備與應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域出現(xiàn)了兩個令人矚目的進展：一是以大功率光纖激光器為代表的激光焊接（切割）裝備，凸顯了激光加工的高效率、低運行成本和“現(xiàn)場化”的工業(yè)應(yīng)用優(yōu)勢；二是新型、高強材料的出現(xiàn)，牽引和促進了各種激光復(fù)合焊接技術(shù)的研發(fā)，呈現(xiàn)了“一代材料”與“一代技術(shù)”的配套效應(yīng)。這些都標(biāo)志著一個激光技術(shù)應(yīng)用新時期的到來。因此，了解快速發(fā)展中的激光技術(shù)，掌握各種激光器的特點和技術(shù)性能，對“光加工”在機械制造行業(yè)的推廣應(yīng)用有重要的現(xiàn)實意義。一、激光器的功率與光束特性的工程意義機械制造領(lǐng)域中的激

2、光加工大多通過光與物質(zhì)的相互作用而實現(xiàn)。激光器光束的波長、功率密度、時空等特性是決定光與物質(zhì)相互耦合效率的重要參數(shù)。在工程應(yīng)用意義上主要表現(xiàn)在輸出功率和光束質(zhì)量兩個方面。（1）激光器的輸出功率是激光器加工能力的基本指標(biāo)之一。目前，向工業(yè)界提供的CO2激光器功率達45kW；多棒串聯(lián)的YAG激光器激光輸出功率達6kW；半導(dǎo)體泵浦固體激光器的功率達4.4kW；二極管泵浦薄片式固體激光器單模塊的輸出功率達2kW，組合輸出達8kW；尤其是輸出功率高達10kW～50kW的光纖激光器已進入工業(yè)界應(yīng)用。（2）光束質(zhì)量是激光器的一項關(guān)鍵指標(biāo)，其工程應(yīng)用意義上的

3、表征有三：一是對激光光斑能量時空分布穩(wěn)定性的要求，直接關(guān)系焊接、切割加工的精度與一致性；二是對激光光束焦點前后能量集中的“有效范圍”，直接關(guān)系中厚板的焊接、切割質(zhì)量和機器人對復(fù)雜型面進行遠程焊接或切割的效率與精度（見圖1）；三是關(guān)于激光光束的截面形狀及其功率密度，直接關(guān)系加工的工藝性和適用性。對于金屬及其合金，一般，激光束的波長越短吸收率越高。但在深熔焊接模式下，波長對吸收率的影響可以忽略。因此，激光器的功率與光束特性限定了可能實現(xiàn)的加工方法、加工有效尺度以及最終加工質(zhì)量近10年來，激光加工裝備在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀與趨勢為：①CO2激光器是當(dāng)

4、前工業(yè)應(yīng)用的主流；②Nd:YAG激光比前者具有能量吸收率較高、采用光纖傳輸?shù)膬?yōu)點，但在功率和運行成本方面受到限制；③光纖激光器（HPFL）以其優(yōu)良性能和對工業(yè)環(huán)境的適應(yīng)性，與目前激光加工中常用的二氧化碳激光器（CO2）、光泵YAG（LP-YAG）、半導(dǎo)體泵浦YAG激光器相比擁有較大優(yōu)勢；④半導(dǎo)體激光器已在材料的表面加工（如熔覆、強化、熱處理等）應(yīng)用中獨具特色。后兩者將在許多激光加工中，包括切割、焊接、熱處理以至激光打標(biāo)、雕刻、精密打孔等，表現(xiàn)出重量輕、體積較小、操作簡易、便攜靈巧等很強的工業(yè)適用能力，特別是能滿足以往難以做到的現(xiàn)場“原位”的加

5、工需求，為大型設(shè)備或部件的快速修復(fù)與再制造提供了工程可行性。二、激光及其復(fù)合熱源的應(yīng)用現(xiàn)狀激光焊接以較高的能量密度和對材料較短的熱作用時間，有效減少了焊縫區(qū)的冶金損傷、熱應(yīng)力和焊接結(jié)構(gòu)的變形，提高了焊接接頭的綜合力學(xué)性能，焊接效率也大大提高。近年來發(fā)展中的激光與電弧復(fù)合熱源，一方面由于電弧稀釋等離子體、預(yù)熱工件并提高了金屬對激光的吸收率；另一方面激光可引導(dǎo)電弧，使弧柱的電阻減小，場強降低，提高了電弧的穩(wěn)定性。因而，改善了激光焊接的工藝適應(yīng)性，拓展了激光的工業(yè)應(yīng)用范圍。以下從新材料、異種材料、接頭性能及焊接生產(chǎn)效率等方面提供一些典型的激光應(yīng)用實

6、例。1．各種新材料和高強材料的焊接如鎂合金、鋁合金、鈦合金、X52、X70中厚管線鋼、高強鋼、鎳基合金、耐熱鋼以及復(fù)合材料等的焊接2．基于激光的異種金屬材料焊接黃銅-紫銅、銅-鋼、鋁-鋼等的異種金屬材料焊接如圖6所示，與傳統(tǒng)熔焊方法相比，焊接接頭的性能顯著提高。3．激光焊接高效化的工程應(yīng)用近年來激光焊接在汽車白車身的裝焊、中厚板的焊接與切割、鍍層管板的切割、管線鋪設(shè)工程、船舶制造中都取得工業(yè)化應(yīng)用新進展，且運行成本不斷下降，對傳統(tǒng)加工方法的改進或替代、生產(chǎn)效率與產(chǎn)品品質(zhì)的大幅提升，構(gòu)成了對激光加工技術(shù)有力的需求驅(qū)動。另外，值得注意的是激光與電

7、弧的復(fù)合熱源在提高焊接速度方面的工程意義。例如，激光-TIG復(fù)合熱源的焊速可以達到激光焊接的兩倍以上，這在常規(guī)TIG焊難以做到；而激光-MIG復(fù)合熱源的焊速則比單獨MIG提高了一倍以上。在工藝特點上可表達為：①高效節(jié)能；②增加熔深；③可進行高速焊；④調(diào)節(jié)兩種熱源參數(shù)，可改善焊縫成形，熱影響區(qū)?。虎萏岣吡似驴陂g隙的允許公差，更加容易跟蹤焊縫。這一優(yōu)點對于超高強鋼、超細晶粒鋼、高強鋁合金等焊接時低能量輸入要求具有重要的應(yīng)用價值4．激光切割的新動態(tài)高的激光功率和光束質(zhì)量對材料的切割關(guān)系密切，切口窄、熱影響區(qū)小、無掛渣以及高切割速度等是激光切割工藝具

8、有的特點。圖10是激光切割的示例。圖11是三種不同激光器對不同厚度不銹鋼板材切割的速度對比。同時，一機多用的激光設(shè)備為制造業(yè)用戶帶來更大的方便和效益三、激光與其他工