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0431-81702023
光学工程
激光焊接技术应用及其发展趋势

摘 要 论述了激光焊接工艺的特点,激光焊接在汽车工业、微电子工业、生物医学等领域的应用以及研究现状,激光焊接的智能化控制,需进一步研究与探讨的问题。

关键词 激光焊接,混合焊接,焊接装置,应用领域

1 引言

      激光焊接是激光加工技术应用的重要方面之一,20 世纪 70 年代主要用于焊接薄壁材料和低速焊接,焊接过程属于热传导型,即激光加热工件表面,热量通过热传导向内部扩散,通过控制激光脉冲的宽度、能量、峰值功率和重复率等参数,使工件熔化,形成特定的熔池。激光焊接作为一种高质量、高精度、低变形、高效率和高速度的焊接方法,随着高功率 CO2 和高功率 YAG 激光器以及光纤传输技术的完善、金属钼焊接聚束物镜等的研制成功,其在机械制造、航空航天、汽车工业、粉末冶金、生物医学、微电子行业等领域的应用越来越广。目前的研究主要集中于 CO2激光和 YAG 激光焊接各种金属材料时的理论,包括激光诱发的等离子体发光、吸收、散射特性、激光焊接智能化控制、复合焊接、激光焊接现象及小孔行为、焊接缺陷发生机理与防止方法等。并对镍基耐热合金、铝合金及镁合金的焊接性,焊接现象建模与数值模拟,钢铁材料、铜、铝合金与异种材料的连接,激光接头性能评价等方面做了广泛的研究[1]。

2 激光焊接的质量与特点

      激光焊接是将高强度的激光辐射至金属表面,通过激光与金属的相互作用,金属吸收激光转化为热能使金属熔化后冷却结晶形成焊接。图 1 显示在不同的辐射功率密度下熔化过程的演变阶段,激光焊接的机理有两种:(1) 热传导焊接;(2)激光深熔焊。

2.1 激光焊接的焊缝形状

      对于大功率深熔焊由于在焊缝熔池处的熔化金属,由于材料的瞬时汽化而形成深穿型的圆孔空腔,随着激光束与工件的相对运动使小孔周边金属不断熔化、流动、封闭、凝固而形成连续焊缝,其焊缝形状深而窄, 即具有较大的熔深熔宽比,在高功率器件焊接时,深宽比可达 5:1,最高可达 10:1[2]。图 2 显示四种焊法在 316 不锈钢及 DUCOL W30 钢上的焊缝截面形状的比较,对比的结论有以下几点:(1)激光焊与电子束焊、钨极惰性气体电弧焊(TIG)、等离子焊的主要优点相似:焊缝窄、穿透性强、焊缝两边平行、热影响区小;(2)电弧焊和等离子焊投资少,广泛应用了很多年,经验比较多;(3)激光焊和电子束焊须在真空或局部真空中进行,也可在空气中,但电子束穿透能力比激光差;(4)激光焊和电子束焊,焊缝窄且热影响区小,因而变形小。

2.2 激光焊接焊缝的组织性能

      大功率激光焊接,因其能量密度极高,被焊工件经受快速加热和冷却的反复作用,使得焊缝和热影响区域极窄,硬度远远高于母材[3],该区域的塑性相对较低。为了降低接头区域的硬度, 应采取焊接前预热和焊后回火等相应的工艺措施。激光回火是一种在激光焊后随即采用非聚焦的低能量密度光束对焊道进行多道扫描从而降低焊缝硬度的新工艺。激光焊接金属及热影响区的组织和硬度是由化学成分和冷却速度决定的。在激光焊接中,现行焊接工艺一般不需要填充金属。在这种情况下,焊缝的组织和硬度主要由钢板的化学成分和激光照射条件来决定[3]。采用填充焊丝的激光焊接由于可以选择任意合金成分的焊丝作为最佳的焊缝过渡合金,因而可以保证两侧母材的联结具有最佳性能[4]。可以对高熔点、高热导率、物理性质差异较大的异种或同种金属材料进行焊接[5],可以得到无污染、杂质少的焊缝。激光焊接加热速度快,焊接熔池迅速冷却,与普通的常规焊接在金相组织上有很大的区别。

 3 激光焊接的应用领域

3.1 制造业应用    

      激光拼焊 (TailoredBlandLaser Welding) 技术在国外轿车制造中得到广泛的应用[6],据统计,2000 年全球范围内剪裁坯板激光拼焊生产线超过 100 条,年产轿车构件拼焊坯板 7000 万件,并继续以较高速度增长。国内生产的引进车型 Passat,Bulck,Audi 等也采用了一些剪裁坯板结构。日本以 CO2 激光焊代替了闪光对焊进行制钢业轧钢卷材的连接,超薄板焊接,如板厚 100mm 以下的箔片无法熔焊,但通过有特殊输出功率波形的 YAG 激光焊得以成功,显示了激光焊的广阔前途。日本还在世界上首次成功开发了将 YAG 激光焊用于核反应堆中蒸气发生器细管的维修等[6],在国内苏宝蓉等还进行了齿轮的激光焊接技术[7]。20 世纪 80 年代后期,千瓦级激光器成功应用于工业生产,而今激光焊接生产线已大规模出现在汽车制造业,成为汽车制造业突出的成就之一。90 年代美国通用、福特和克莱斯特公司竟相将激光焊接引入汽车制造,尽管起步较晚,但发展很快。意大利菲亚特在大多数钢板组件的焊接装配中采用了激光焊接,日本的日产、本田和丰田汽车公司在制造车身覆盖件中都使用了激光焊接和切割工艺,高强钢激光焊接装配件因其性能优良在汽车车身制造中使用的越来越多,根据美国金属市场统计,至 2002 年底,激光焊接钢结构的消耗将达到 7 万吨,比 1998 年增加 3 倍。在工艺方面美国 Sandia 国家实验室与 Pratt Witney 联合进行在激光焊接过程中添加粉末金属和金属丝的研究,德国不莱梅应用光束技术研究所在使用激光焊接铝合金车身骨架方面进行了大量的研究,认为在焊缝中添加填充金属有助于消除热裂纹,提高焊接速度,解决公差问题,开发的生产线已在奔驰公司的工厂投入生产。

3.2 粉末冶金领域

     随着科学技术的不断发展,许多技术对材料有特殊要求, 应用冶铸方法制造的材料已不能满足需要。由于粉末冶金材料具有特殊的性能和制造优点, 在某些领域如汽车、飞机、工具刃具制造业中正在取代传统的冶铸材料, 随着粉末冶金材料的日益发展, 它与其它零件的连接问题显得日益突出, 使粉末冶金材料的应用受到限制[8]。在 20 世纪 80 年代初期,激光焊以其独特的优点进入粉末冶金材料加工领域,为粉末冶金材料的应用开辟了新的前景,如采用粉末冶金材料连接中常用的钎焊方法焊接金刚石,由于结合强度低,热影响区宽特别是不能适应高温及强度要求高而引起钎料熔化脱落,采用激光焊接可以提高焊接强度以及耐高温性能[9~11]。

3.3 电子工业

       激光焊接在电子工业中,特别是微电子工业中得到了广泛的应用[12]。由于激光焊接热影响区小,加热集中迅速、热应力低,因而正在集成电路和半导体器件壳体的封装中,显示了独特的优越性,在真空器件研制中,激光焊接也得到了应用,如钼聚焦极与不锈钢支持环、快热阴极灯丝组件等。传感器或温控器中的弹性薄壁波纹片其厚度在 0.05~0.1mm,采用传统焊接方法难以解决,电弧焊容易焊穿,等离子焊稳定性差,影响因素多,而采用激光焊接效果很好,得到广泛的应用。 

3.4 生物医学

      生物组织的激光焊接始于 20世纪 70 年代,Klink 等及 Jain[13]用激光焊接输卵管和血管的成功及显示出来的优越性,使更多研究者尝试焊接各种生物组织,并推广到其它组织的焊接 14,15]。有关激光焊接神经方面,目前国内外的研究主要集中在激光波长、剂量及对功能恢复及激光焊料选择等方面 [16~18],刘铜军在激光焊接小血管及皮肤[19] 等基础研究的基础上又对大白鼠胆总管进行了焊接研究[20]。激光焊接方法与与传统的缝合方法比较, 激光焊接具有吻合速度快, 愈合过程中没有异物反应, 保持焊接部位的机械性质, 被修复组织按其原生物力学性状生长等优点[21],将在以后的生物医学中得到更广泛的应用。

3.5 其他领域

       在其他行业中,激光焊接也逐渐增加,特别是在特种材料焊接方面,我国进行了许多研究,如对 BT20 钛合金[22]、HE130 合金[23]、Liion 电池[24]等激光焊接。德国玻璃机械制造商 Glamaco Coswig 公司与 IFW 接合技术与材料实验研究院合作开发出了一种用于平板玻璃的激光焊接新技术。

4 激光焊接设备的智能化控制

      激光焊接监控自动化的关键之一是熔池的实时监视,因此,跟踪传感器的选择成了一个至关重要的前提。在所有传感器中,光学传感器以其灵敏度和测量精度高,动态特性好,与工件无接触及包含的信息量大等特点,成为发展最快的跟踪传感器。而 CCD (Chargecoupled Device 电荷耦合装置)集成光学器件的应用,又使得光学传感器上升到视频传感的新高度[25]。激光焊接的优点之一是焊接速度快,薄板的焊接速度可达 10m/min 以上[26],但在高速连续的焊接过程中,如果出现焊接缺陷,将在极短的时间内造成大量的废品。实现在线的激光焊接质量监测是保证质量十分重要的环节,华中科技大学设计的信号处理及反馈控制系统,通过将声、光传感器所采集的信号放大、滤波、双限比较后进行 A/D 转换,再将数字信号由微机进行处理等,对激光输出功率、焊接速度、离焦量等工艺参数进行控制实现最佳工艺参数[27]。解决熔透问题,基本前提是对激光焊接过程进行实时检测和控制,提取激光焊接的特征信号。近 10 来,国内外的研究机构主要针对焊接过程中光致等离子体产生的声、光、电、热等信息进行提取,并分析处理,寻找特征信号[28~30]。在填丝激光焊接时,激光填丝焊对接间隙宽度是主要的参数,为了保证焊缝全长都取得良好均匀的成形,实现高质量的激光填丝焊,研究人员开发了高精度对缝间隙检测传感器以及高质量送丝控制系统[31]。

      对于激光深熔焊而言,利用光学传感器检测焊接过程中的等离子体和反射激光的信号特征是一种简单而有效的实时检测焊接过程的方法[32]。目前,利用光电管检测焊接过程中的等离子体或反射光的方法,主要从工件侧面或与激光同轴两个方向进行。至于光学传感器的选择,有三种不同波段的传感器可用于激光焊接过程检测。如紫外波段的传感器用于 CO2 激光焊接时的等离子体检测,可见光波段的传感器用于 CO2 和 Nd:YAG 激光焊接过程等离子体或金属蒸汽羽焰的检测,红外波段用于 Nd: YAG 激光焊接的检测。到目前为止,检测到的光学信号与激光焊接参数(如焦点位置)的关系已有很好的研究成果并被应用[33];另外利用光学传感器对激光焊接过程中产生的缺陷,如烧穿、孔洞或驼峰状表面缺陷的检测也有相关报道[34]。

5 激光焊接发展趋势

5.1 复合焊接

      人们在广泛应用激光焊接技术的同时,不断地对其进行深入的研究,发现它有一定的缺点:在激光焊接过程中,母材受热熔化、汽化,形成深熔小孔,孔中充满金属蒸汽,金属气体与激光作用形成等离子云。等离子云吸收、反射激光,降低金属材料对激光的吸收率,使激光的能量利用率降低;对焊接母材端面接口要求高,容易产生错位;容易生成气孔疏松和裂纹;焊后在母材端面之间的接口部位存在凹陷,焊接过程不稳定等[35]。为减少或消除单热源激光焊接的缺陷,人们在保持激光加热优点的基础上,利用其他热源的加热特性来改善激光对工件的加热,从而把激光与其他热源一起进行复合热源焊接[36~39]。主要有激光与电弧、激光与等离子弧、激光与感应热源复合焊接以及双激光束焊接等。激光与电弧焊接结合起来,这种复合工艺综合了激光与电弧的优点,即将激光的高能量密度和电弧的较大加热区组合起来,其优点:1) 可增加焊接熔深;2) 提高焊接速度与生产率;3) 改善接头性能;4) 降低设备成本,同时通过激光与电弧的相互作用,来改善激光能量的耦合特性和电弧的稳定性,以获得一种综合的效果,但是由于电弧的引入增加了焊接的热输入,从而使焊接热影响区和热变形增大。

5.2 激光焊接的控制(熔池尺寸、等离子效应等)

     在激光焊接熔透控制研究中,建立熔池形状参数与焊接工艺间的关系是关键问题,在实验过程中,对熔池形状信息获知越丰富,对焊接过程熔透控制的效果越理想。许多学者根据激光深熔焊中的小孔机制,对激光焊接的温度场、液体流动及小孔形状、尺寸进行了计算并取得了一定效果。John 等人提出了入射激光的逆韧致吸收模型,假定能量通过传导机制传递给小孔壁,通过解热传导方程,得到了一个最大的理论熔深[40]。Sonti 等人采用二维有限元非线形模型进行了铝合金激光深熔焊接传输过程的三维计算,得到了激光焊接的三维温度场[41]。John 分析小孔内的能量和压力平衡,建立一个小孔内液体和蒸气流动的通用模型[42]。王海兴等对前人提出的计算激光焊接深熔焊过程中熔池尺寸的方法进行了检验、改进与推广,从激光焊接过程中的能量平衡出发,预报了不同焊接工况下熔池的尺寸[43]。刘顺洪进行了薄板激光焊温度场的分析与数值模拟,在空间域上用加权余量法,时间域上用有限差分法离散,考虑了材料热物性参数的温度相关性、熔化潜热以及对流辐射等对温度场的影响,建立了有限元方程,并编制了相应的程序[44]。随着图象传感方法的改进,人们可以从熔池图象获得熔池形状更多的特征信息,如熔池的宽度、长度和面积,利用这些信息建立同激光焊接工艺参数之间的关系,对激光焊接的焊缝质量控制中有着重要的作用,这将是激光焊接研究的一个重要方向。

 5.3 激光焊接的激光发生器及其工艺发展趋势

      目前的激光焊接所使用的激光器主要为大功率 CO2 激光器和脉冲 Nd:YAG 激光器[45],对于 CO2 气体激光要解决大功率激光器的放电稳定性,对于 YAG 固体激光器要研制大容量、长寿命的光泵激励光源。光纤激光器具有高转换效率和极低损耗,极好光束质量、高效率和可靠性,并且结构非常紧凑,在不远的将来,单光纤、单模光纤的输出功率将超过千瓦级,在激光焊接领域将得到应用。采用直接二极管阵列激光输出波长在近红外区域的激光平均功率已达 1kW, 光电转换效率接近 50豫,这些激光设备和技术,将在焊接应用方面发挥更大的作用。在激光光束质量及加工外围装置方面,应研究各种激光加工工艺对激光光束的质量要求、激光光束和加工质量监控技术、光学系统及加工头设计和研制,开展焊接工艺及材料、焊接工艺对设备要求及焊接过程参数监测和控制技术研究,从而掌握普通钢材、有色金属及特殊钢材的焊接工艺。


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