激光焊接的特性_圖文

1、摘要:激光焊接特性和激光焊接工藝有緊密的聯(lián)系,掌握激光焊接特性、制定良好的激光焊接工藝過程才能夠?qū)崿F(xiàn)良好的焊接質(zhì)量,因此研究激光焊接特性有很重要的意義。對光的波長和用途,特別是對激光的波長和用途作了較詳細(xì)的說明。在激光焊接方面,以激光焊接熱源激光器,以及其輸出特性光束質(zhì)量入手,來闡述不同種類的激光在不同輸出功率下輸出的光束質(zhì)量的特性,結(jié)合實例對激光焊接的幾大焊接特性以及激光焊接時容易出現(xiàn)的問題及解決方法進行了論述。闡述了激光焊接的發(fā)展前景。關(guān)鍵詞:激光焊接特性;光纖激光器;半導(dǎo)體激光器;碟片激光器中圖分類號: TG456.7文獻標(biāo)識碼:A 文章編號:1001-2303(201011-0057-

2、08第40卷第11期2010年11月Electric Welding Machine徐國建1,王虹1,唱麗麗1,杭爭翔1,常云龍1,邢飛2(1.沈陽工業(yè)大學(xué),遼寧沈陽110178;2.沈陽新松機器人股份有限公司,遼寧沈陽110168Characteristics of laser weldingXU Guo-jian 1,WANG Hong 1,CHANG Li-li 1,HANG Zheng-xiang 1,CHANG Yun-long 1,XING Fei 2(1.School of Materials Science and Engineering ,Shenyang Universit

3、y of Technology ,Shenyang 110178,China ;2.Shenyang Siasun Robot &Automation Co.,Ltd.,Shenyang 110168,ChinaAbstract :The article illustrated the wavelength and its application of light ,especially illustrated the wavelength and application of laser in details.In the laser welding ,firstly introdu

4、ced laser welding heat-laser ,and its characteristics of output-BPP (Beam Parameter Product.Secondly ,expounded the different kinds characteristics of output-BPP under the different output power.Then based on the several examples of laser welding ,elabrated the characteristics of laser welding techn

5、ology ,the problems which is easy to appear during the laser welding and its solving methods.Finally ,briefly summarize its development potential.There is a closed relationship between the characteristics of laser welding and its procedure ,therefore ,mastered the characteristics of laser welding ,e

6、stablished good laser welding process ,we could achieve a good welding quality.Key words :laser welding characteristics ;fiber laser ;diode laser ;disc laser收稿日期:2010-10-08基金項目:遼寧省自然科學(xué)基金資助項目(20092047作者簡介:徐國建(1959,男,遼寧大連人,教授,博士,主要從事激光成型與控制方面的研究工作。0前言激光是一種電磁波,具有許多自身特殊的性質(zhì),在工業(yè)領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用。根據(jù)電磁波的波長、名稱、激光種類和

7、特征用途,歸納總結(jié)如表1所示1。越來越大。例如美國GM 公司在1971年利用CO 2激光切割點火線圈用絕緣紙。在日本,1983年光產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域的生產(chǎn)額約4667億日元,1989年光產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域的生產(chǎn)額達到了約2兆860億日元,2005年光產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域的生產(chǎn)額超過了10兆日元,在經(jīng)濟泡沫的不好時期仍然保持著正增長的趨勢。隨著激光技術(shù)的不斷發(fā)展,激光作為一種新型能源在焊接方面也被廣泛的應(yīng)用。許多過去被認(rèn)為不可能實現(xiàn)的任務(wù),現(xiàn)在激光能夠很好地完成。激專題討論激光焊接切割及激光焊縫跟蹤激光焊接的特性光焊接之所以能夠在各個行業(yè)如火如荼地發(fā)展,是因為它具有一系列其他焊接方法不可替代的特性。1激光焊接熱源激光焊接是由硬

8、件和軟件裝置配合共同實現(xiàn)的。硬件裝置是實現(xiàn)激光焊接的物質(zhì)基礎(chǔ),硬件質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響光束質(zhì)量和焊接過程的完成質(zhì)量。激光焊接設(shè)備由多部分組成,其中激光器、光束傳輸和聚焦系統(tǒng)、運動、控制和檢測系統(tǒng)最為重要3。下面以激光器的特性以及激光器的光束質(zhì)量來闡述其對焊接性能的影響。1.1激光源對激光焊接的影響激光焊接的熱源是激光束,產(chǎn)生激光束的設(shè)備是激光器,各種激光器(輸出功率45kW的特性數(shù)據(jù)如表2所示4。包括激光電源、激光冷卻系統(tǒng)及激光器本體在內(nèi)的總占地面積結(jié)果顯示,半導(dǎo)體激光設(shè)備和光纖激光設(shè)備的總占地面積是比較小的。從運行費用、電源設(shè)備費用、激光裝置總有效功率等方面來看,半導(dǎo)體激光是最好的,其次是光纖

9、激光。另外,從維修費用和元件使用壽命的角度出發(fā),半導(dǎo)體激光和光纖激光的維修費用小且元件使用壽命較長。元件的使用壽命基本上是由半導(dǎo)體元件的壽命決定的。例如光纖激光的半導(dǎo)體元件的使用壽命大約是50000h 。對于CO 2激光和YAG 激光而言,除了激光器用泵浦源外,還得考慮光學(xué)系統(tǒng)的維修費用。例如,燈泵浦的YAG 激光的光學(xué)系統(tǒng)的壽命大約是2000h ,燈管的壽命大約是5001000h 。實際上,各種元件的使用壽命根據(jù)廠家的不同而不同。作為嚴(yán)密的評價,這方面是必須考慮的。1.2激光光束質(zhì)量BPP激光束的光束質(zhì)量是激光器輸出特性中的重表1電磁波的波長和用途周波數(shù)<3THz(<3000GH

10、z3THz3GHz 3GHz30kHz >30kHz波長<1pm 1pm10nm 10nm380nm 380780nm780nm100m 100m10cm 10cm10km >10km名稱射線X 射線紫外線可見光紅外線微米波微小波短波長波超長波種類150350nm :EXIMA 激光530nm :2倍YAG 激光630nm :He-Ne 激光808940nm:半導(dǎo)體激光1.06m :YAG 激光1.07m :光纖激光10.6m :CO 2激光特征及用途厚板的非破壞檢查金屬的非破壞檢查精密加工、塑料的非熱加工精密加工、刻字向?qū)Ъす饧す饧庸?焊接、切割、表面改性、堆焊、孔加工、熱

11、處理、刻字等,光通信距離儀、宇宙通信、衛(wèi)星TV TV ,半導(dǎo)體,出租汽車等的無線通信通信相關(guān)表2各種激光器的特性比較4總電能效率(包括冷卻系統(tǒng)/%25306161520占地面積 (單位:LD178121567781激光吸收率/%Fe 403535123535Al 1377277使用壽命/hLD 10000光學(xué)系統(tǒng)2000LD 10000光學(xué)系統(tǒng)2000閃光燈5001000光學(xué)系統(tǒng)2000送氣機/葉輪20000光學(xué)系統(tǒng)2000LD 10000LD 50000半導(dǎo)激光L D 泵浦Y A G 激光燈泵浦Y A G 激光CO 2激光(軸流碟片激光(YAG光纖激光光束品質(zhì)/mm ·mrad 1

12、002525685名稱專題討論激光焊接切割及激光焊縫跟蹤專題討論第40卷要指標(biāo)參數(shù),所以對光束質(zhì)量的評定具有重要意義。光束質(zhì)量及傳輸特性的定義如圖 1所示5-6。圖2光束質(zhì)量(BPP 與激光種類和激光輸出功率的關(guān)系由圖2可知,在用于焊接或切割的高輸出功率激光中,光纖激光的光束質(zhì)量BPP 最好,其次是CO 2激光。圖2中,CO 2激光的波長10.6m 是YAG 激光的波長的10倍,在60W 以下的低輸出功率的范圍內(nèi),CO 2激光的光束質(zhì)量BPP =3.4mm ·mrad ,而YAG 激光的光束質(zhì)量BPP =0.4mm ·mrad 。也就是說CO 2激光的光束發(fā)散角是YAG 激

13、光的10倍,在低功率的輸出范圍內(nèi),YAG 激光的光束質(zhì)量好于CO 2激光的光束質(zhì)量。當(dāng)激光輸出功率超過80W 時,YAG 激光的光束質(zhì)量BPP 急劇惡化,而CO 2激光的光束質(zhì)量BPP 基本不變。另外,圖2還表明,光纖激光直至400W 仍維持著理想的光束質(zhì)量BPP ,在10kW 以上仍維持著好于CO 2激光的光束質(zhì)量BPP 。單模光纖激光在低于3kW 時光束質(zhì)量仍維持著一個理想的光束質(zhì)量,這樣在實際中能夠獲得發(fā)散角很小、能量密度很高的激光束。2激光焊接特性隨著激光焊接技術(shù)日益成熟,其應(yīng)用范圍也越來越廣。就最具代表性的汽車行業(yè)而言,汽車車身的遠程激光焊接、汽車零部件的激光電弧復(fù)合焊接、激光釬焊等

14、已經(jīng)正在替代傳統(tǒng)的焊接技術(shù)。激光焊接技術(shù)的廣泛應(yīng)用,是因為激光焊接與電弧焊、電阻焊等這些的焊接熱源相比較具有很多優(yōu)良特性。2.1激光束能夠?qū)崿F(xiàn)高熔點材料的焊接用于激光焊接和切割的能量密度如圖3所示。普通電弧和等離子弧的熱源能量密度為0.21.0kW /mm 2,而YAG 激光的能量密度為1416kW /mm 2,半導(dǎo)體激表3激光束模式與M 2值的關(guān)系模式名TEM 00TEM 10TEM 20M 2值專題討論激光焊接切割及激光焊縫跟蹤專題討論徐國建等:激光焊接的特性第11期光為32kW /mm 2,碟片激光為96kW /mm 2,光纖激光為159kW /mm 2,激光的能量密度遠高于電弧和等離子

15、弧熱源的能量密度。另外,額定功率300W 單模的FBL 激光能達到4718kW /mm 2的超高能量密度,在如此高的能量密度下,可以想象完全改變了以往加工特性的理念。各種焊接方法的結(jié)合速度v j (焊接速度v ×熔深t 如圖4所示7。由圖4可以看出,10kW 的光纖激光接合速度相當(dāng)于60kW 的電子束焊接的接合速度,達到了極高加工能力水平。這是因為光纖激光的光束質(zhì)量好而使焦點處的光束直徑比電子束直徑還小。可以預(yù)見在未來的焊接領(lǐng)域,將會進一步擴大激光焊接的應(yīng)用范圍。到2008年底,日本約有 100臺以上的高輸出光纖激光器用于生產(chǎn)及科研等領(lǐng)域。圖4各種焊接方法的結(jié)合速度的比較71 電弧;

16、2等離子弧;3燈泵浦YAG 激光(4.0kW 、0.6;4LD 泵浦YAG 激光(4.5kW 、0.6;5半導(dǎo)體激光 (4.0kW 、0.4;6碟片激光(3.0kW 、0.2;7光纖激光(5.0kW 、0.2;8單模(SM光纖激光(300W 、0.009。圖3焊接及切割用熱源的能量密度比較6專題討論激光焊接切割及激光焊縫跟蹤專題討論第40卷度80m/min的條件下,對板厚為100m的3枚銅合金進行搭接激光焊接,其焊縫的橫斷面的微觀照片如圖5c所示9。在超高焊接速度的條件下仍能獲得美觀的焊縫成形。采用高功率光纖激光焊接的不銹鋼高速軌道機車車輛如圖6a所示。激光-電弧復(fù)合焊在輪船甲板及轎車框架的應(yīng)

17、用如圖6b所示。另外,激光焊接在飛機制造業(yè)、能源電力設(shè)備制造業(yè)、石油化工設(shè)備制造業(yè)、航天航空制造業(yè)等工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用也越來越廣泛10。如德國遠程激光焊接在汽車工業(yè)的應(yīng)用,歐洲激光-電弧復(fù)合焊接在造船業(yè)的應(yīng)用,激光焊接在空中客車A380上的應(yīng)用等,顯示出了巨大的潛力。a功率300W,v=40mm/min,點直徑9m,板厚0.15mm,熔深約0.32mm b功率100W,v=40mm/min ,熔深約0.32mm8c功率200W,v=80m/min,板厚100m9圖5不銹鋼SUS304 的SM光纖激光的超高速焊接以及3枚銅合金板的搭接焊a機車車輛的激光焊接(川崎重工業(yè)b輪船甲板及轎車激光-電弧復(fù)合焊

18、接圖6激光焊接在汽車和造船行業(yè)的應(yīng)用實例2.4激光的吸收特性與材質(zhì)、光波長、溫度的關(guān)系各種材料的光吸收特性如圖7a所示11。對于所有材料,波長越長則吸收率越低,而反射率越高;波長越短則吸收率越高,而反射率越低。另外,母材的溫度越高對光的吸收率也越高。激光波長為10.6m 時,各種金屬的吸收率與溫度關(guān)系如圖7b所示12。2.5等離子體的對激光焊接的影響在激光焊接過程中,由于激光束的能量密度高,所以金屬蒸氣和周圍氣體極易被電離而產(chǎn)生等離子體,其溫度大約為800015000K。等離子體中電子吸收激光束能量后將加速,進一步增強與原子和分子的撞擊能量,使等離子體產(chǎn)生量進一步增加,也使等離子體溫度進一步上

19、升。由于等離子吸收激光束能量,所以大量產(chǎn)生等離子體時,勢必影響熔深。因此需對等離子體采用有效措施進行消除。另外,由于等離子體產(chǎn)生于工件的表面,所以等離子體主要加熱母材表面,容易使焊縫表面寬度增加。由于CO2激光波長較長,金屬材料對光束的吸收率較低,所以焊接時產(chǎn)生的等離子體量較大,容易形成如圖8a所示的酒杯狀的焊縫形狀13。CO2激光焊接時,由于等離子體的影響而使熔深變淺,此時如果提高激光輸出功率也不能相應(yīng)提高焊接熔深,所以必須采取有效措施除去等離子體。另一方面,由于光纖激光的波長1.06m較小,金屬材料對光束的吸收率較高,焊接時產(chǎn)生的等離子體量較小,容易形成如圖8b所示的窄而深的焊縫形狀13。

20、此外激光焊接還有以下特性:由于激光焊接的專題討論激光焊接切割及激光焊縫跟蹤專題討論徐國建等:激光焊接的特性第11期專題討論 第 40 卷 a 吸收率隨材質(zhì)的變化 圖7 各種材料的光吸收特性 b 吸收率隨溫度的變化 專 題 討 論 激 光 焊 接 切 割 及 激 光 焊 縫 跟 蹤 陷的產(chǎn)生將嚴(yán)重威脅焊接接頭的性能， 為了避免焊 接缺陷的產(chǎn)生， 有關(guān)焊接缺陷的產(chǎn)生原因、 控制及 激 防止的基礎(chǔ)理論知識的學(xué)習(xí)是非常有必要的14。 光焊接過程中需要注意的幾點問題如下。 31 焊接裂紋 a CO2 激光的等離子體引起的酒杯狀焊縫形狀12 焊接裂紋可以分為高溫裂紋和低溫裂紋。 激光 焊接過程中， 由于熱

21、輸入量較小， 所以焊接變形和 焊接應(yīng)力也較小， 一般情況下不會產(chǎn)生高溫裂紋。 但是， 由于材質(zhì)的不同和工藝參數(shù)選擇的不當(dāng)， 有 時也會產(chǎn)生高溫裂紋。 比如， 高合金鋼、 超高合金鋼、 熱處理型鋁合金等在焊縫的最終凝固處和 HAZ(熱 鋁合金激光焊接時產(chǎn)生凝 影響區(qū)容易產(chǎn)生熱裂紋。 固裂紋的照片如圖 9 所示15。 高溫裂紋產(chǎn)生的原因是 由于最終凝固處的殘留液相中含有較多的雜質(zhì)使 液相熔點降低。 另外， 對碳素鋼來說， 隨著碳、 磷含 硫、 量的增加， 凝固裂紋的敏感性也增加。 b 10 kW 光纖激光焊接的焊縫14 P10 kW， v22 mmin， X70， t112 mm 圖8 CO2 激

22、光焊接及光纖激光焊接的焊縫形狀 熱輸入低， 焊接殘余應(yīng)力和焊接變形?。?激光焊接 與氛圍氣體壓力無關(guān)， 是非接觸焊接； 激光焊接沒 有電子束焊接磁性材料時受殘余磁場影響的問題； 激光焊接不需要 X 射線那樣的遮蔽等。 圖9 鋁合金(A6061的激光焊接凝固裂紋15 3 激光焊接時的注意事項 在實際的焊接施工中， 焊接材料、 焊接環(huán)境、 焊 焊接缺 接條件等選擇不當(dāng)時， 就會產(chǎn)生焊接缺陷。 · 62 · 高強度鋼和低合金鋼在焊接的過程中溫度低 于 Ms 點以下或者 300 以下產(chǎn)生的裂紋被稱為低 溫裂紋。 低溫裂紋的特征是沿著晶界和晶粒都可以 Electric Welding

23、 Machine 專題討論 徐國建等： 激光焊接的特性 第 11 期 擴展。SCr420 鋼(w(C07激光焊接時產(chǎn)生的低 這些裂 溫裂紋如圖 10 所示6。分析研究結(jié)果表明， 紋既不是高溫裂紋也不是氫原因而產(chǎn)生的低溫裂 而是由于馬氏體組織相變時產(chǎn)生的內(nèi)部應(yīng)力， 在 紋。 此內(nèi)部應(yīng)力的作用下沿著塑性低下的馬氏體晶粒 另外， 根據(jù) SEM 觀察 匯合處的中央線附近發(fā)生的。 分析結(jié)果可知， 裂紋斷面幾乎沒有塑性變形， 裂紋 既產(chǎn)生在胞狀晶、 柱狀晶的晶界也產(chǎn)生在胞狀晶、 柱 對于這種低溫裂紋， 采用焊前預(yù)熱或 狀晶的晶內(nèi)。 者采用激光電弧復(fù)合焊方法可以大幅度地降低其 敏感性。 圖 11 鋁合金激光

24、焊接產(chǎn)生的氣孔15 e 當(dāng)加入一些脫氫劑和脫氧劑； 控制焊縫的形狀， f 延長熔池存 有利于氣體的溢出； 降低冷卻速度， 在的時間； 加強保護， g 防止空氣的侵入和保護氣 h 體的卷入； 激光電弧復(fù)合焊及雙激光束焊接方 法也是防止氣孔產(chǎn)生的有效措施。 33 焊縫外觀上的缺陷 在激光焊接工藝中， 焊縫的外觀形狀對提高結(jié) 構(gòu)件及零部件的質(zhì)量是十分重要的。 所以， 在激光的 焊接過程中， 對焊縫的形狀必須加以控制。 激光焊接 過程中產(chǎn)生的外觀上的缺陷有： 咬邊、 內(nèi)凹和下陷、 焊縫高低不平、 加強高過高， 如圖 12 所示15。 a 橫截面 a 咬邊 專 題 討 論 激 光 焊 接 切 割 及 激

25、 光 焊 縫 跟 蹤 b 金屬表面焊縫的裂紋斷口 圖 10 激光焊接 SCr420 鋼(w(C07產(chǎn)生的低溫裂紋的 光學(xué)顯微鏡照片和 SEM 照片16 32 氣孔 由于焊縫和 HAZ 的幅度狹小， 熔深也深， 焊縫 激光焊接時產(chǎn)生的氣孔類型可以分 容易產(chǎn)生氣孔。 為： N2、 2 產(chǎn)生的； CO、 H 低熔點的 Mg、 等金屬蒸氣 Zn 產(chǎn)生的； 保護氣體和空氣的卷入而產(chǎn)生的。 鋁合金激 15 光焊接時產(chǎn)生的氣孔如圖 11 所示 。 氣孔的防止措施有： 去除氫氣源和氧氣源； a b 激光小孔方法焊接時要保證小孔的穩(wěn)定性， 防止激 光小孔的突然崩塌； 盡量使氣孔上浮排除； 適 c d b 內(nèi)凹、

26、 下陷 圖 12 激光焊接常見缺陷15 咬邊缺陷是造成結(jié)構(gòu)件局部應(yīng)力集中， 從而導(dǎo) 致結(jié)構(gòu)件破壞的主要原因之一。 咬邊的深度達到 03 mm 以上時， 必須引起高度重視。 液態(tài)金屬中流 動性較差的金屬高速焊接時， 容易產(chǎn)生咬邊缺陷。 焊縫高低不平缺陷主要產(chǎn)生于超高速焊接的情況 Electric Welding Machine · 63 · 專題討論 第 40 卷 下。 對于該種缺陷的防止方法首先要考慮降低焊接 在坡口間隙過大或者焊接過程中產(chǎn)生飛濺時， 速度。 在沒有填充焊絲的激光焊接過程中極易產(chǎn)生內(nèi)凹 和下陷的焊接缺陷。 另外， 作為激光焊接還應(yīng)注意 以下幾個問題： 由于激

27、光焊接的聚光點直徑小， 要 求對接坡口的加工精度高； 要求高剛性的焊接夾具； 由于冷卻速度快， 淬火傾向大的鋼板容易產(chǎn)生硬化； 需要對焊縫外觀進行控制。 2005， 53(9： 120130 2 3 4 5 6 7 8 9 沓名宗春 科學(xué)M東京： 日本放送出版協(xié)會， 1993： 675 左鐵釧21 世紀(jì)的先進制造激光技術(shù)與工程M北京： 2007： 52 科學(xué)出版社， Takeshi ArayaAbout Laser (aJWelding Technology (in Japanese， 2005， 53(8： 117125 Takeshi ArayaThe Characteristics of

28、 Laser Beam QualitJ 2005， 53(6： 122129 Welding Technology (in Japanese， 沓名宗春中高炭素鋼 溶接 割 発生 機構(gòu) 防止J 加工學(xué)會， 2004， 11(2： 1015 Kutsuna MProc of Intern Conf on Welding ResearchR 東京:J Welding Soc Osak， 1980 Kiduchi AIIW DocRIV597 93， 1993 Kutsuna M， Berthold KesslerFibre laser， I nnovative industrial laser the 7th with 10 W to 50 kW powerRHalle (Saale Germany： International conference on beam technology， 2007 10 沓名宗春， 劉忠傑2 kW高張力 鋼溶接特性及最新利用生産R東 京:(社溶接學(xué)會第 196 回溶接法委員會， 2006 11 Quintino L， Costa A， Miranda R， alWelding with high et power fiber lasersA preliminary studyJMarterials Design， 20