激光焊接特點(diǎn)及工藝方法

發(fā)布日期:2011-11-25    蘭生客服中心    瀏覽:2305

摘要:激光拼焊是采用激光能源,將若干不同材質(zhì)、不同厚度、不同涂層的鋼材、不銹鋼材、鋁合金材等進(jìn)行自動(dòng)拼合和焊接而形成一塊整體板材、型材,央芯板等,以滿足零部件對(duì)材料性能的不同要求,用最輕的重量、最優(yōu)結(jié)構(gòu)和最佳性能實(shí)現(xiàn)裝備輕量化。在歐美等發(fā)達(dá)國家,激光拼焊不僅在交通運(yùn)輸裝備制造業(yè)中被使用,還在建筑業(yè)、橋梁、家電板材焊接生產(chǎn)、軋鋼線鋼板焊接(連續(xù)軋制中的鋼板連接)等領(lǐng)域中被大量使用。激光焊接在汽車制造領(lǐng)域中的許多成功應(yīng)用已經(jīng)凸現(xiàn)出激光焊接不同于傳統(tǒng)焊接方法的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),也為許多大功率激光器制造商和激光焊接設(shè)備制造商提供了更為誘人的經(jīng)濟(jì)效益前景。 
  激光是輻射的受激發(fā)射光放大的簡(jiǎn)稱,由于其獨(dú)有的高亮度、高方向性、高單色性、高相干性,自誕生以來,其在工業(yè)加工中的應(yīng)用十分廣泛,成為未來制造系統(tǒng)共同的加工手段。用激光焊接加工是利用高輻射強(qiáng)度的激光束,激光束經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)聚焦后,其激光焦點(diǎn)的功率密度為104~107W/cm2,加工工件置于激光焦點(diǎn)附近進(jìn)行加熱熔化,熔化現(xiàn)象能否產(chǎn)生和產(chǎn)生的強(qiáng)弱程度主要取決于激光作用材料表面的時(shí)間、功率密度和峰值功率?刂粕鲜龈鲄(shù)就可利用激光進(jìn)行各種不同的焊接加工。這種焊接工藝在未來工業(yè)事業(yè)中將會(huì)得到廣泛的應(yīng)用與研究。 
  一、激光焊接的一般特點(diǎn) 
  激光焊接是利用激光束作為熱源的一種熱加工工藝,它與電子束等離子束和一般機(jī)械加工相比較,具有許多優(yōu)點(diǎn):(1)激光束的激光焦點(diǎn)光斑小。功率密度高,能焊接一些高熔點(diǎn)、高強(qiáng)度的合金材料;(2)激光焊接是無接觸加工,沒有工具損耗和工具調(diào)換等問題。激光束能量可調(diào),移動(dòng)速度可調(diào),可以多種焊接加工;(3)激光焊接自動(dòng)化程度高,可以用計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制,焊接速度快,功效高,可方便的進(jìn)行任何復(fù)雜形狀的焊接;(4)激光焊接熱影響區(qū)小,材料變形小,無需后續(xù)工序處理;(5)激光可通過玻璃焊接處于真空容器內(nèi)的工件及處于復(fù)雜結(jié)構(gòu)內(nèi)部位置的工件;(6)激光束易于導(dǎo)向、聚焦。實(shí)現(xiàn)各方向變換;(7)激光焊接與電子束加工相比較,不需要嚴(yán)格的真空設(shè)備系統(tǒng),操作方便,(8)激光焊接生產(chǎn)效率高,加工質(zhì)量穩(wěn)定可靠,經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益好。 
  二、激光焊接工藝與方法 
  1、雙/多光束焊接 
  雙/多光束焊接的提出最初是為了獲得更大的熔深和更穩(wěn)定的焊接過程和更好的焊縫成形質(zhì)量,其基本方法是同時(shí)將兩臺(tái)或兩臺(tái)以上的激光器輸出的光束聚焦在同一位置,以提高總的激光能量。后來。隨著激光焊接技術(shù)應(yīng)用范圍的擴(kuò)大,為減小在厚板焊接,特別是鋁合金焊接時(shí)容易出現(xiàn)氣孔傾向,采用以前后排列或平行排列的兩束激光實(shí)施焊接,這樣可以適當(dāng)提高焊接小孔的穩(wěn)定性,減少焊接缺陷的產(chǎn)生幾率。 
  2、激光-電弧復(fù)合焊 
  激光-電弧復(fù)合焊是近年激光焊接領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。該方法的提出是由于隨著工業(yè)生產(chǎn)對(duì)激光焊接的要求,激光焊接本身存在的間隙適應(yīng)性差,即極小的激光聚焦光斑對(duì)焊前工件的加工裝配要求過高,此外,激光焊接作為一種以自熔性焊接為主的焊接方法,一般不采用填充金屬,因此在焊接一些高性能材料時(shí)對(duì)焊縫的成分和組織控制困難。而激光-電弧復(fù)合焊集合了激光焊接大熔深、高速度、小變形的優(yōu)點(diǎn),又具有間隙敏感性低、焊接適應(yīng)性好的特點(diǎn),是一種優(yōu)質(zhì)高效焊接方法。其特點(diǎn)在于: 
  可降低工件裝配要求,間隙適應(yīng)性好。 
  有利于減小氣孔傾向。 
  可以實(shí)現(xiàn)在較低激光功率下獲得更大的熔深和焊接速度,有利于降低成本。 
  電弧對(duì)等離子體有稀釋作用,可減小對(duì)激光的屏蔽效應(yīng),同時(shí)激光對(duì)電弧有引導(dǎo)和聚焦作用,使焊接過程穩(wěn)定性提高。 
  利用電弧焊的填絲可改善焊縫成分和性能,對(duì)焊接特種材料或異種材料有重要意義。 
  激光與電弧復(fù)合焊的方法包括兩種,即旁軸復(fù)合焊和同軸復(fù)合焊。旁軸激光一電弧復(fù)合焊方法實(shí)現(xiàn)較為簡(jiǎn)單,但最大缺點(diǎn)是熱源為非對(duì)稱性,焊接質(zhì)量受焊接方向影響很大,難以用于曲線或三維焊接。而激光和電弧同軸的焊接方法則可以形成一種同軸對(duì)稱的復(fù)合熱源,大大提高焊接過程穩(wěn)定性,并可方便地實(shí)現(xiàn)二維和三維焊接。 
  三、激光焊接過程監(jiān)測(cè)與質(zhì)量控制 
  激光焊接過程監(jiān)測(cè)與質(zhì)量控制一直是激光焊接領(lǐng)域研究和發(fā)展的一個(gè)重要內(nèi)容,利用電感、電容、聲波、光電、視覺等各種傳感器,通過人工智能和計(jì)算機(jī)處理方法,針對(duì)不同的激光焊接過程和要求,實(shí)現(xiàn)諸如焊縫跟蹤、缺陷檢測(cè)、焊縫成形質(zhì)量監(jiān)測(cè)等,并通過反饋控制調(diào)節(jié)焊接工藝參數(shù),從而實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的自動(dòng)化激光焊接過程。 
  (1)激光焊接過程監(jiān)測(cè) 
  利用各種傳感器對(duì)激光焊接過程中產(chǎn)生的等離子體進(jìn)行檢測(cè)是常用和有效的方法,如圖1所示。根據(jù)檢測(cè)信號(hào)的不同,激光焊接質(zhì)量檢測(cè)主要包括以下幾種方式: 
 、俟庑盘(hào)檢測(cè)。檢測(cè)對(duì)象為激光焊接過程中的等離子體(包括工件上方和小孔內(nèi)部)光輻射和熔池光輻射等。從檢測(cè)裝置的安裝來看,主要包括與激光束同軸的直視檢測(cè)、側(cè)面檢測(cè)和背面檢測(cè)。使用的傳感器主要有光電二極管、光電池、CCD和高速攝像機(jī),以及光譜分析儀等。 
 、诼曇粜盘(hào)檢測(cè)。檢測(cè)對(duì)象主要為焊接過程中等離子體的聲振蕩和聲發(fā)射。 
 、鄣入x子體電荷信號(hào)。檢測(cè)對(duì)象為焊接噴嘴和工件表面等離子體的電荷。 
  利用光電傳感器檢測(cè)激光焊接過程中等離子體光輻射強(qiáng)度的變化是激光焊接過程監(jiān)測(cè)與控制的重要方法之一。國內(nèi)外研究工作表明。利用光電傳感器可以自動(dòng)檢測(cè)出焊接過程中因激光功率、焊接速度,焦點(diǎn)位置、噴嘴至工件表面距離、對(duì)接間隙等工藝條件的波動(dòng)引起的焊縫熔深和成形質(zhì)量的變化,不僅可以診斷出諸如咬邊、燒穿、駝峰等焊縫成形缺陷,而且在一定工藝條件下還可以檢測(cè)焊縫內(nèi)部質(zhì)量,例如,氣孔傾向的嚴(yán)重程度。 
  (2)激光焊接過程控制 
  激光焊接過程控制的主要內(nèi)容就是對(duì)焊接工藝參數(shù)的控制。在激光焊接時(shí),光束焦點(diǎn)位置是影響激光深熔焊質(zhì)量最關(guān)鍵而又最難監(jiān)測(cè)和控制的工藝參數(shù)之一。在一定激光功率和焊接速度下,只有焦點(diǎn)處于最佳焦點(diǎn)位置范圍時(shí),才可獲得最大熔深和良好的焊縫成形。偏離這個(gè)范圍,熔深則下降,甚至破壞穩(wěn)定的深熔焊過程,變?yōu)槟J讲环(wěn)定焊接或熱導(dǎo)焊。但實(shí)際激光焊接時(shí),存在多種因素影響焦點(diǎn)位置的穩(wěn)定性,包括因非平面工件和焊接變形引起的焊接噴嘴一工件距離變化,激光器窗口、聚焦鏡等元件熱透鏡效應(yīng)引起焦點(diǎn)位置的變化,以及光束在飛行光路中不同位置引起焦點(diǎn)位置的變化等。如何迅速確定激光焦點(diǎn)位置并將其控制在合適的范圍,一直是激光焊接迫切要求解決而又難度很大的課題。 
  激光焊接技術(shù)是一種高新技術(shù),由于其獨(dú)有的特點(diǎn),特別適合在傳感器密封焊中使用,目前國外許多生產(chǎn)傳感器的廠家均利用激光焊接工藝生產(chǎn)傳感器,而國內(nèi)采用此工藝的廠家不多,主要是一些生產(chǎn)軍用傳感器產(chǎn)品的廠家和部分科研機(jī)構(gòu)在采用此種工藝。且采用國外激光焊接機(jī)的較多。為提高國內(nèi)傳感器整體水平以及發(fā)展民族激光產(chǎn)業(yè),我國的傳感器生產(chǎn)廠家應(yīng)盡快采用國產(chǎn)激光焊接機(jī)來生產(chǎn)加工傳感器,以增加產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力,開拓國際市場(chǎng)。

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