焊接新技术论文

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1、激光焊接工艺的质量控制 摘要：激光是辐射的受激发射光放大的简称，由于其独有的高亮度、高方向性、 高单色性、高相干性，自诞生以来，其在工业加工中的应用十分广泛，成为未 来制造系统共同的加工手段。用激光焊接加工是利用高辐射强度的激光束，激 光束经过光学系统聚焦后，其激光焦点的功率密度为 104107W/cm2，加工工 件置于激光焦点附近进行加热熔化，熔化现象能否产生和产生的强弱程度主要 取决于激光作用材料表面的时间、功率密度和峰值功率。控制上述各参数就可 利用激光进行各种不同的焊接加工。这种焊接工艺在未来工业事业中将会得到 广泛的应用与研究。 关键词：激光焊接 工艺 质量 激光焊接与传统的焊接方法

2、相比，激光焊接尚存在设备昂贵，一次性投资 大，技术要求高的问题，使得激光焊接在我国的工业应用还相当有限，但激光 焊接生产效率高和易实现自动控制的特点使其非常适于大规模生产线和柔性制 造。其中，激光焊接在汽车制造领域中的许多成功应用已经凸现出激光焊接不 同于传统焊接方法的特点和优势，也为许多大功率激光器制造商和激光焊接设 备制造商提供了更为诱人的经济效益前景。 1 激光焊接的一般特点 激光焊接是利用激光束作为热源的一种热加工工艺，它与电子束等离子束 和一般机械加工相比较，具有许多优点：激光束的激光焦点光斑小，功率密 度高，能焊接一些高熔点、高强度的合金材料；激光焊接是无接触加工，没 有工具损耗和

3、工具调换等问题。激光束能量可调，移动速度可调，可以多种焊 接加工；激光焊接自动化程度高，可以用计算机进行控制，焊接速度快，功 效高，可方便的进行任何复杂形状的焊接；激光焊接热影响区小，材料变形 小，无需后续工序处理；激光可通过玻璃焊接处于真空容器内的工件及处于 复杂结构内部位置的工件；激光束易于导向、聚焦，实现各方向变换；激 光焊接与电子束加工相比较，不需要严格的真空设备系统，操作方便；激光 焊接生产效率高，加工质量稳定可靠，经济效益和社会效益好。 2 激光焊接工艺与方法 2.1 双/多光束焊接 双/多光束焊接的提出最初是为了获得更大的熔深和更稳 定的焊接过程和更好的焊缝成形质量，其基本方法是

4、同时将两台或两台以上的 激光器输出的光束聚焦在同一位置，以提高总的激光能量。后来，随着激光焊 接技术应用范围的扩大，为减小在厚板焊接，特别是铝合金焊接时容易出现气 孔倾向，采用以前后排列或平行排列的两束激光实施焊接，这样可以适当提高 焊接小孔的稳定性，减少焊接缺陷的产生几率。 2.2 激光电弧复合焊 激光电弧复合焊是近年激光焊接领域的研究热点 之一。该方法的提出是由于随着工业生产对激光焊接的要求，激光焊接本身存 在的间隙适应性差，即极小的激光聚焦光斑对焊前工件的加工装配要求过高， 此外，激光焊接作为一种以自熔性焊接为主的焊接方法，一般不采用填充金属， 因此在焊接一些高性能材料时对焊缝的成分和组

5、织控制困难。而激光电弧复 合焊集合了激光焊接大熔深、高速度、小变形的优点，又具有间隙敏感性低、 焊接适应性好的特点，是一种优质高效焊接方法。其特点在于： 可降低工件装配要求，间隙适应性好。 有利于减小气孔倾向。 可以实现在较低激光功率下获得更大的熔深和焊接速度，有利于降低成本。电弧对等离子体有稀释作用，可减小对激光的屏蔽效应，同时激光对电弧有引 导和聚焦作用，使焊接过程稳定性提高。 利用电弧焊的填丝可改善焊缝成分和性能，对焊接特种材料或异种材料有 重要意义。 激光与电弧复合焊的方法包括两种，即旁轴复合焊和同轴复合焊。旁轴激 光-电弧复合焊方法实现较为简单，但最大缺点是热源为非对称性，焊接质量受

6、 焊接方向影响很大，难以用于曲线或三维焊接。而激光和电弧同轴的焊接方法 则可以形成一种同轴对称的复合热源，大大提高焊接过程稳定性，并可方便地 实现二维和三维焊接。3、激光焊接设备 激光焊接设备主要由激光器、导光系统、焊接机和控制系统组成。3.1激光器用于激光焊接的激光器主要有 CO2 气体激光器和 YAG 固体激光器两种。 激光器最重要的性能是输出功率和光束质量。从这两方面考虑，CO2 激光器比 YAG 激光器具有很大优势，是目前深熔焊接主要采用的激光器，生产上应用大 多数还处在 1.56kW 范围，但现在世界上最大的 CO2 激光器已达 50kW。而 YAG 激光器在过去相当长一段时间内提高

7、功率有困难，一般功率小于 1kW， 用于薄小零件的微联接。但是，近几年来，国外在研制和生产大功率 YAG 激 光器方面取得了突破性的进展，最大功率已达 5kW，并已投入市场。由于其波 长短，仅为 CO2 激光的 1/10，有利于金属表面吸收，可以用光纤传输，使导光 系统大为简化。可以预料，大功率 YAG 激光焊接技术在今后一段时间内将获 得迅速发展，成为 CO2 激光焊接强有力的竞争对手。3.2. 导光和聚焦系统导光聚焦系统由圆偏振镜、扩束镜、反射镜或光纤、聚焦镜等组成，实现 改变光束偏振状态、方向，传输光束和聚焦的功能。这些光学零件的状况对激 光焊接质量有极其重要的影响。在大功率激光作用下，

8、光学部件，尤其是透镜 性能会劣化使透过率下降；会产生热透镜效应（透镜受热膨胀焦距缩短） ；表面 污染也会增加传输损耗。所以光学部件的质量，维护和工作状态监测对保证焊 接质量至关重要。3.3激光焊接机它的作用是实现光束与工件之间的相对运动，完成激光焊接，分焊接专机 和通用焊接机两种。后者常采用数控系统，有直角坐标二维、三维焊接机或关 节型激光焊接机器人。4、 激光焊接过程监测与质量控制 激光焊接过程监测与质量控制一直是激光焊接领域研究和发展的一个重要 内容，利用电感、电容、声波、光电、视觉等各种传感器，通过人工智能和计 算机处理方法，针对不同的激光焊接过程和要求，实现诸如焊缝跟踪、缺陷检 测、焊

9、缝成形质量监测等，并通过反馈控制调节焊接工艺参数，从而实现高质 量的自动化激光焊接过程。 4.1 激光焊接过程监测 利用各种传感器对激光焊接过程中产生的等离子体 进行检测是常用和有效的方法。根据检测信号的不同，激光焊接质量检测主要 包括以下几种方式： 4.1.1 光信号检测。检测对象为激光焊接过程中的等离子体（包括工件上方和小孔内部）光辐射和熔池光辐射等。从检测装置的安装来看，主要包括与激 光束同轴的直视检测、侧面检测和背面检测。使用的传感器主要有光电二极管、 光电池、CCD 和高速摄像机，以及光谱分析仪等。 4.1.2 声音信号检测。检测对象主要为焊接过程中等离子体的声振荡和声发 射。 4.

10、1.3 等离子体电荷信号。检测对象为焊接喷嘴和工件表面等离子体的电荷。利用光电传感器检测激光焊接过程中等离子体光辐射强度的变化是激光焊 接过程监测与控制的重要方法之一。国内外研究工作表明，利用光电传感器可 以自动检测出焊接过程中因激光功率、焊接速度、焦点位置、喷嘴至工件表面 距离、对接间隙等工艺条件的波动引起的焊缝熔深和成形质量的变化，不仅可 以诊断出诸如咬边、烧穿、驼峰等焊缝成形缺陷，而且在一定工艺条件下还可 以检测焊缝内部质量，例如，气孔倾向的严重程度。 4.2 激光焊接过程控制 激光焊接过程控制的主要内容就是对焊接工艺参数 的控制。在激光焊接时，光束焦点位置是影响激光深熔焊质量最关键而又

11、最难 监测和控制的工艺参数之一。在一定激光功率和焊接速度下，只有焦点处于最 佳焦点位置范围时，才可获得最大熔深和良好的焊缝成形。偏离这个范围，熔 深则下降，甚至破坏稳定的深熔焊过程，变为模式不稳定焊接或热导焊。但实 际激光焊接时，存在多种因素影响焦点位置的稳定性，包括因非平面工件和焊 接变形引起的焊接喷嘴工件距离变化，激光器窗口、聚焦镜等元件热透镜效 应引起焦点位置的变化，以及光束在飞行光路中不同位置引起焦点位置的变化 等。如何迅速确定激光焦点位置并将其控制在合适的范围，一直是激光焊接迫 切要求解决而又难度很大的课题。 激光焊接技术是一种高新技术，由于其独有的特点，特别适合在传感器密 封焊中使用，目前国外许多生产传感器的厂家均利用激光焊接工艺生产传感器， 而国内采用此工艺的厂家不多，主要是一些生产军用传感器产品的厂家和部分 科研机构在采用此种工艺，且采用国外激光焊接机的较多。为提高国内传感器 整体水平以及发展民族激光产业，我国的传感器生产厂家应尽快采用国产激光 焊接机来生产加工传感器，以增加产品竞争力，开拓国际市场。