孙辉分享:激光焊接的特点与优缺点

行业观察

首先,什么是激光?世界上的第一个激光束于1960年利用闪光灯泡激发红宝石晶粒所产生,因受限于晶体的热容量,只能产生很短暂的脉冲光束且频率很低。虽然瞬间脉冲峰值能量可高达106瓦,但仍属于低能量输出。

首先,什么是激光?世界上的第一个激光束于1960年利用闪光灯泡激发红宝石晶粒所产生,因受限于晶体的热容量,只能产生很短暂的脉冲光束且频率很低。虽然瞬间脉冲峰值能量可高达106瓦,但仍属于低能量输出。

激光焊接的优势

(1)可将入热量降到低的需要量,热影响区金相变化范围小,且因热传导所导致的变形亦低。

(2)32mm板厚单道焊接的焊接工艺参数业经检定合格,可降低厚板焊接所需的时间甚至可省掉填料金属的使用。

(3)不需使用电极,没有电极污染或受损的顾虑。且因不属于接触式焊接制程,机具的耗损及变形接可降至低。

(4)激光束易于聚焦、对准及受光学仪器所导引,可放置在离工件适当之距离,且可在工件周围的机具或障碍间再导引,其他焊接法则因受到上述的空间限制而无法发挥。

(5)工件可放置在封闭的空间(经抽真空或内部气体环境在控制下)。

(6)激光束可聚焦在很小的区域,可焊接小型且间隔相近的部件,

(7)可焊材质种类范围大,亦可相互接合各种异质材料。

(8)易于以自动化进行高速焊接,亦可以数位或电脑控制。

(9)焊接薄材或细径线材时,不会像电弧焊接般易有回熔的困扰。

(10)不受磁场所影响(电弧焊接及电子束焊接则容易),能精确的对准焊件。

(11)可焊接不同物性(如不同电阻)的两种金属

(12)不需真空,亦不需做X射线防护。

(13)若以穿孔式焊接,焊道深一宽比可达10:1

(14)可以切换装置将激光束传送至多个工作站。

激光焊接的优缺点

(1)焊件位置需非常精确,务必在激光束的聚焦范围内。

(2)焊件需使用夹治具时,必须确保焊件的终位置需与激光束将冲击的焊点对准。

(3)可焊厚度受到限制渗透厚度远超过19mm的工件,生产线上不适合使用激光焊接。

(4)高反射性及高导热性材料如铝、铜及其合金等,焊接性会受激光所改变。

(5)当进行中能量至高能量的激光束焊接时,需使用等离子控制器将熔池周围的离子化气体驱除,以确保焊道的再出现。

(6)能量转换效率太低,通常低于10%。

(7)焊道快速凝固,可能有气孔及脆化的顾虑。

(8)设备昂贵。

为了消除或减少激光焊接的缺陷,更好地应用这一优秀的焊接方法,提出了一些用其它热源与激光进行复合焊接的工艺,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、双激光束焊接以及多光束激光焊接等。此外还提出了各种辅助工艺措施,如激光填丝焊(可细分为冷丝焊和热丝焊)、外加磁场辅助增强激光焊、保护气控制熔池深度激光焊、激光辅助搅拌摩擦焊等。

(1)功率密度

功率密度是激光加工中关键的参数之一。采用较高的功率密度,在微秒时间范围内,表层即可加热至沸点,产生大量汽化。因此,高功率密度对于材料去除加工,如打孔、切割、雕刻有利。对于较低功率密度,表层温度达到沸点需要经历数毫秒,在表层汽化前,底层达到熔点,易形成良好的熔融焊接。因此,在传导型激光焊接中,功率密度在范围在10^4~10^6W/CM^2。

(2)激光脉冲波形

激光脉冲波形在激光焊接中是一个重要问题,尤其对于薄片焊接更为重要。当高强度激光束射至材料表面,金属表面将会有60~98%的激光能量反射而损失掉,且反射率随表面温度变化。在一个激光脉冲作用期间内,金属反射率的变化很大。

(3)激光脉冲宽度

脉宽是脉冲激光焊接的重要参数之一,它既是区别于材料去除和材料熔化的重要参数,也是决定加工设备造价及体积的关键参数。

(4)离焦量对焊接质量的影响

激光焊接通常需要一定的离做文章一,因为激光焦点处光斑中心的功率密度过高,容易蒸发成孔。离开激光焦点的各平面上,功率密度分布相对均匀。离焦方式有两种:正离焦与负离焦。焦平面位于工件上方为正离焦,反之为负离焦。按几何光学理论,当正负离焦平面与焊接平面距离相等时,所对应平面上功率密度近似相同,但实际上所获得的熔池形状不同。负离焦时,可获得更大的熔深,这与熔池的形成过程有关。实验表明,激光加热50~200us材料开始熔化,形成液相金属并出现问分汽化,形成市压蒸汽,并以极高的速度喷射,发出耀眼的白光。与此同时,高浓度汽体使液相金属运动至熔池边缘,在熔池中心形成凹陷。当负离焦时,材料内部功率密度比表面还高,易形成更强的熔化、汽化,使光能向材料更深处传递。所以在实际应用中,当要求熔深较大时,采用负离焦;焊接薄材料时,宜用正离焦。

激光焊接的应用

激光焊接机技术广泛被应运在汽车、轮船、飞机、高铁等高精制造领域,给人们的生活质量带来了重大提升,更是引领家电行业进入了精工时代。

特别是在大众汽车创造的42米无缝焊接技术,大大提高了车身整体性和稳定性之后,家电领头企业海尔集团隆重推出首款采用激光无缝焊接技术生产的洗衣 机,该家电为人民珍视了科技的进步,先进的激光技术可以为人民的生活带来巨大的改变。随着洗衣机全球品牌地位的不断巩固,其对行业的引领开始全面展现,然 而有激光焊接机技术的支持,也将对家电行业有一个更深的改革。据海尔研发人员介绍,市场上的全自动洗衣机内桶的制造技术大多采用“扣搭”技术,内桶的衔 接处会存在缝隙或不平整,导致桶体强度不高、对衣物产生不必要磨损。为了进一步提高内桶的可靠性和精细化,海尔洗衣机以汽车、造船行业为参照母本,将激光 无缝焊接技术应用在匀动力洗衣机新品上,避免了内桶缝隙和不平整的产生,在全面提高了产品的可靠性的同时更加呵护衣物。由于内桶的强度的提高,匀动力洗衣 机脱水过程中高转速比普通全自动洗衣机也提高了25%,脱水效率大幅提升,并且耗电少、用时省。

此外,还了解到,中德造船业合作研发的“高功率激光焊接机技术”,保证了轮船的安全性,进一步加强了船身结构;在航空领域,激光无缝焊接技术也已广泛 应用于飞机发动机的制造上,同时,铝合金机身的激光无缝焊接技术可以取代铆钉,从而减轻了20%的机身重量;我国的高铁轨道也引进了激光无缝焊接技术,在 提高安全性能同时,也大大降低了噪音,为旅客带来安静舒心的乘车环境。

随着科技的全面发展,激光焊接机技术的不断巩固与应用,也带领全球的家电产业步入了一个新时代,新的工艺不仅是产品的升级,也是更多科技的展示和应用。

1、制造业应用

激光拼焊(TailoredBlandLaserWelding)技术在国外轿车制造中得到广泛的应用,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,Buick,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,在超薄板焊接的研究,如板厚100微米以下的箔片,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,在国内苏宝蓉等还进行了齿轮的激光焊接技术。

2、粉末冶金领域

随着科学技术的不断发展,许多工业技术上对材料特殊要求,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。在八十年代初期,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的方法焊接金刚石,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。

3、汽车工业

20世纪80年代后期,千瓦级激光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。德国奥迪、奔驰、大众、瑞典的沃尔沃等欧洲的汽车制造厂早在20世纪80年代就率先采用激光焊接车顶、车身、侧框等钣金焊接,90年代美国通用、福特和克莱斯勒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得越来越多,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70000t比1998年增加3倍。根据汽车工业批量大、自动化程度高的特点,激光焊接设备向大功率、多路式方向发展。在工艺方面美国Sandia国家实验室与PrattWitney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余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。

4、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。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,显示出独特的优越性,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,TIG焊容易焊穿,等离子稳定性差,影响因素多而采用激光焊接效果很好,得到广泛的应用。

5、生物医学

生物组织的激光焊接始于20世纪70年代,Kl

ink等及jain[13]用激光焊接输卵管和血管的成功焊接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,并推广到其他组织的焊接。有关激光焊接神经方面国内外的研究主要集中在激光波长、剂量及其对功能恢复以及激光焊料的选择等方面的研究,刘铜军进行了激光焊接小血管及皮肤等基础研究的基础上又对大白鼠胆总管进行了焊接研究。激光焊接方法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将在以后的生物医学中得到更广泛的应用。

6、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中国内进行了许多研究,如对BT20钛合金、HEl30合金、Li-ion电池等激光焊接,德国玻璃机械制造商GlamacoCoswig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。

混合焊接优势

激光混合焊接技术具有显著的优点。对于激光混合,优点主要体现在:更大的熔深/较大缝隙的焊接能力;焊缝的韧性更好,通过添加辅助材料可对焊缝晶格组织施加影响;无烧穿时焊缝背面下垂的现象;适用范围更广;借助于激光替换技术投资较少。对于激光MIG惰性气体保护焊混合,优点主要体现在:较高的焊接速度;熔焊深度大;产生的焊接热少;焊缝的强度高;焊缝宽度小;焊缝凸出小。从而使得整个系统的生产过程稳定性好,设备可用性好;焊缝准备工作量和焊接后焊缝处理工作量小;焊接生产工时短、费用低、生产效率高;具有很好的光学设备配置性能。

但是,激光混合焊接在电源设备方面的投资成本相对较高。随着市场的进一步扩大,电源设备的价格也将会有所下降,并将使激光混合焊接技术在更多的领域中得到应用。至少激光混合焊接技术在铝合金材料的焊接中是一种非常合适的焊接工艺,将在较长的时期内成为主要的焊接生产工具。

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