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激光焊接的研究現(xiàn)狀與展望
2022-05-31 行業(yè)資訊

  激光技術(shù)在制造業(yè)中的應(yīng)用是目前各國的研究重點, 隨著工業(yè)發(fā)展對高效、環(huán)保、自動化的需要, 激光技術(shù)的應(yīng)用迅速普及制造業(yè)的許多領(lǐng)域。在此基礎(chǔ)上, 激光焊接工藝將成為激光應(yīng)用的重要方面之一。

  激光焊接是激光加工技術(shù)應(yīng)用的重要內(nèi)容, 更是21世紀(jì)最受矚目、最有發(fā)展前景的焊接技術(shù)。

  早在上世紀(jì)末, 歐美各國就已把激光焊接充分應(yīng)用到工業(yè)生產(chǎn)中, 我國在加快對激光焊接技術(shù)的研究與開發(fā)的同時, 逐步建立起一個“產(chǎn)、學(xué)、研”相結(jié)合的發(fā)展體制, 并在個別領(lǐng)域有了較大的突破。

  隨著工業(yè)制造的發(fā)展, 高效、敏捷、環(huán)保的加工技術(shù)將倍受青睞。激光焊接以其高能束的聚焦方式, 在焊接過程中能實現(xiàn)深熔焊、快速焊等其他焊接工藝較難實現(xiàn)的形式, 特別是激光焊接設(shè)備搭配靈活, 實時在線檢測技術(shù)成熟, 使其能夠在大批量生產(chǎn)中實現(xiàn)高度自動化, 目前已有大量的激光焊接生產(chǎn)線投入工業(yè)生產(chǎn)。

  實踐證明, 激光焊接在加工業(yè)的應(yīng)用范圍十分廣泛, 基本上傳統(tǒng)焊接工藝可以使用的領(lǐng)域, 激光焊接都能勝任,并且焊接質(zhì)量更高, 加工效率更快。

  采用激光技術(shù)的焊接工藝

  激光焊接是利用激光的輻射能量來實現(xiàn)有效焊接的工藝, 其工作原理是: 通過特定的方式來激勵激光活性介質(zhì)( 如CO2和其他氣體的混合氣體、YAG釔鋁石榴石晶體等) , 使其在諧振腔中往復(fù)振蕩, 從而形成受激輻射光束, 當(dāng)光束與工件接觸時, 其能量被工件吸收, 在溫度達到材料熔點時便可進行焊接。

  1. 激光焊接的模式

  激光焊接可分為熱傳導(dǎo)焊和深熔焊, 前者的熱量通過熱傳遞向工件內(nèi)部擴散, 只在焊縫表面產(chǎn)生熔化現(xiàn)象, 工件內(nèi)部沒有完全熔透, 基本不產(chǎn)生汽化現(xiàn)象, 多用于低速薄壁材料的焊接;后者不但完全熔透材料, 還使材料汽化, 形成大量等離子體, 由于熱量較大, 熔池前端會出現(xiàn)匙孔現(xiàn)象。

  深熔焊能夠徹底焊透工件, 且輸入能量大、焊接速度快, 是目前使用最廣泛的激光焊接模式。

  2. 激光焊接的焊縫形狀及組織性能

  由于激光器產(chǎn)生的聚焦光斑面積較小, 其作用在焊縫周圍的熱影響區(qū)也比普通焊接工藝的小得多, 且激光焊接一般不需填充金屬, 因此焊縫表面連續(xù)均勻、成形美觀, 無氣孔、裂紋等表面缺陷, 非常適合于對焊縫外形要求嚴(yán)格的場合。雖然聚焦的面積比較小, 但激光束的能量密度大( 普遍達103~108W/cm2) 。

  焊接過程中, 金屬被加熱和冷卻的速度非??欤?熔池周圍溫度梯度比較大, 使其接頭強度往往高于母材,相反地接頭塑性則相對較低。目前, 已經(jīng)可以通過雙焦點技術(shù)或復(fù)合焊接技術(shù)來改善接頭質(zhì)量。

  3. 激光焊接的優(yōu)缺點

  激光焊接之所以受到如此高的重視, 在于其特有的諸多優(yōu)點:

 ?、?采用激光焊接可以獲得高質(zhì)量的接頭強度和較大的深寬比, 且焊接速度比較快。

 ?、?由于激光焊接不需真空環(huán)境, 因此通過透鏡及光纖, 可以實現(xiàn)遠程控制與自動化生產(chǎn)。

 ?、?激光具有較大的功率密度, 對難焊材料如鈦、石英等有較好的焊接效果,并能對不同性能材料施焊。

  當(dāng)然, 激光焊接也存在不足之處:

 ?、?激光器及焊接系統(tǒng)各配件的價格較為昂貴, 因此初期投資及維護成本比傳統(tǒng)焊接工藝高,經(jīng)濟效益較差。

 ?、?由于固體材料對激光的吸收率較低, 特別是在出現(xiàn)等離子體后(等離子體對激光具有吸收作用) , 因此激光焊接的轉(zhuǎn)化效率普遍較低(通常為5%~30%) 。

 ?、?由于激光焊接的聚焦光斑較小,對工件接頭的裝備精度要求較高, 很小的裝備偏差就會產(chǎn)生較大的加工誤差。

  隨著激光焊接的普及應(yīng)用和激光器的商品化生產(chǎn), 激光設(shè)備的價格明顯下降。而大功率激光器的發(fā)展和新型復(fù)合焊接方式的研發(fā)與運用, 使激光焊接轉(zhuǎn)化效率低的缺點也得到改善, 相信不久的將來, 激光焊接將逐步代替?zhèn)鹘y(tǒng)焊接工藝(如電弧焊和電阻焊) ,成為工業(yè)焊接的主要方式。

  國內(nèi)外激光焊接的研究現(xiàn)狀

  1. 激光器的研究現(xiàn)狀

  現(xiàn)有的激光器多以CO2激光器、YAG激光器和半導(dǎo)體激光器為主, 特別是CO2激光器和Nd: YAG激光器, 由于研發(fā)較早, 技術(shù)較完善, 在各領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)相當(dāng)廣泛。

  其中, CO2激光器屬于氣體激光器, 其激光活性介質(zhì)是碳酸氣、氮氣、氦氣等的混合氣體, 發(fā)射光的波長為10.6μm, 一般以連續(xù)方式工作,電-光轉(zhuǎn)化效率為10%~30%, 其輸出功率一般為0.5~50 kW;Nd: YAG激光器屬于固體激光器, 其激光活性介質(zhì)是摻有釹(Nd) 的釔- 鋁- 石榴石(YAG) 晶體, 發(fā)射光的波長為1.06μm, 可以用脈沖和連續(xù)2種方式輸出, 電- 光轉(zhuǎn)化效率為3%~10%, 其輸出功率主要為0.1~5 kW[1]。

  雖然Nd: YAG激光器的輸出功率和電-光轉(zhuǎn)化效率比CO2激光器低得多, 但由于其發(fā)射光波長較短, 材料對其光束的吸收率較高, 對高反射率的材料( 如鋁合金與銅合金等) 具有較好的焊接效果,特別是Nd: YAG激光器可以采用光纖進行傳輸, 能夠與機器人加工系統(tǒng)很好匹配, 有利于實現(xiàn)遠程控制和自動化生產(chǎn), 因此在激光焊接中占有重要的地位。

  2. 等離子體控制的研究現(xiàn)狀

  眾所周知, 等離子體的出現(xiàn), 是激光焊接所面臨的最大問題。激光的高能量密度, 不但能使金屬熔化, 還能使金屬汽化( 能量密度超過106 W/cm2時) ,當(dāng)汽化后的金屬在空氣中與激光束接觸時, 會出現(xiàn)電離現(xiàn)象, 大量等離子體便由此產(chǎn)生。

  等離子體不但能夠吸收和散射激光束, 還能折射激光, 使光斑聚焦的位置出現(xiàn)偏離, 嚴(yán)重影響激光的焊接效果。因此,減少等離子體的出現(xiàn), 是優(yōu)化激光焊接的最有效方式。

  日本的Y Arata發(fā)明了LSSW ( 激光擺動法) [8], 即光束沿焊接方向迅速地來回擺動, 時間控制在匙孔出現(xiàn)后與等離子體出現(xiàn)之前, 避免了等離子體的產(chǎn)生。

  3. 焊接過程自動檢測的研究現(xiàn)狀

  無論采用哪種焊接工藝, 均會產(chǎn)生廢品, 目前,工業(yè)制造中對產(chǎn)品質(zhì)量的控制更多的是采用實時監(jiān)控技術(shù), 而不是焊后處理技術(shù)。因此焊接過程的實時監(jiān)控, 便成了激光焊接實現(xiàn)自動化的研究重點。

  J Shao和Y Yan對激光焊接過程聲信號和光信號的檢測進行了系統(tǒng)的闡述, 并給出了檢測系統(tǒng)的設(shè)計方案。Li和Steen等人設(shè)計了一個絕緣噴嘴來檢測等離子體的動態(tài)電信號, 試驗結(jié)果表明: 信號的強度隨熔深的增大而增強。

  國內(nèi)高向東等人采用視覺傳感技術(shù), 通過計算機圖像處理, 有效地提取焊接過程的各種信息, 并最終實現(xiàn)自動化控制。

  Young Whan Park等人采用UV和IR探測器來檢測等離子體的紫外線輻射和紅外線輻射, 并成功地將UV和IR的輻射信號與焊接質(zhì)量聯(lián)系起來, 實現(xiàn)了焊接過程的在線檢測。

  W S Chang和S J Na利用數(shù)學(xué)模型來研究焊接過程中對熱源控制的重要性, 試驗證明通過對熱源的控制( 如聚焦位置、激光功率) 能夠有效地評估焊接質(zhì)量。

  S Dixon等人則采用電磁聲學(xué)轉(zhuǎn)換器( EMAT) 來實現(xiàn)激光焊接過程的超聲波檢測, 試驗證明材料內(nèi)部產(chǎn)生的超聲波能夠反應(yīng)熔深不足、裂痕的出現(xiàn)、氣孔的產(chǎn)生等焊接缺陷。

  目前國內(nèi)外的研究結(jié)果顯示: 可供激光焊接過程實時檢測的信號有聲信號、光信號、電信號、紫外/紅外輻射信號和超聲波信號等。


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