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0431-81702023
光學工程
激光焊接技術應用及其發展趨勢

摘 要 論述了激光焊接工藝的特點,激光焊接在汽車工業、微電子工業、生物醫學等領域的應用以及研究現狀,激光焊接的智能化控制,需進一步研究與探討的問題。

關鍵詞 激光焊接,混合焊接,焊接裝置,應用領域

1 引言

      激光焊接是激光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,即激光加熱工件表面,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、峰值功率和重復率等參數,使工件熔化,形成特定的熔池。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 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,其在機械制造、航空航天、汽車工業、粉末冶金、生物醫學、微電子行業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,包括激光誘發的等離子體發光、吸收、散射特性、激光焊接智能化控制、復合焊接、激光焊接現象及小孔行為、焊接缺陷發生機理與防止方法等。并對鎳基耐熱合金、鋁合金及鎂合金的焊接性,焊接現象建模與數值模擬,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廣泛的研究[1]。

2 激光焊接的質量與特點

      激光焊接是將高強度的激光輻射至金屬表面,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。圖 1 顯示在不同的輻射功率密度下熔化過程的演變階段,激光焊接的機理有兩種:(1) 熱傳導焊接;(2)激光深熔焊。

2.1 激光焊接的焊縫形狀

      對于大功率深熔焊由于在焊縫熔池處的熔化金屬,由于材料的瞬時汽化而形成深穿型的圓孔空腔,隨著激光束與工件的相對運動使小孔周邊金屬不斷熔化、流動、封閉、凝固而形成連續焊縫,其焊縫形狀深而窄, 即具有較大的熔深熔寬比,在高功率器件焊接時,深寬比可達 5:1,最高可達 10:1[2]。圖 2 顯示四種焊法在 316 不銹鋼及 DUCOL W30 鋼上的焊縫截面形狀的比較,對比的結論有以下幾點:(1)激光焊與電子束焊、鎢極惰性氣體電弧焊(TIG)、等離子焊的主要優點相似:焊縫窄、穿透性強、焊縫兩邊平行、熱影響區小;(2)電弧焊和等離子焊投資少,廣泛應用了很多年,經驗比較多;(3)激光焊和電子束焊須在真空或局部真空中進行,也可在空氣中,但電子束穿透能力比激光差;(4)激光焊和電子束焊,焊縫窄且熱影響區小,因而變形小。

2.2 激光焊接焊縫的組織性能

      大功率激光焊接,因其能量密度極高,被焊工件經受快速加熱和冷卻的反復作用,使得焊縫和熱影響區域極窄,硬度遠遠高于母材[3],該區域的塑性相對較低。為了降低接頭區域的硬度, 應采取焊接前預熱和焊后回火等相應的工藝措施。激光回火是一種在激光焊后隨即采用非聚焦的低能量密度光束對焊道進行多道掃描從而降低焊縫硬度的新工藝。激光焊接金屬及熱影響區的組織和硬度是由化學成分和冷卻速度決定的。在激光焊接中,現行焊接工藝一般不需要填充金屬。在這種情況下,焊縫的組織和硬度主要由鋼板的化學成分和激光照射條件來決定[3]。采用填充焊絲的激光焊接由于可以選擇任意合金成分的焊絲作為最佳的焊縫過渡合金,因而可以保證兩側母材的聯結具有最佳性能[4]。可以對高熔點、高熱導率、物理性質差異較大的異種或同種金屬材料進行焊接[5],可以得到無污染、雜質少的焊縫。激光焊接加熱速度快,焊接熔池迅速冷卻,與普通的常規焊接在金相組織上有很大的區別。

 3 激光焊接的應用領域

3.1 制造業應用    

      激光拼焊 (TailoredBlandLaser Welding) 技術在國外轎車制造中得到廣泛的應用[6],據統計,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,并繼續以較高速度增長。國內生產的引進車型 Passat,Bulck,Audi 等也采用了一些剪裁坯板結構。日本以 CO2 激光焊代替了閃光對焊進行制鋼業軋鋼卷材的連接,超薄板焊接,如板厚 100mm 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。日本還在世界上首次成功開發了將 YAG 激光焊用于核反應堆中蒸氣發生器細管的維修等[6],在國內蘇寶蓉等還進行了齒輪的激光焊接技術[7]。20 世紀 80 年代后期,千瓦級激光器成功應用于工業生產,而今激光焊接生產線已大規模出現在汽車制造業,成為汽車制造業突出的成就之一。90 年代美國通用、福特和克萊斯特公司竟相將激光焊接引入汽車制造,盡管起步較晚,但發展很快。意大利菲亞特在大多數鋼板組件的焊接裝配中采用了激光焊接,日本的日產、本田和豐田汽車公司在制造車身覆蓋件中都使用了激光焊接和切割工藝,高強鋼激光焊接裝配件因其性能優良在汽車車身制造中使用的越來越多,根據美國金屬市場統計,至 2002 年底,激光焊接鋼結構的消耗將達到 7 萬噸,比 1998 年增加 3 倍。在工藝方面美國 Sandia 國家實驗室與 Pratt Witney 聯合進行在激光焊接過程中添加粉末金屬和金屬絲的研究,德國不萊梅應用光束技術研究所在使用激光焊接鋁合金車身骨架方面進行了大量的研究,認為在焊縫中添加填充金屬有助于消除熱裂紋,提高焊接速度,解決公差問題,開發的生產線已在奔馳公司的工廠投入生產。

3.2 粉末冶金領域

     隨著科學技術的不斷發展,許多技術對材料有特殊要求, 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點, 在某些領域如汽車、飛機、工具刃具制造業中正在取代傳統的冶鑄材料, 隨著粉末冶金材料的日益發展, 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[8]。在 20 世紀 80 年代初期,激光焊以其獨特的優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方法焊接金剛石,由于結合強度低,熱影響區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,采用激光焊接可以提高焊接強度以及耐高溫性能[9~11]。

3.3 電子工業

       激光焊接在電子工業中,特別是微電子工業中得到了廣泛的應用[12]。由于激光焊接熱影響區小,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,顯示了獨特的優越性,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、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 0.05~0.1mm,采用傳統焊接方法難以解決,電弧焊容易焊穿,等離子焊穩定性差,影響因素多,而采用激光焊接效果很好,得到廣泛的應用。 

3.4 生物醫學

      生物組織的激光焊接始于 20世紀 70 年代,Klink 等及 Jain[13]用激光焊接輸卵管和血管的成功及顯示出來的優越性,使更多研究者嘗試焊接各種生物組織,并推廣到其它組織的焊接 14,15]。有關激光焊接神經方面,目前國內外的研究主要集中在激光波長、劑量及對功能恢復及激光焊料選擇等方面 [16~18],劉銅軍在激光焊接小血管及皮膚[19] 等基礎研究的基礎上又對大白鼠膽總管進行了焊接研究[20]。激光焊接方法與與傳統的縫合方法比較, 激光焊接具有吻合速度快, 愈合過程中沒有異物反應, 保持焊接部位的機械性質, 被修復組織按其原生物力學性狀生長等優點[21],將在以后的生物醫學中得到更廣泛的應用。

3.5 其他領域

       在其他行業中,激光焊接也逐漸增加,特別是在特種材料焊接方面,我國進行了許多研究,如對 BT20 鈦合金[22]、HE130 合金[23]、Liion 電池[24]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出了一種用于平板玻璃的激光焊接新技術。

4 激光焊接設備的智能化控制

      激光焊接監控自動化的關鍵之一是熔池的實時監視,因此,跟蹤傳感器的選擇成了一個至關重要的前提。在所有傳感器中,光學傳感器以其靈敏度和測量精度高,動態特性好,與工件無接觸及包含的信息量大等特點,成為發展最快的跟蹤傳感器。而 CCD (Chargecoupled Device 電荷耦合裝置)集成光學器件的應用,又使得光學傳感器上升到視頻傳感的新高度[25]。激光焊接的優點之一是焊接速度快,薄板的焊接速度可達 10m/min 以上[26],但在高速連續的焊接過程中,如果出現焊接缺陷,將在極短的時間內造成大量的廢品。實現在線的激光焊接質量監測是保證質量十分重要的環節,華中科技大學設計的信號處理及反饋控制系統,通過將聲、光傳感器所采集的信號放大、濾波、雙限比較后進行 A/D 轉換,再將數字信號由微機進行處理等,對激光輸出功率、焊接速度、離焦量等工藝參數進行控制實現最佳工藝參數[27]。解決熔透問題,基本前提是對激光焊接過程進行實時檢測和控制,提取激光焊接的特征信號。近 10 來,國內外的研究機構主要針對焊接過程中光致等離子體產生的聲、光、電、熱等信息進行提取,并分析處理,尋找特征信號[28~30]。在填絲激光焊接時,激光填絲焊對接間隙寬度是主要的參數,為了保證焊縫全長都取得良好均勻的成形,實現高質量的激光填絲焊,研究人員開發了高精度對縫間隙檢測傳感器以及高質量送絲控制系統[31]。

      對于激光深熔焊而言,利用光學傳感器檢測焊接過程中的等離子體和反射激光的信號特征是一種簡單而有效的實時檢測焊接過程的方法[32]。目前,利用光電管檢測焊接過程中的等離子體或反射光的方法,主要從工件側面或與激光同軸兩個方向進行。至于光學傳感器的選擇,有三種不同波段的傳感器可用于激光焊接過程檢測。如紫外波段的傳感器用于 CO2 激光焊接時的等離子體檢測,可見光波段的傳感器用于 CO2 和 Nd:YAG 激光焊接過程等離子體或金屬蒸汽羽焰的檢測,紅外波段用于 Nd: YAG 激光焊接的檢測。到目前為止,檢測到的光學信號與激光焊接參數(如焦點位置)的關系已有很好的研究成果并被應用[33];另外利用光學傳感器對激光焊接過程中產生的缺陷,如燒穿、孔洞或駝峰狀表面缺陷的檢測也有相關報道[34]。

5 激光焊接發展趨勢

5.1 復合焊接

      人們在廣泛應用激光焊接技術的同時,不斷地對其進行深入的研究,發現它有一定的缺點:在激光焊接過程中,母材受熱熔化、汽化,形成深熔小孔,孔中充滿金屬蒸汽,金屬氣體與激光作用形成等離子云。等離子云吸收、反射激光,降低金屬材料對激光的吸收率,使激光的能量利用率降低;對焊接母材端面接口要求高,容易產生錯位;容易生成氣孔疏松和裂紋;焊后在母材端面之間的接口部位存在凹陷,焊接過程不穩定等[35]。為減少或消除單熱源激光焊接的缺陷,人們在保持激光加熱優點的基礎上,利用其他熱源的加熱特性來改善激光對工件的加熱,從而把激光與其他熱源一起進行復合熱源焊接[36~39]。主要有激光與電弧、激光與等離子弧、激光與感應熱源復合焊接以及雙激光束焊接等。激光與電弧焊接結合起來,這種復合工藝綜合了激光與電弧的優點,即將激光的高能量密度和電弧的較大加熱區組合起來,其優點:1) 可增加焊接熔深;2) 提高焊接速度與生產率;3) 改善接頭性能;4) 降低設備成本,同時通過激光與電弧的相互作用,來改善激光能量的耦合特性和電弧的穩定性,以獲得一種綜合的效果,但是由于電弧的引入增加了焊接的熱輸入,從而使焊接熱影響區和熱變形增大。

5.2 激光焊接的控制(熔池尺寸、等離子效應等)

     在激光焊接熔透控制研究中,建立熔池形狀參數與焊接工藝間的關系是關鍵問題,在實驗過程中,對熔池形狀信息獲知越豐富,對焊接過程熔透控制的效果越理想。許多學者根據激光深熔焊中的小孔機制,對激光焊接的溫度場、液體流動及小孔形狀、尺寸進行了計算并取得了一定效果。John 等人提出了入射激光的逆韌致吸收模型,假定能量通過傳導機制傳遞給小孔壁,通過解熱傳導方程,得到了一個最大的理論熔深[40]。Sonti 等人采用二維有限元非線形模型進行了鋁合金激光深熔焊接傳輸過程的三維計算,得到了激光焊接的三維溫度場[41]。John 分析小孔內的能量和壓力平衡,建立一個小孔內液體和蒸氣流動的通用模型[42]。王海興等對前人提出的計算激光焊接深熔焊過程中熔池尺寸的方法進行了檢驗、改進與推廣,從激光焊接過程中的能量平衡出發,預報了不同焊接工況下熔池的尺寸[43]。劉順洪進行了薄板激光焊溫度場的分析與數值模擬,在空間域上用加權余量法,時間域上用有限差分法離散,考慮了材料熱物性參數的溫度相關性、熔化潛熱以及對流輻射等對溫度場的影響,建立了有限元方程,并編制了相應的程序[44]。隨著圖象傳感方法的改進,人們可以從熔池圖象獲得熔池形狀更多的特征信息,如熔池的寬度、長度和面積,利用這些信息建立同激光焊接工藝參數之間的關系,對激光焊接的焊縫質量控制中有著重要的作用,這將是激光焊接研究的一個重要方向。

 5.3 激光焊接的激光發生器及其工藝發展趨勢

      目前的激光焊接所使用的激光器主要為大功率 CO2 激光器和脈沖 Nd:YAG 激光器[45],對于 CO2 氣體激光要解決大功率激光器的放電穩定性,對于 YAG 固體激光器要研制大容量、長壽命的光泵激勵光源。光纖激光器具有高轉換效率和極低損耗,極好光束質量、高效率和可靠性,并且結構非常緊湊,在不遠的將來,單光纖、單模光纖的輸出功率將超過千瓦級,在激光焊接領域將得到應用。采用直接二極管陣列激光輸出波長在近紅外區域的激光平均功率已達 1kW, 光電轉換效率接近 50豫,這些激光設備和技術,將在焊接應用方面發揮更大的作用。在激光光束質量及加工外圍裝置方面,應研究各種激光加工工藝對激光光束的質量要求、激光光束和加工質量監控技術、光學系統及加工頭設計和研制,開展焊接工藝及材料、焊接工藝對設備要求及焊接過程參數監測和控制技術研究,從而掌握普通鋼材、有色金屬及特殊鋼材的焊接工藝。


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