激光焊接技術的應用.doc

激光焊接技術的應用激光焊接是激光加工材料加工技術應用的重要方面之一。20世紀70年代主要用于焊接薄壁材料和低速焊接，焊接過程屬于熱傳導型。即激光輻射加熱工件表面，表面熱量通過熱傳導向內部擴散，通過控制激光脈沖的寬度、能量、峰值功率和重復頻率等參數(shù)，使工件熔化，形成特定的熔池。由于激光焊接作為一種高質量、高精度、低變形、高效率和高速度的焊接方法，隨著高功率CO2和高功率的YAG激光器以及光纖傳輸技術的完善、金屬鉬焊接聚束物鏡等的研制成功，使其在機械制造、航空航天、汽車工業(yè)、粉末冶金、生物醫(yī)學微電子行業(yè)等領域的應用越來越廣。目前的研究主要集中于CO2激光和YAG激光焊接各種金屬材料時的理論，包括激光誘發(fā)的等離子體的分光、吸收、散射特性以及激光焊接智能化控制、復合焊接、激光焊接現(xiàn)象及小孔行為、焊接缺陷發(fā)乍機理與防止方法等，并對鎳蓐耐熱合金、鋁合金及鎂合金的焊接性焊接現(xiàn)象建模與數(shù)值模擬。鋼鐵材料、銅、鋁合金與異種材料的連接，激光接頭性能評價等方面做了一定的研究。1 激光焊接的原理 激光焊接原理：激光焊接是將高強度的激光束輻射至金屬表面。通過激光與金屬的相互作用，金屬吸收激光轉化為熱能使金屬熔化后冷卻結晶形成焊接。11 熱傳導焊接 當激光照射在材料表面時，一部分激光被反射。一部分被材料吸收，將光能轉化為熱能而加熱熔化，材料表面層的熱以熱傳導的方式繼續(xù)向材料深處傳遞，最后將炳焊件熔接在一起。12 激光深熔焊 當功率密度比較大的激光束照射到材料表面時，材料吸收光能轉化為熱能，材料被加熱熔化至汽化，產生大量的金屬蒸汽，在蒸汽退出表面時產生的反作用力下，使熔化的金屬液體向四周排擠，形成凹坑，隨著激光的繼續(xù)照射。凹坑穿人更深。當激光停止照射后。凹坑周邊的熔液回流。冷卻凝固后將兩焊件焊接在一起。2 激光焊接的應用領域21 制造業(yè)應用 激光拼焊（Tailored Bland Laser Welding）技術在國外轎車制造中得到廣泛的應用，據(jù)統(tǒng)計，2000年全球范圍內剪裁坯板激光拼焊生產線超過100條，年產轎車構件拼焊坯板7000萬件，并繼續(xù)以較高速度增長。國內生產的引進車型Passat，Buick，Audi等也采用廠一些剪裁坯板結構。日本以CO2激光焊代替了閃光對焊進行制鋼業(yè)軋鋼卷材的連接在超薄板焊接的研究，如板厚loo微米以下的箔片，無法熔焊，但通過有特殊輸出功率波形的YAG激光焊得以成功，顯示了激光焊的廣闊前途。22 粉末冶金領域 隨著科學技術的不斷發(fā)展。許多工業(yè)技術上對材料特殊要求，應用冶鑄方法制造的材料已不能滿足需要。由于粉末冶金材料具有特殊的性能和制造優(yōu)點。在某砦領域如汽車、飛機、工具刃具制造業(yè)中正在取代傳統(tǒng)的冶鑄材料，隨著粉末冶金材料的日益發(fā)展。它與其它零件的連接問題顯得日益突出，使粉末冶金材料的應用受到限制。在八十年代初期，激光焊以其獨特的優(yōu)點進入粉末冶金材料加工領域，為粉末冶金材料的應用開辟了新的前景，如采用粉末冶金材料連接中常用的釬焊的方法焊接金剛石，由于結合強度低，熱影響區(qū)寬特別是不能適應高溫及強度要求高而引起釬料熔化脫落，采用激光焊接町以提高焊接強度以及耐高溫性能。23 汽車工業(yè)在20世紀90年代中期，BMW公司利用激光焊接機器人完成了BMW 5系列轎車的第一條焊縫，焊縫總長度達12m。到2003年7月，激光焊接焊縫的總長度累計達到150萬米。激光技術競爭的結果是強化了其在汽車制造工業(yè)中的應用。Daimler Chrysler公司焊接（設備和零部件）技術課題組的負責人Christian Elsner先生認為：激光焊接最主要的應用領域是汽車傳動系統(tǒng)和汽車車架的焊接制造。激光焊接長期以來并沒有被充分利用，新的激光焊接電源和更高的功率使得激光焊接擠進了長期以來一直被傳統(tǒng)焊接技術所占據(jù)的“領地”。激光技術在汽車工業(yè)中之所以得到了極為廣泛的應用，與研究所的科技工作者們的勞動是分不開的。Daimler Chrysler公司生產技術與材料技術研究所打算在將來進一步加強與物理研究所的密切合作，使焊接生產過程中的傳感器技術能有更好的結果。工業(yè)控制系統(tǒng)生產企業(yè)、工業(yè)控制系統(tǒng)應用企業(yè)與科學研究機構之間的合作越緊密，合作的結果就越富有成效。新的激光焊接方案目前，一些研究機構和工業(yè)企業(yè)正在研制開發(fā)新的激光焊接方案。新型晶體管脈沖的沙本激光器（Diodengepumpte Scheibenlaser）就是一個這樣的范例。斯圖加特激光工具研究所（IFSW）的指出：新的沙本激光技術是一個全新的晶體管固體激光技術方案，它有著很高的激光效率和很好的激光聚焦性能。產生激光的介質是一個極薄的反射片，其厚度在百分之幾到二百分之幾微米之間。脈沖激光射束經緊湊的折射鏡系統(tǒng)多次折射，最后經晶體射出。盡管反射片厚度尺寸很小，但是其反射能力極高，總效率也很高。Hgel先生認為：這種激光技術集CO2激光技術與Nd：YAG固體激光技術的優(yōu)點于一身，在將來可以開辟更多新的應用領域。激光焊接的使用量在不斷增長，德國VW公司的Touran轎車就是一個很好的例證。在這一新型轎車中，激光焊點的數(shù)量達到了1400個、焊縫的總長度達70m。在舒適、美觀的敞蓬轎車的生產中，VW公司的技術人員與奧地利的焊接專家Fronius公司合作研制開發(fā)了一種激光混合焊接技術。在高級敞蓬轎車的車門上，激光混合焊接焊縫的長度達到了3570mm，是純激光焊接焊縫長度的3倍。激光混合焊接技術VW公司的材料專家認為：與純激光焊接技術相比，利用激光混合焊接技術可大大提高板金件縫隙的連接能力。從而使得VW公司可以更加充分地利用激光高速焊接時電弧焊接的工藝穩(wěn)定性。另一個應用實例是BMW 5系列的寶馬轎車的鋁合金隔板采用這種激光混合焊接技術與內高壓變形加工的鋁合金支架焊接在一起。與各種單獨使用的激光焊接技術相比，激光混合焊接技術具有顯著的優(yōu)點。對于激光混合，優(yōu)點主要體現(xiàn)在：更大的熔深/較大縫隙的焊接能力；焊縫的韌性更好，通過添加輔助材料可對焊縫晶格組織施加影響；無燒穿時焊縫背面下垂的現(xiàn)象；適用范圍更廣；借助于激光替換技術投資較少。對于激光MIG惰性氣體保護焊混合，優(yōu)點主要體現(xiàn)在：較高的焊接速度；熔焊深度大；產生的焊接熱少；焊縫的強度高；焊縫寬度小；焊縫凸出小。從而使得整個系統(tǒng)的生產過程穩(wěn)定性好，設備可用性好；焊縫準備工作量和焊接后焊縫處理工作量??；焊接生產工時短、費用低、生產效率高；具有很好的光學設備配置性能。但是，激光混合焊接在電源設備方面的投資成本相對較高。隨著市場的進一步擴大，電源設備的價格也將會有所下降，并將使激光混合焊接技術在更多的領域中得到應用。至少激光混合焊接技術在鋁合金材料的焊接中是一種非常合適的焊接工藝，將在較長的時期內成為主要的焊接生產工具。雙焦點激光焊接技術據(jù)BMW公司的專家介紹，在焊接隔板時，BMW公司采用了雙焦點激光焊接技術。因為該技術在鋁合金材料的焊接過程中有很好的性能，因此廣泛應用于BMW公司的大批量生產過程中。在激光焊接中，雙焦點激光焊接技術可在被焊接材料上形成間距很小的兩個聚焦點，可實現(xiàn)激光光束的分束和疊加。兩個激光光源的疊加形成一束激光光束，可大大提高激光功率、生產的穩(wěn)定性、產品質量和生產靈活性。激光焊接功率的提高一方面可以提高激光焊接焊縫的深度；另一方面又可提高激光焊接的焊接速度；同時還可避免鋁合金焊接中常見的熔洞和燒穿等焊接缺陷。激光焊接技術的標準化從激光焊接技術的用戶企業(yè)的角度來講，一個沒有完全得以解決的問題是激光焊接技術的標準化問題。該問題集中體現(xiàn)在設備的連接接口和不同的焊接設備零部件方面。BMW的專家指出：標準化將使得激光光學設備、零部件的生產和制造在世界范圍內達到簡化。VW公司的專家與BMW的專家的觀點相似，并且認為標準化還可以提高激光設備的有效程度。相反地，Trumpf Gesch ftsbereichs Lasertechnik的發(fā)言人則認為：在激光技術中，每年都有新的進步。因此在激光設備的生產廠家之間存在著非常強烈的競爭，這自然而然地阻礙了不同激光技術設備研制、開發(fā)企業(yè)統(tǒng)一的產品研制開發(fā)。所謂的標準化最終只能實現(xiàn)激光光纜接口的標準化。而做到這一步的前提條件是保質、保修的三包責任和三包過程得到說明和認可時。另一方面，該發(fā)言人也同意在激光應用技術的各個領域中，激光性能的發(fā)展趨勢是在不斷地提高。這種發(fā)展趨勢可以增大激光的功率和提高激光的射束質量。借助于新的激光產生方案和新的激光設備設計方案，也包括新的激光技術應用領域，這種發(fā)展趨勢可在今后不久得以實現(xiàn)。激光焊接技術是上海大眾多次提到的汽車車身制造技術。在上海大眾的產品系列中，車身使用激光焊接的產品包括帕薩特、POLO以及途安。帕薩特車身的激光焊接長度約4.1米、POLO的接近6.6米而途安車身的激光焊接長度為41米。 上海大眾之所以將激光焊接技術作為產品的賣點之一，是因為激光焊接與傳統(tǒng)的點焊相比可以大幅提高車身剛度，令車身整體結構更加堅固。 從制造商方面考慮，傳統(tǒng)的點焊需要將焊接的兩塊部件互相搭接，無形中增加了鋼材的消耗量。另外，點焊存在不連續(xù)性，板件的結合面積顯然沒有連續(xù)焊接的激光焊接多，從而降低了車體的剛度（相對于激光焊接）。 激光焊接可以實現(xiàn)鋼材分子層面的結合，另兩塊鋼板結合成一整塊鋼板，從而增加了結合強度，消除了板件之間的空隙，避免了摩擦。激光焊接還具有連續(xù)性，傳統(tǒng)的點焊由多個焊點組成，會產生漏點，而激光焊接形成的焊縫牢固而連續(xù)，沒有漏點。激光焊接的其它好處是可以減少材料用量、提高尺寸精度與降低成本等（以往認為的激光焊接會增加成本的觀點是比較片面的）。應用在POLO轎車車身的激光焊接POLO車頂?shù)募す夂附雍缚p長達1.7米 在POLO轎車的車體結構中，激光焊接的長度要超過帕薩特。主要應用部位分為頂蓋與側圍、底板與側圍以及門框等處。最長的一條激光焊分是頂蓋與車身側圍板的焊接，長度為1.7米。傳統(tǒng)的點焊存在車頂焊縫雨天漏水的問題，需要加裝橡膠密封條來解決漏水問題，而采用激光焊接技術的POLO則省去了橡膠密封條，同時省去了因裝配質量不佳帶來的漏水問題。在應用激光焊接的過程中，上海大眾還利用焊縫追蹤、缺陷檢測等工序來保證焊接的精度與質量。 POLO在所有同級別產品中是售價最高的，但從科技含量講POLO也是最高的。正常使用下消費者很難察覺到激光焊接帶來的好處，可是在關乎生命安全的緊要關頭，高技術制造的車體卻能為擁有者增加生存的砝碼。有關POLO的事故照片激光焊接技術的應用很大程度上保證的車體的堅固程度24 電子工業(yè) 激光焊接在電子工業(yè)中特別是微電子工業(yè)中得到了廣泛的應用。由于激光焊接熱影響區(qū)小加熱集中迅速、熱應力低，因而正在集成電路和半導體器件殼體的封裝中，顯示出獨特的優(yōu)越性在真空器件研制中。激光焊接也得到了應用如鉬聚焦極與不銹鋼支持環(huán)、快熱陰極燈絲組件等。傳感器或溫控器中的彈性薄壁波紋片其厚度在005-01m，采用傳統(tǒng)焊接方法難以解決，TIG焊容易焊穿，等離子穩(wěn)定性差，影響因素多麗采用激光焊接效果很好得到廣泛的應用。25 醫(yī)學外科手術醫(yī)生用激光焊接術縫合傷口近日，以色列科學家開發(fā)出一種激光焊接術來縫合病人手術后的傷口，這樣可使皮膚和內部組織愈合得更快。不久的將來，醫(yī)生為病人做完手術后，不是用針線為他們縫合傷口，而是用激光焊接術使傷口縫合。以色列特拉維夫大學亞伯拉罕-卡茨爾教授領導的研究小組負責這一研究。早在幾十年前，就有人提議采用激光手術進行傷口愈合，但是由于產生的溫度太高造成皮膚或人體組織燒傷而被遺棄。新技術采用了智能激光，在工作的時候可以調整自己的溫度。從而能夠避免這一問題的出現(xiàn)。研究人員使用以色列奧姆雷克斯生物技術公司生產的一種特殊白蛋白作為生物黏合劑，把這種特殊生物膠涂在切口的兩側。用激光把它加熱到適當?shù)臏囟?，使膠濃縮并產生硬殼，從而能夠保護傷口，使其能夠更快愈合，又能阻止細菌感染。醫(yī)務救護人員可以把這種新的技術應用到事故現(xiàn)場，使救護病人的傷口更快更安全的愈合。 新方法與傳統(tǒng)的縫合術相比能減少疤痕，并能更好地保護傷口，使傷口免受感染。研究人員認為將一方法將在整形外科和戰(zhàn)場上發(fā)揮用武之地。在整形外科方面，新技術可以為全世界的愛美人士帶來福音;未來戰(zhàn)場上，士兵可以使用激光器進行相互救治，從而大大減少戰(zhàn)爭傷亡，提高戰(zhàn)斗能力。卡茨爾教授稱，針線逢合術已經存在了1000多年，是一項歷史悠久的外科手術縫合方法。它是目前治療外傷、腫瘤、感染、畸形等眾多疾病的重要方法，有些甚至是唯一的方法。而止血、縫合是手術的基本技術。止血的目的就是減少術中、術后的出血并防止形成血腫。血腫容易引起繼發(fā)感染并妨礙纖維母細胞移動和毛細血管再生，影響傷口的愈合?？p合是使傷口的間隙消失有助術后傷口的愈合。止血、縫合均離不開縫線。嚴格地說，任何一種縫線對人體都是一種異物，它可引起組織的非細菌性炎癥反應及排斥反應。這些反應都客觀地存在于每一個人體內。這種方法不僅需要很好的技術，操作不當很容易產生傷疤和感染。近年來，醫(yī)學領域獲得了長足發(fā)展，現(xiàn)在該是對傷口縫合術這種最普通和最常見的外科手術方法進行改造的時候了，而他們的研究成果正是這方面的一個突破。這一新技術得到了以色列衛(wèi)生部的審核批準，研究人員已經對10位實施膽囊手術的患者進行臨床試驗，并取得了成功。因為傳統(tǒng)縫合技術不防水，而且血液或尿液可以從傷口處通過，容易造成嚴重的感染。與傳統(tǒng)縫合技術相比照，采用激光焊接技術，手術傷口愈合得更快，效果也更為理想。研究人員下一步計劃在剖腹產等產生較長傷口的手術上進行試驗，如果取得預期效果，將在幾年內投入商業(yè)應用。26其他領域 在其他行業(yè)中。激光焊接也逐漸增加特別是在特種材料焊接中國內進行了許多研究，如對BT20鈦合金、HE130合金、Li-ion電池等激光焊接，德國玻璃機械制造商Glamaco Coswig公司與IFW接合技術與材料實驗研究院合作開發(fā)出了一種用于平板玻璃的激光焊接新技術。3 激光焊接設備的智能化控制 激光焊接監(jiān)控自動化的關鍵之一是熔池的實時監(jiān)視。因此。跟蹤傳感器的選擇成為了一個至關暈要的前提。在所有傳感器中，光學傳感器以其靈敏度和測量精度高，動態(tài)特性好，于工件無接觸及包含的信息量大等特點，成為發(fā)展得最快的跟蹤傳感器，而CCD集成光學器件的應用又使得光學傳感器上升到了視頻傳感的新高度。激光焊接的優(yōu)點之一是焊接速度快，薄板的焊接速度可達10mmin以上。在高速連續(xù)的焊接過程中。如果出現(xiàn)焊接缺陷。將在極短的時間內造成大量的廢品。實現(xiàn)在線的激光焊接質量監(jiān)測是保證質量的十分重要的環(huán)節(jié)，華中科技大學設計的信號處理及反饋控制系統(tǒng)通過將聲、光傳感器所采取的信號放大、濾波、雙限比較后進行AD轉換，再將數(shù)字信號由微機進行處理等。對激光輸出功率、焊接速度、離焦量等工藝參數(shù)進行控制實現(xiàn)最佳工藝數(shù)。解決熔透問題