3、激光焊接技術(shù)及激光焊接機器人簡介

激光焊接技術(shù)及激光焊接機器人簡介摘要各種焊接技術(shù)及其優(yōu)缺點激光焊接技術(shù)激光焊接的優(yōu)缺點激光焊接的工藝參數(shù)激光焊接的發(fā)展激光焊接的應(yīng)用舉例激光焊接機器人各種焊接技術(shù)及其優(yōu)缺點激光焊接技術(shù)---------基本工作原理1.引言

激光焊接從上世紀(jì)60年代激光器誕生不久就開始了研究，從開始的薄小零件或器件的焊接到目前大功率激光焊接在工業(yè)生產(chǎn)中的大量的應(yīng)用，經(jīng)歷了近40年的發(fā)展。由于激光焊接具有能量密度高、變形小、熱影響區(qū)窄、焊接速度高、易實現(xiàn)自動控制、無后續(xù)加工的優(yōu)點，近年來正成為金屬材料加工與制造的重要手段，越來越廣泛地應(yīng)用在汽車、航空航天、國防工業(yè)、造船、海洋工程、核電設(shè)備等領(lǐng)域，所涉及的材料涵蓋了幾乎所有的金屬材料。雖然與傳統(tǒng)的焊接方法相比，激光焊接尚存在設(shè)備昂貴，一次性投資大，技術(shù)要求高的問題，使得激光焊接在我國的工業(yè)應(yīng)用還相當(dāng)有限，但激光焊接生產(chǎn)效率高和易實現(xiàn)自動控制的特點使其非常適于大規(guī)模生產(chǎn)線和柔性制造。

2、激光焊接技術(shù)的進展

在這里分兩部分進行分析：1）激光技術(shù)2）激光焊接過程監(jiān)測與質(zhì)量控制激光的產(chǎn)生原理及特性

三要素：激勵源，介質(zhì)，諧振腔。介質(zhì)受到激發(fā)至高能量狀態(tài)，由于受激吸收躍遷光在兩端鏡間來回反射，將光波放大，并獲得足夠能量而開始發(fā)射出激光。激光的四性：單色性、相干性、方向性、高亮度因而高度集中的激光可以提供焊接、切割及熱處理等功能激光焊接特性激光焊接屬于熔融焊接，以激光束為能源，沖擊在焊件接頭上。激光束可由平面光學(xué)元件（如鏡子）導(dǎo)引，隨后再以反射聚焦元件或鏡片將光束投射在焊縫上。激光焊接屬非接觸式焊接，作業(yè)過程不需加壓，但需使用惰性氣體以防熔池氧化，填料金屬偶有使用。激光焊接示意圖激光焊接的優(yōu)缺點激光焊接的主要優(yōu)點（1）可將入熱量降到最低的需要量，熱影響區(qū)金相變化范圍小，且因熱傳導(dǎo)所導(dǎo)致的變形亦最低。（2）32mm板厚單道焊接的焊接工藝參數(shù)業(yè)經(jīng)檢定合格，可降低厚板焊接所需的時間甚至可省掉填料金屬的使用。（3）不需使用電極，沒有電極污染或受損的顧慮。且因不屬于接觸式焊接制程，機具的耗損及變形接可降至最低。（4）激光束易于聚焦、對準(zhǔn)及受光學(xué)儀器所導(dǎo)引，可放置在離工件適當(dāng)之距離，且可在工件周圍的機具或障礙間再導(dǎo)引，其他焊接法則因受到上述的空間限制而無法發(fā)揮。（5）工件可放置在封閉的空間（經(jīng)抽真空或內(nèi)部氣體環(huán)境在控制下）。（6）激光束可聚焦在很小的區(qū)域，可焊接小型且間隔相近的部件。

激光焊接的主要優(yōu)點（7）可焊材質(zhì)種類范圍大，亦可相互接合各種異質(zhì)材料。（8）易于以自動化進行高速焊接，亦可以數(shù)位或電腦控制。（9）焊接薄材或細徑線材時，不會像電弧焊接般易有回熔的困擾。（10）不受磁場所影響（電弧焊接及電子束焊接則容易），能精確的對準(zhǔn)焊件。（11）可焊接不同物性（如不同電阻）的兩種金屬（12）不需真空，亦不需做X射線防護。（13）若以穿孔式焊接，焊道深一寬比可達10:1（14）可以切換裝置將激光束傳送至多個工作站。激光焊接的主要缺點（1）焊件位置需非常精確，務(wù)必在激光束的聚焦范圍內(nèi)。（2）焊件需使用夾治具時，必須確保焊件的最終位置需與激光束將沖擊的焊點對準(zhǔn)。（3）最大可焊厚度受到限制滲透厚度遠超過19mm的工件，生產(chǎn)線上不適合使用激光焊接。（4）高反射性及高導(dǎo)熱性材料如鋁、銅及其合金等，焊接性會受激光所改變。（5）當(dāng)進行中能量至高能量的激光束焊接時，需使用等離子控制器將熔池周圍的離子化氣體驅(qū)除，以確保焊道的再出現(xiàn)。（6）能量轉(zhuǎn)換效率太低，通常低于10%。（7）焊道快速凝固，可能有氣孔及脆化的顧慮。（8）設(shè)備昂貴。激光焊接的工藝參數(shù)激光焊接的工藝參數(shù)對于一般激光焊接的工藝參數(shù)：(1)功率密度。功率密度是激光加工中最關(guān)鍵的參數(shù)之一。采用較高的功率密度，在微秒時間范圍內(nèi)，表層即可加熱至沸點，產(chǎn)生大量汽化。因此，高功率密度對于材料去除加工，如打孔、切割、雕刻有利。對于較低功率密度，表層溫度達到沸點需要經(jīng)歷數(shù)毫秒，在表層汽化前，底層達到熔點，易形成良好的熔融焊接。因此，在傳導(dǎo)型激光焊接中，功率密度在范圍在10^4~10^6W/CM^2。(2)激光脈沖波形。激光脈沖波形在激光焊接中是一個重要問題，尤其對于薄片焊接更為重要。當(dāng)高強度激光束射至材料表面，金屬表面將會有60~98%的激光能量反射而損失掉，且反射率隨表面溫度變化。在一個激光脈沖作用期間內(nèi)，金屬反射率的變化很大。

激光焊接的工藝參數(shù)(3)激光脈沖寬度。脈寬是脈沖激光焊接的重要參數(shù)之一，它既是區(qū)別于材料去除和材料熔化的重要參數(shù)，也是決定加工設(shè)備造價及體積的關(guān)鍵參數(shù)。(4)離焦量。對焊接質(zhì)量的影響。激光焊接通常需要一定的離做文章一，因為激光焦點處光斑中心的功率密度過高，容易蒸發(fā)成孔。離開激光焦點的各平面上，功率密度分布相對均勻。離焦方式有兩種：正離焦與負離焦。焦平面位于工件上方為正離焦，反之為負離焦。按幾何光學(xué)理論，當(dāng)正負離焦平面與焊接平面距離相等時，所對應(yīng)平面上功率密度近似相同，但實際上所獲得的熔池形狀不同。負離焦時，可獲得更大的熔深，這與熔池的形成過程有關(guān)。實驗表明，激光加熱50~200us材料開始熔化，形成液相金屬并出現(xiàn)問分汽化，形成市壓蒸汽，并以極高的速度噴射，發(fā)出耀眼的白光。與此同時，高濃度汽體使液相金屬運動至熔池邊緣，在熔池中心形成凹陷。當(dāng)負離焦時，材料內(nèi)部功率密度比表面還高，易形成更強的熔化、汽化，使光能向材料更深處傳遞。所以在實際應(yīng)用中，當(dāng)要求熔深較大時，采用負離焦；焊接薄材料時，宜用正離焦。

激光焊接的工藝參數(shù)

對于激光深熔焊接的主要工藝參數(shù)：1)激光功率。激光焊接中存在一個激光能量密度閾值，低于此值，熔深很淺，一旦達到或超過此值，熔深會大幅度提高。只有當(dāng)工件上的激光功率密度超過閾值（與材料有關(guān)），等離子體才會產(chǎn)生，這標(biāo)志著穩(wěn)定深熔焊的進行。2)光束焦斑。光束斑點大小是激光焊接的最重要變量之一，因為它決定功率密度。3)材料吸收值。材料對激光的吸收取決于材料的一些重要性能，如吸收率、反射率、熱導(dǎo)率、熔化溫度、蒸發(fā)溫度等，其中最重要的是吸收率。4)焊接速度。焊接速度對熔深影響較大，提高速度會使熔深變淺，但速度過低又會導(dǎo)致材料過度熔化、工件焊穿。所以，對一定激光功率和一定厚度的某特定材料有一個合適的焊接速度范圍，并在其中相應(yīng)速度值時可獲得最大熔深。

激光焊接的工藝參數(shù)5)保護氣體。激光焊接過程常使用惰性氣體來保護熔池。大多數(shù)應(yīng)用場合則常使用氦、氬、氮等氣體作保護，使工件在焊接過程中免受氧化。6)透鏡焦距。焊接時通常采用聚焦方式會聚激光，一般選用63~254mm(2.5”~10”)焦距的透鏡。7)焦點位置。焊接時，為了保持足夠功率密度，焦點位置至關(guān)重要。焦點與工件表面相對位置的變化直接影響焊縫寬度與深度。8)激光束位置。對不同的材料進行激光焊接時，激光束位置控制著焊縫的最終質(zhì)量，特別是對接接頭的情況比搭接結(jié)頭的情況對此更為敏感。9)焊接起始、終止點的激光功率漸升、漸降控制。激光深熔焊接時，不管焊縫深淺，小孔現(xiàn)象始終存在。當(dāng)焊接過程終止、關(guān)閉功率開關(guān)時，焊縫尾端將出現(xiàn)凹坑。另外，當(dāng)激光焊層覆蓋原先焊縫時，會出現(xiàn)對激光束過度吸收，導(dǎo)致焊件過熱或產(chǎn)生氣孔。

焊接速度、焊縫深度與激光功率關(guān)系焊接速度、焊縫深度與焦距關(guān)系焊接速度、焊縫深度與光束偏振方向關(guān)系焦點半徑、焊接速度對焊縫截面影響激光焊接基本接頭形式激光焊接的應(yīng)用激光焊接的應(yīng)用領(lǐng)域1、制造業(yè)應(yīng)用

拼焊板是將幾塊不同材質(zhì)、不同厚度、不同涂層的鋼材用激光把邊部對焊，焊接成一塊整體板，以滿足零部件對材料性能的不同要求。

從20世紀(jì)80年代中期開始，拼焊板作為新技術(shù)在歐洲、美國、日本得到了廣泛的關(guān)注。拼焊板工藝主要是為汽車行業(yè)進行配套服務(wù)，尤其在車身零部件生產(chǎn)、制造和設(shè)計方面，拼焊板的使用有著巨大的優(yōu)勢。

激光拼焊可以最大限度地減少汽車零件數(shù)量、減輕汽車重量、優(yōu)化零部件的公差和降低成本，同時又可保證汽車的性能，代表了汽車新技術(shù)的發(fā)展方向。激光焊接的發(fā)展激光焊接技術(shù)激光焊接的發(fā)展

---激光填絲焊接激光填絲焊接是指在焊縫中預(yù)先填入特定焊接材料后用激光照射熔化或在激光照射的同時填入焊接材料以形成焊接接頭的方法。激光填絲焊接與非填絲焊接相比,具有如下優(yōu)點:

(1)解決了對工件加工裝配要求嚴格的問題;

(2)可實現(xiàn)較小功率焊接較厚較大零件;

(3)通過調(diào)節(jié)填絲成分,可控制焊縫區(qū)域組織性能。激光焊接的發(fā)展

---激光電弧復(fù)合焊接這種復(fù)合焊接主要指激光與TIG或MIG電弧復(fù)合焊接。在這種工藝中,激光和電弧相互作用、取長補短。例如,激光焊接的能量利用率低的重要原因是焊接過程中產(chǎn)生的等離子體云對激光的吸收和散射,且等離子體對激光的吸收與正負離子密度的乘積成正比;如果在激光束附近外加電弧,電子密度顯著降低,等離子體云得到稀釋,對激光的消耗減小,工件對激光的吸收率提高。而且由于工件對激光的吸收率隨溫度的升高而增大,電弧對焊接母材接口進行預(yù)熱,使接口開始被激光照射時的溫度升高,也使激光的吸收率進一步提高。這種效果尤其對于激光反射率高、導(dǎo)熱系數(shù)高的材料更加顯著激光焊接的發(fā)展

---激光電弧復(fù)合焊接在激光焊接時,由于熱作用和影響區(qū)很小,焊接端面接口容易發(fā)生錯位和焊接不連續(xù)現(xiàn)象;峰值溫度高,溫度梯度大,焊接后冷卻、凝固很快,容易產(chǎn)生裂紋和氣孔。而在激光與電弧復(fù)合焊接時,由于電弧的熱作用范圍、熱影響區(qū)較大,可緩和對接口精度的要求,減少錯位和焊接不連續(xù)現(xiàn)象;而且溫度梯度較小,冷卻、凝固過程較緩慢,有利于氣體的排除,降低內(nèi)應(yīng)力,減少或消除氣孔和裂紋。由于電弧焊接容易使用添加劑,可以填充間隙,采用激光電弧復(fù)合焊接的方法能減少或消除焊縫的凹陷。激光焊接的發(fā)展

---激光電弧復(fù)合焊接TIG焊（惰性氣體鎢極保護焊）鎢極氬弧焊具有下列優(yōu)點：

1）氬氣能有效地隔絕周圍空氣；它本身又不溶于金屬，不和金屬反應(yīng)；鎢極氬弧焊過程中電弧還有自動清除工件表面氧化膜的作用。因此，可成功地焊接易氧化，氮化、化學(xué)活潑性強的有色金屬、不銹鋼和各種合金。

2）鎢極電弧穩(wěn)定，即使在很小的焊接電流（＜10A）下仍可穩(wěn)定燃燒，特別適用于薄板，超薄板材料焊接。

3）熱源和填充焊絲可分別控制，因而熱輸入容易調(diào)節(jié)，可進行各種位置的焊接，也是實現(xiàn)單面焊雙面盛開的理想方法。

4）由于填充焊絲不通過電弧，故不會產(chǎn)生飛濺，焊縫成形美觀。激光焊接的發(fā)展

---激光電弧復(fù)合焊接不足之處是：1）熔深淺，熔敷速度小，生產(chǎn)率較低。2）鎢極承載電流的能力較差，過大的電流會引起鎢極熔化和蒸發(fā)，其微粒有可能進入熔池，渣成污染（夾鎢）。3）隋性氣體（氬氣、氦氣）較貴，和其它電弧焊方法（如手工電弧焊、埋弧焊、CO2氣體保護焊等）比較，生產(chǎn)成本較高。激光與TIG復(fù)合焊接的特點是:(1)利用電弧增強激光的作用,可用小功率激光器代替大功率激光器焊接金屬材料;(2)可高速焊接薄件;(3)可改善焊縫成型,獲得優(yōu)質(zhì)焊接接頭;(4)可緩和母材焊接端面接口精度要求。

激光焊接的發(fā)展

---激光釬焊激光焊接的發(fā)展

---激光釬焊激光軟釬焊主要用于印刷電路板的焊接，尤其實用于片狀元件組裝技術(shù)。采用激光軟釬焊與其它方式相比有以下優(yōu)點：用非接觸加熱，熔化帶寬，不需要任何輔助工具，可在雙面印刷電路板上雙面元件裝備后加工。

重復(fù)操作穩(wěn)定性好。

焊劑對焊接工具污染小，且激光照射時間和輸出功率易于控制，激光釬焊成品率高。激光束易于實現(xiàn)分光，可用半透鏡、反射鏡、棱鏡、掃描鏡等光學(xué)元件進行時間與空間分割，能實現(xiàn)多點同時對稱焊。激光釬焊多用波長

1.06um

的激光作為熱源，可用光纖傳輸，

可以在常規(guī)方式不易焊接的部位進行加工，靈活性好。

激光焊接的應(yīng)用舉例汽車制造業(yè)、船舶制造航空航天激光焊接應(yīng)用——汽車制造汽車制造業(yè)發(fā)展趨勢激光焊在汽車制造中應(yīng)用形式激光拼焊汽車傳動零部件激光焊接汽車傳動零部件激光焊接用激光可以焊接一些要求強度高、變形小,用傳統(tǒng)方法無法焊接的特種材料的汽車零部件激光加工應(yīng)用——船舶制造造船采用高功率激光焊接的優(yōu)點焊接生產(chǎn)率大大提高，這是由于:–激光焊接速度快