激光焊接工藝的現(xiàn)狀與進(jìn)展.pdf

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1、第十二次全國(guó)焊接學(xué)術(shù)會(huì)議論文集激光焊接工藝的現(xiàn)狀與進(jìn)展上海交通大學(xué)上海市激光制造與材料改性重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(200240)陸斌鋒蘆鳳桂唐新華姚舜摘要激光焊接作為一種高質(zhì)量、高精度、低變形、高效率和高速度的焊接方法,在工業(yè)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。為了對(duì)激光焊接技術(shù)進(jìn)行回顧和展望,概括介紹了常用激光焊接設(shè)備及新型二極管泵浦固體激光設(shè)備的特性,激光焊接的機(jī)理,常用材料激光焊接工藝及其存在的問(wèn)題,各種改善焊縫質(zhì)量的工藝,塑料的激光焊接及其數(shù)學(xué)建模,以及大型激光焊接平臺(tái)和雙光束激光焊接技術(shù)的特點(diǎn),并對(duì)國(guó)際上激光焊接技術(shù)發(fā)展的動(dòng)向作出展望。關(guān)鍵詞:激光焊接設(shè)備激光焊接激光焊接工

2、藝中圖分類(lèi)號(hào):TG456.7YAG激光。CO2激光和Nd:YAG激光都是肉眼不可見(jiàn)0前言紅外光。Nd:YAG激光產(chǎn)生的光束主要是近紅外光,波長(zhǎng)為1.06μm,熱導(dǎo)體對(duì)這種波長(zhǎng)的光吸收率較高,激光焊接是一種現(xiàn)代的焊接方法。激光焊接的特對(duì)于大部分金屬,它的反射率為20%～30%。只要使點(diǎn)是被焊接工件變形極小,焊接深度/寬度比高,熱影用標(biāo)準(zhǔn)的光鏡就能使近紅外波段的光束聚焦為直徑響區(qū)小,因此焊接質(zhì)量比傳統(tǒng)焊接方法高,它們?cè)诠I(yè)0.25mm。CO2激光的光束為遠(yuǎn)紅外光,波長(zhǎng)為10.6上的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。激光焊接還具有不受磁場(chǎng)的影μm,大部分金屬對(duì)這種光的反射率達(dá)到8

3、0%～90%,響,不局限于導(dǎo)電材料,不需要真空的工作條件并且焊需要特別的光鏡把光束聚焦成直徑為0.75-0.1接過(guò)程中不產(chǎn)生X射線(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)。隨著制造部門(mén)把自動(dòng)[3]mm。Nd:YAG激光功率一般能達(dá)到4000～6000W化技術(shù)應(yīng)用到焊接過(guò)程,激光和計(jì)算機(jī)控制的結(jié)合能夠更好更精確地控制焊接過(guò)程,從而提高產(chǎn)品質(zhì)量[1]。左右,現(xiàn)在最大功率已達(dá)到10000W。而CO2激光功率卻能輕易達(dá)到20000W甚至更大。保證激光焊接的質(zhì)量,也就是激光焊接過(guò)程監(jiān)測(cè)與質(zhì)量控制也已成為激光利用領(lǐng)域的重要內(nèi)容,包括利用大功率的CO2激光通過(guò)小孔效應(yīng)來(lái)解決高反射率電感、電容、聲波、光電

4、等各種傳感器,通過(guò)電子計(jì)算機(jī)的問(wèn)題,當(dāng)光斑照射的材料表面熔化時(shí)形成小孔,這個(gè)處理,針對(duì)不同焊接對(duì)象和要求,實(shí)現(xiàn)諸如焊縫跟蹤、充滿(mǎn)蒸氣的小孔猶如一個(gè)黑體,幾乎全部吸收入射光缺陷檢測(cè)、焊縫質(zhì)量監(jiān)測(cè)等項(xiàng)目,通過(guò)反饋控制調(diào)節(jié)焊線(xiàn)的能量,孔腔內(nèi)平衡溫度達(dá)25000℃左右,在幾微秒接工藝參數(shù),從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化激光焊接。的時(shí)間內(nèi),反射率迅速下降。CO2激光器的發(fā)展重點(diǎn)激光可以用于對(duì)很多材料的焊接,碳鋼、低合金高雖然仍集中于設(shè)備的開(kāi)發(fā)研制,但已不在于提高最大強(qiáng)度鋼、不銹鋼、鋁合金和鈦合金等都可以用激光進(jìn)行的輸出功率,而在于如何提高光束質(zhì)量及其聚焦性能。焊接。一般來(lái)說(shuō),激光焊

5、接的速度跟激光功率成正比,另外,CO2激光10kW以上大功率焊接時(shí),若使用氬氣也受到工件的材料類(lèi)型和厚度的影響。激光焊接的應(yīng)保護(hù)氣體,常誘發(fā)很強(qiáng)的等離子體,使熔深變淺。因此,用也隨著激光焊接技術(shù)的發(fā)展而日趨廣泛,目前已涉CO2激光大功率焊接時(shí),常使用不產(chǎn)生等離子體的氦[4]及航空航天、武器制造、船舶制造、汽車(chē)制造、壓力容器氣作為保護(hù)氣體。[2]制造、民用及醫(yī)用等多個(gè)領(lǐng)域。作者概括介紹激光用于激發(fā)高功率Nd:YAG晶體的二極管激光組合焊接的原理,追蹤介紹最新的焊接工藝及方法。的應(yīng)用是一項(xiàng)重要的發(fā)展課題,必將大大提高激光束[5]的質(zhì)量,并形成更加有效的激光加工

6、。采用直接二1激光焊接原理及工藝極管陣列激發(fā)輸出波長(zhǎng)在近紅外區(qū)域的激光,其平均1.1激光器分類(lèi)功率已達(dá)1kW,光電轉(zhuǎn)換效率接近50%。二極管還具用于焊接的主要有兩種激光,即CO2激光和Nd:有更長(zhǎng)的使用壽命(10000h),有利于降低激光設(shè)備的收稿日期:2007-12-30維護(hù)成本。二極管泵浦固體激光設(shè)備(DPSSL)的開(kāi)發(fā)2008年第4期53ProceedingsoftheTwelfthNationalWeldingConferenceofChina研究在世界上很活躍。美國(guó)已研究開(kāi)發(fā)出了3kWLD有穿透被焊材料,所以在傳導(dǎo)焊過(guò)程中焊縫不易被氣泵浦Slab

7、型固體激光設(shè)備(圖1a),可獲得20～30mm體侵入;而深熔焊時(shí),小孔的不斷關(guān)閉能導(dǎo)致氣孔。傳的大熔深焊縫[6]?，F(xiàn)在德國(guó)開(kāi)發(fā)的LD泵浦薄圓盤(pán)固導(dǎo)焊和深熔焊方式也可以在同一焊接過(guò)程中相互轉(zhuǎn)換,由傳導(dǎo)方式向小孔方式的轉(zhuǎn)變?nèi)Q于施加于工件體激光器具有體積小、質(zhì)量好、效率高和可大功率化等的峰值激光能量密度和激光脈沖持續(xù)時(shí)間。激光脈沖特點(diǎn)(圖1b)。目前,許多公司正在研制大功率的半導(dǎo)能量密度的時(shí)間依賴(lài)性能夠使激光焊接在激光與材料體激光設(shè)備,現(xiàn)已出現(xiàn)2～6kW級(jí)的商用小型設(shè)備。相互作用期間由一種焊接方式向另一種方式轉(zhuǎn)變,即半導(dǎo)體激光由于效率高,與普通設(shè)備相比體積小很

8、多,在相互作用過(guò)程中焊縫可以先在傳導(dǎo)方式下形成,然但大功率時(shí)存在激