激光焊接技術(shù)的應(yīng)用.doc

激光焊接技術(shù)的應(yīng)用激光焊接是激光加工材料加工技術(shù)應(yīng)用的重要方面之一。20世紀(jì)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(dǎo)型。即激光輻射加熱工件表面，表面熱量通過熱傳導(dǎo)向內(nèi)部擴(kuò)散，通過控制激光脈沖的寬度、能量、峰值功率和重復(fù)頻率等參數(shù)，使工件熔化，形成特定的熔池。由于激光焊接作為一種高質(zhì)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和高功率的YAG激光器以及光纖傳輸技術(shù)的完善、金屬鉬焊接聚束物鏡等的研制成功，使其在機(jī)械制造、航空航天、汽車工業(yè)、粉末冶金、生物醫(yī)學(xué)微電子行業(yè)等領(lǐng)域的應(yīng)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(shí)的理論，包括激光誘發(fā)的等離子體的分光、吸收、散射特性以及激光焊接智能化控制、復(fù)合焊接、激光焊接現(xiàn)象及小孔行為、焊接缺陷發(fā)乍機(jī)理與防止方法等，并對(duì)鎳蓐耐熱合金、鋁合金及鎂合金的焊接性焊接現(xiàn)象建模與數(shù)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(píng)價(jià)等方面做了一定的研究。1 激光焊接的原理 激光焊接原理：激光焊接是將高強(qiáng)度的激光束輻射至金屬表面。通過激光與金屬的相互作用，金屬吸收激光轉(zhuǎn)化為熱能使金屬熔化后冷卻結(jié)晶形成焊接。11 熱傳導(dǎo)焊接 當(dāng)激光照射在材料表面時(shí)，一部分激光被反射。一部分被材料吸收，將光能轉(zhuǎn)化為熱能而加熱熔化，材料表面層的熱以熱傳導(dǎo)的方式繼續(xù)向材料深處傳遞，最后將炳焊件熔接在一起。12 激光深熔焊 當(dāng)功率密度比較大的激光束照射到材料表面時(shí)，材料吸收光能轉(zhuǎn)化為熱能，材料被加熱熔化至汽化，產(chǎn)生大量的金屬蒸汽，在蒸汽退出表面時(shí)產(chǎn)生的反作用力下，使熔化的金屬液體向四周排擠，形成凹坑，隨著激光的繼續(xù)照射。凹坑穿人更深。當(dāng)激光停止照射后。凹坑周邊的熔液回流。冷卻凝固后將兩焊件焊接在一起。2 激光焊接的應(yīng)用領(lǐng)域21 制造業(yè)應(yīng)用 激光拼焊（Tailored Bland Laser Welding）技術(shù)在國(guó)外轎車制造中得到廣泛的應(yīng)用，據(jù)統(tǒng)計(jì)，2000年全球范圍內(nèi)剪裁坯板激光拼焊生產(chǎn)線超過100條，年產(chǎn)轎車構(gòu)件拼焊坯板7000萬件，并繼續(xù)以較高速度增長(zhǎng)。國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的引進(jìn)車型Passat，Buick，Audi等也采用廠一些剪裁坯板結(jié)構(gòu)。日本以CO2激光焊代替了閃光對(duì)焊進(jìn)行制鋼業(yè)軋鋼卷材的連接在超薄板焊接的研究，如板厚loo微米以下的箔片，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。22 粉末冶金領(lǐng)域 隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展。許多工業(yè)技術(shù)上對(duì)材料特殊要求，應(yīng)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(yōu)點(diǎn)。在某砦領(lǐng)域如汽車、飛機(jī)、工具刃具制造業(yè)中正在取代傳統(tǒng)的冶鑄材料，隨著粉末冶金材料的日益發(fā)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(yīng)用受到限制。在八十年代初期，激光焊以其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)入粉末冶金材料加工領(lǐng)域，為粉末冶金材料的應(yīng)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的方法焊接金剛石，由于結(jié)合強(qiáng)度低，熱影響區(qū)寬特別是不能適應(yīng)高溫及強(qiáng)度要求高而引起釬料熔化脫落，采用激光焊接町以提高焊接強(qiáng)度以及耐高溫性能。23 汽車工業(yè)在20世紀(jì)90年代中期，BMW公司利用激光焊接機(jī)器人完成了BMW 5系列轎車的第一條焊縫，焊縫總長(zhǎng)度達(dá)12m。到2003年7月，激光焊接焊縫的總長(zhǎng)度累計(jì)達(dá)到150萬米。激光技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)的結(jié)果是強(qiáng)化了其在汽車制造工業(yè)中的應(yīng)用。Daimler Chrysler公司焊接（設(shè)備和零部件）技術(shù)課題組的負(fù)責(zé)人Christian Elsner先生認(rèn)為：激光焊接最主要的應(yīng)用領(lǐng)域是汽車傳動(dòng)系統(tǒng)和汽車車架的焊接制造。激光焊接長(zhǎng)期以來并沒有被充分利用，新的激光焊接電源和更高的功率使得激光焊接擠進(jìn)了長(zhǎng)期以來一直被傳統(tǒng)焊接技術(shù)所占據(jù)的“領(lǐng)地”。激光技術(shù)在汽車工業(yè)中之所以得到了極為廣泛的應(yīng)用，與研究所的科技工作者們的勞動(dòng)是分不開的。Daimler Chrysler公司生產(chǎn)技術(shù)與材料技術(shù)研究所打算在將來進(jìn)一步加強(qiáng)與物理研究所的密切合作，使焊接生產(chǎn)過程中的傳感器技術(shù)能有更好的結(jié)果。工業(yè)控制系統(tǒng)生產(chǎn)企業(yè)、工業(yè)控制系統(tǒng)應(yīng)用企業(yè)與科學(xué)研究機(jī)構(gòu)之間的合作越緊密，合作的結(jié)果就越富有成效。新的激光焊接方案目前，一些研究機(jī)構(gòu)和工業(yè)企業(yè)正在研制開發(fā)新的激光焊接方案。新型晶體管脈沖的沙本激光器（Diodengepumpte Scheibenlaser）就是一個(gè)這樣的范例。斯圖加特激光工具研究所（IFSW）的指出：新的沙本激光技術(shù)是一個(gè)全新的晶體管固體激光技術(shù)方案，它有著很高的激光效率和很好的激光聚焦性能。產(chǎn)生激光的介質(zhì)是一個(gè)極薄的反射片，其厚度在百分之幾到二百分之幾微米之間。脈沖激光射束經(jīng)緊湊的折射鏡系統(tǒng)多次折射，最后經(jīng)晶體射出。盡管反射片厚度尺寸很小，但是其反射能力極高，總效率也很高。Hgel先生認(rèn)為：這種激光技術(shù)集CO2激光技術(shù)與Nd：YAG固體激光技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)于一身，在將來可以開辟更多新的應(yīng)用領(lǐng)域。激光焊接的使用量在不斷增長(zhǎng)，德國(guó)VW公司的Touran轎車就是一個(gè)很好的例證。在這一新型轎車中，激光焊點(diǎn)的數(shù)量達(dá)到了1400個(gè)、焊縫的總長(zhǎng)度達(dá)70m。在舒適、美觀的敞蓬轎車的生產(chǎn)中，VW公司的技術(shù)人員與奧地利的焊接專家Fronius公司合作研制開發(fā)了一種激光混合焊接技術(shù)。在高級(jí)敞蓬轎車的車門上，激光混合焊接焊縫的長(zhǎng)度達(dá)到了3570mm，是純激光焊接焊縫長(zhǎng)度的3倍。激光混合焊接技術(shù)VW公司的材料專家認(rèn)為：與純激光焊接技術(shù)相比，利用激光混合焊接技術(shù)可大大提高板金件縫隙的連接能力。從而使得VW公司可以更加充分地利用激光高速焊接時(shí)電弧焊接的工藝穩(wěn)定性。另一個(gè)應(yīng)用實(shí)例是BMW 5系列的寶馬轎車的鋁合金隔板采用這種激光混合焊接技術(shù)與內(nèi)高壓變形加工的鋁合金支架焊接在一起。與各種單獨(dú)使用的激光焊接技術(shù)相比，激光混合焊接技術(shù)具有顯著的優(yōu)點(diǎn)。對(duì)于激光混合，優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在：更大的熔深/較大縫隙的焊接能力；焊縫的韌性更好，通過添加輔助材料可對(duì)焊縫晶格組織施加影響；無燒穿時(shí)焊縫背面下垂的現(xiàn)象；適用范圍更廣；借助于激光替換技術(shù)投資較少。對(duì)于激光MIG惰性氣體保護(hù)焊混合，優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在：較高的焊接速度；熔焊深度大；產(chǎn)生的焊接熱少；焊縫的強(qiáng)度高；焊縫寬度??；焊縫凸出小。從而使得整個(gè)系統(tǒng)的生產(chǎn)過程穩(wěn)定性好，設(shè)備可用性好；焊縫準(zhǔn)備工作量和焊接后焊縫處理工作量??；焊接生產(chǎn)工時(shí)短、費(fèi)用低、生產(chǎn)效率高；具有很好的光學(xué)設(shè)備配置性能。但是，激光混合焊接在電源設(shè)備方面的投資成本相對(duì)較高。隨著市場(chǎng)的進(jìn)一步擴(kuò)大，電源設(shè)備的價(jià)格也將會(huì)有所下降，并將使激光混合焊接技術(shù)在更多的領(lǐng)域中得到應(yīng)用。至少激光混合焊接技術(shù)在鋁合金材料的焊接中是一種非常合適的焊接工藝，將在較長(zhǎng)的時(shí)期內(nèi)成為主要的焊接生產(chǎn)工具。雙焦點(diǎn)激光焊接技術(shù)據(jù)BMW公司的專家介紹，在焊接隔板時(shí)，BMW公司采用了雙焦點(diǎn)激光焊接技術(shù)。因?yàn)樵摷夹g(shù)在鋁合金材料的焊接過程中有很好的性能，因此廣泛應(yīng)用于BMW公司的大批量生產(chǎn)過程中。在激光焊接中，雙焦點(diǎn)激光焊接技術(shù)可在被焊接材料上形成間距很小的兩個(gè)聚焦點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)激光光束的分束和疊加。兩個(gè)激光光源的疊加形成一束激光光束，可大大提高激光功率、生產(chǎn)的穩(wěn)定性、產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)靈活性。激光焊接功率的提高一方面可以提高激光焊接焊縫的深度；另一方面又可提高激光焊接的焊接速度；同時(shí)還可避免鋁合金焊接中常見的熔洞和燒穿等焊接缺陷。激光焊接技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化從激光焊接技術(shù)的用戶企業(yè)的角度來講，一個(gè)沒有完全得以解決的問題是激光焊接技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化問題。該問題集中體現(xiàn)在設(shè)備的連接接口和不同的焊接設(shè)備零部件方面。BMW的專家指出：標(biāo)準(zhǔn)化將使得激光光學(xué)設(shè)備、零部件的生產(chǎn)和制造在世界范圍內(nèi)達(dá)到簡(jiǎn)化。VW公司的專家與BMW的專家的觀點(diǎn)相似，并且認(rèn)為標(biāo)準(zhǔn)化還可以提高激光設(shè)備的有效程度。相反地，Trumpf Gesch ftsbereichs Lasertechnik的發(fā)言人則認(rèn)為：在激光技術(shù)中，每年都有新的進(jìn)步。因此在激光設(shè)備的生產(chǎn)廠家之間存在著非常強(qiáng)烈的競(jìng)爭(zhēng)，這自然而然地阻礙了不同激光技術(shù)設(shè)備研制、開發(fā)企業(yè)統(tǒng)一的產(chǎn)品研制開發(fā)。所謂的標(biāo)準(zhǔn)化最終只能實(shí)現(xiàn)激光光纜接口的標(biāo)準(zhǔn)化。而做到這一步的前提條件是保質(zhì)、保修的三包責(zé)任和三包過程得到說明和認(rèn)可時(shí)。另一方面，該發(fā)言人也同意在激光應(yīng)用技術(shù)的各個(gè)領(lǐng)域中，激光性能的發(fā)展趨勢(shì)是在不斷地提高。這種發(fā)展趨勢(shì)可以增大激光的功率和提高激光的射束質(zhì)量。借助于新的激光產(chǎn)生方案和新的激光設(shè)備設(shè)計(jì)方案，也包括新的激光技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域，這種發(fā)展趨勢(shì)可在今后不久得以實(shí)現(xiàn)。激光焊接技術(shù)是上海大眾多次提到的汽車車身制造技術(shù)。在上海大眾的產(chǎn)品系列中，車身使用激光焊接的產(chǎn)品包括帕薩特、POLO以及途安。帕薩特車身的激光焊接長(zhǎng)度約4.1米、POLO的接近6.6米而途安車身的激光焊接長(zhǎng)度為41米。 上海大眾之所以將激光焊接技術(shù)作為產(chǎn)品的賣點(diǎn)之一，是因?yàn)榧す夂附优c傳統(tǒng)的點(diǎn)焊相比可以大幅提高車身剛度，令車身整體結(jié)構(gòu)更加堅(jiān)固。 從制造商方面考慮，傳統(tǒng)的點(diǎn)焊需要將焊接的兩塊部件互相搭接，無形中增加了鋼材的消耗量。另外，點(diǎn)焊存在不連續(xù)性，板件的結(jié)合面積顯然沒有連續(xù)焊接的激光焊接多，從而降低了車體的剛度（相對(duì)于激光焊接）。 激光焊接可以實(shí)現(xiàn)鋼材分子層面的結(jié)合，另兩塊鋼板結(jié)合成一整塊鋼板，從而增加了結(jié)合強(qiáng)度，消除了板件之間的空隙，避免了摩擦。激光焊接還具有連續(xù)性，傳統(tǒng)的點(diǎn)焊由多個(gè)焊點(diǎn)組成，會(huì)產(chǎn)生漏點(diǎn)，而激光焊接形成的焊縫牢固而連續(xù)，沒有漏點(diǎn)。激光焊接的其它好處是可以減少材料用量、提高尺寸精度與降低成本等（以往認(rèn)為的激光焊接會(huì)增加成本的觀點(diǎn)是比較片面的）。應(yīng)用在POLO轎車車身的激光焊接POLO車頂?shù)募す夂附雍缚p長(zhǎng)達(dá)1.7米 在POLO轎車的車體結(jié)構(gòu)中，激光焊接的長(zhǎng)度要超過帕薩特。主要應(yīng)用部位分為頂蓋與側(cè)圍、底板與側(cè)圍以及門框等處。最長(zhǎng)的一條激光焊分是頂蓋與車身側(cè)圍板的焊接，長(zhǎng)度為1.7米。傳統(tǒng)的點(diǎn)焊存在車頂焊縫雨天漏水的問題，需要加裝橡膠密封條來解決漏水問題，而采用激光焊接技術(shù)的POLO則省去了橡膠密封條，同時(shí)省去了因裝配質(zhì)量不佳帶來的漏水問題。在應(yīng)用激光焊接的過程中，上海大眾還利用焊縫追蹤、缺陷檢測(cè)等工序來保證焊接的精度與質(zhì)量。 POLO在所有同級(jí)別產(chǎn)品中是售價(jià)最高的，但從科技含量講POLO也是最高的。正常使用下消費(fèi)者很難察覺到激光焊接帶來的好處，可是在關(guān)乎生命安全的緊要關(guān)頭，高技術(shù)制造的車體卻能為擁有者增加生存的砝碼。有關(guān)POLO的事故照片激光焊接技術(shù)的應(yīng)用很大程度上保證的車體的堅(jiān)固程度24 電子工業(yè) 激光焊接在電子工業(yè)中特別是微電子工業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。由于激光焊接熱影響區(qū)小加熱集中迅速、熱應(yīng)力低，因而正在集成電路和半導(dǎo)體器件殼體的封裝中，顯示出獨(dú)特的優(yōu)越性在真空器件研制中。激光焊接也得到了應(yīng)用如鉬聚焦極與不銹鋼支持環(huán)、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005-01m，采用傳統(tǒng)焊接方法難以解決，TIG焊容易焊穿，等離子穩(wěn)定性差，影響因素多麗采用激光焊接效果很好得到廣泛的應(yīng)用。25 醫(yī)學(xué)外科手術(shù)醫(yī)生用激光焊接術(shù)縫合傷口近日，以色列科學(xué)家開發(fā)出一種激光焊接術(shù)來縫合病人手術(shù)后的傷口，這樣可使皮膚和內(nèi)部組織愈合得更快。不久的將來，醫(yī)生為病人做完手術(shù)后，不是用針線為他們縫合傷口，而是用激光焊接術(shù)使傷口縫合。以色列特拉維夫大學(xué)亞伯拉罕-卡茨爾教授領(lǐng)導(dǎo)的研究小組負(fù)責(zé)這一研究。早在幾十年前，就有人提議采用激光手術(shù)進(jìn)行傷口愈合，但是由于產(chǎn)生的溫度太高造成皮膚或人體組織燒傷而被遺棄。新技術(shù)采用了智能激光，在工作的時(shí)候可以調(diào)整自己的溫度。從而能夠避免這一問題的出現(xiàn)。研究人員使用以色列奧姆雷克斯生物技術(shù)公司生產(chǎn)的一種特殊白蛋白作為生物黏合劑，把這種特殊生物膠涂在切口的兩側(cè)。用激光把它加熱到適當(dāng)?shù)臏囟?，使膠濃縮并產(chǎn)生硬殼，從而能夠保護(hù)傷口，使其能夠更快愈合，又能阻止細(xì)菌感染。醫(yī)務(wù)救護(hù)人員可以把這種新的技術(shù)應(yīng)用到事故現(xiàn)場(chǎng)，使救護(hù)病人的傷口更快更安全的愈合。 新方法與傳統(tǒng)的縫合術(shù)相比能減少疤痕，并能更好地保護(hù)傷口，使傷口免受感染。研究人員認(rèn)為將一方法將在整形外科和戰(zhàn)場(chǎng)上發(fā)揮用武之地。在整形外科方面，新技術(shù)可以為全世界的愛美人士帶來福音;未來戰(zhàn)場(chǎng)上，士兵可以使用激光器進(jìn)行相互救治，從而大大減少戰(zhàn)爭(zhēng)傷亡，提高戰(zhàn)斗能力。卡茨爾教授稱，針線逢合術(shù)已經(jīng)存在了1000多年，是一項(xiàng)歷史悠久的外科手術(shù)縫合方法。它是目前治療外傷、腫瘤、感染、畸形等眾多疾病的重要方法，有些甚至是唯一的方法。而止血、縫合是手術(shù)的基本技術(shù)。止血的目的就是減少術(shù)中、術(shù)后的出血并防止形成血腫。血腫容易引起繼發(fā)感染并妨礙纖維母細(xì)胞移動(dòng)和毛細(xì)血管再生，影響傷口的愈合?？p合是使傷口的間隙消失有助術(shù)后傷口的愈合。止血、縫合均離不開縫線。嚴(yán)格地說，任何一種縫線對(duì)人體都是一種異物，它可引起組織的非細(xì)菌性炎癥反應(yīng)及排斥反應(yīng)。這些反應(yīng)都客觀地存在于每一個(gè)人體內(nèi)。這種方法不僅需要很好的技術(shù)，操作不當(dāng)很容易產(chǎn)生傷疤和感染。近年來，醫(yī)學(xué)領(lǐng)域獲得了長(zhǎng)足發(fā)展，現(xiàn)在該是對(duì)傷口縫合術(shù)這種最普通和最常見的外科手術(shù)方法進(jìn)行改造的時(shí)候了，而他們的研究成果正是這方面的一個(gè)突破。這一新技術(shù)得到了以色列衛(wèi)生部的審核批準(zhǔn)，研究人員已經(jīng)對(duì)10位實(shí)施膽囊手術(shù)的患者進(jìn)行臨床試驗(yàn)，并取得了成功。因?yàn)閭鹘y(tǒng)縫合技術(shù)不防水，而且血液或尿液可以從傷口處通過，容易造成嚴(yán)重的感染。與傳統(tǒng)縫合技術(shù)相比照，采用激光焊接技術(shù)，手術(shù)傷口愈合得更快，效果也更為理想。研究人員下一步計(jì)劃在剖腹產(chǎn)等產(chǎn)生較長(zhǎng)傷口的手術(shù)上進(jìn)行試驗(yàn)，如果取得預(yù)期效果，將在幾年內(nèi)投入商業(yè)應(yīng)用。26其他領(lǐng)域 在其他行業(yè)中。激光焊接也逐漸增加特別是在特種材料焊接中國(guó)內(nèi)進(jìn)行了許多研究，如對(duì)BT20鈦合金、HE130合金、Li-ion電池等激光焊接，德國(guó)玻璃機(jī)械制造商Glamaco Coswig公司與IFW接合技術(shù)與材料實(shí)驗(yàn)研究院合作開發(fā)出了一種用于平板玻璃的激光焊接新技術(shù)。3 激光焊接設(shè)備的智能化控制 激光焊接監(jiān)控自動(dòng)化的關(guān)鍵之一是熔池的實(shí)時(shí)監(jiān)視。因此。跟蹤傳感器的選擇成為了一個(gè)至關(guān)暈要的前提。在所有傳感器中，光學(xué)傳感器以其靈敏度和測(cè)量精度高，動(dòng)態(tài)特性好，于工件無接觸及包含的信息量大等特點(diǎn)，成為發(fā)展得最快的跟蹤傳感器，而CCD集成光學(xué)器件的應(yīng)用又使得光學(xué)傳感器上升到了視頻傳感的新高度。激光焊接的優(yōu)點(diǎn)之一是焊接速度快，薄板的焊接速度可達(dá)10mmin以上。在高速連續(xù)的焊接過程中。如果出現(xiàn)焊接缺陷。將在極短的時(shí)間內(nèi)造成大量的廢品。實(shí)現(xiàn)在線的激光焊接質(zhì)量監(jiān)測(cè)是保證質(zhì)量的十分重要的環(huán)節(jié)，華中科技大學(xué)設(shè)計(jì)的信號(hào)處理及反饋控制系統(tǒng)通過將聲、光傳感器所采取的信號(hào)放大、濾波、雙限比較后進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，再將數(shù)字信號(hào)由微機(jī)進(jìn)行處理等。對(duì)激光輸出功率、焊接速度、離焦量等工藝參數(shù)進(jìn)行控制實(shí)現(xiàn)最佳工藝數(shù)。解決熔透問題