1 激光焊接技術(shù)及特點 1960年，人類歷史上出現(xiàn)了第一臺激光器—紅寶石激光器。從20世紀60年代初這種激光器在美國被首次成功用于拉絲模金剛石(diamonds for wire draw dies)打孔開始人們對這種技術(shù)可行且有重要經(jīng)濟價值的激光加工方法給予高度重視并致力于研制更為高效、更加適用的激光器。大功率COZ和Nd:YAG激光器的出現(xiàn)并成功實現(xiàn)商品化為以快速加熱為基礎(chǔ)的激光加工方法的快速發(fā)展奠定了基? ? 目前激光加工方法包括激光打孔(laser drilling 1、激光切割(laser cutting)、激光熱處理(laser heat-treatment)、激光涂覆(laser cladding )、激光重熔處理(laser remelting)、激光合金化(laser alloying)、激光上釉(laser glazing)、激光打標(laser marking),激光成型(laser forming)、激光模型制造(laser rapid prototyping )、激光晰磨(laser structuring).激光配平(laser balancing),激光微加工(laser micro processing)以及激光焊接(laser welding)等諸多技術(shù)涉及到產(chǎn)品加工制造的各個領(lǐng)域。 激光焊接是近年來增長最快.也是發(fā)展最被看好的一項激光加工技術(shù)。按形成焊縫的方式不同分為熱傳導型激光焊接和激光深熔焊兩種類型。 早期的激光焊接應用均采用低功率脈沖固體激光器照在工件表面的激光功率密度僅為5x105-5x1護WIcm2，焊接過程屬傳導型焊接即激光輻照加工工件表面.激光能量被表層10-100 Nm的薄層所吸收工件表面的熱量通過熱傳導向內(nèi)部擴散熔池達到一定深度，表面無明顯汽化。該種焊接輸入工件的熱量小單位時間焊合的面積也小.主要用于電子器件等小型精密部件的焊接。 千瓦連續(xù)CO2激光器的問世可使照在工件表面的激光功率密度達106-107 W/cm2實現(xiàn)了基于“小孔效應”，的激光深熔焊(LaserPenetration Welding)，即激光焊接過程中，由于金屬材料瞬時汽化在激光束中心處形成小孔(或稱匙孔)通過小孔激光束能量傳入工件深部，且?guī)缀跞康玫轿铡＜す馍钊酆负附铀俣瓤旌缚p深而窄，熱影響區(qū)小，表現(xiàn)為傳導型激光焊接及常規(guī)傳導型焊接方法有電弧焊、氮弧焊等.且有不同的特點及優(yōu)勢.因此發(fā)展迅速廣泛應用于汽車、造船、機械及電子等領(lǐng)域。 激光焊接的主要特點如下。 * 熱量輸入很? ⒑阜焐羈肀卻螅扔跋燁〉賈鹿ぜ賬鹺捅湫魏芐。扌韜負蠼瞇巍? * 焊縫強度高焊接速度快焊縫窄且通常表面狀態(tài)好，免去焊后清理等工作。 * 焊接一致性、穩(wěn)定性好一般不加填充金屬和焊劑，并能實現(xiàn)部分異種材料焊接。 * 光束易于控制，焊接定位精確易于實現(xiàn)自動化。 * 與其他焊接工藝方法比較激光焊接的前期投資較大。 * 被焊工件裝配精度高，相對而言對光束操控的精確性也有較高的要求。 2 激光捍接現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 2.1激光焊接的產(chǎn)生及發(fā)展 自1962年有了關(guān)于激光焊接應用的報道后，各國學者又做了許多激光焊接的基礎(chǔ)性研究。20世紀70年代以前，由于高功率連續(xù)(CW)激光器尚未開發(fā)出來，所以研究重點集中在脈沖激光焊接(PW)。隨著千瓦級連續(xù)CO2激光器問世及在焊接方面取得成功，激光焊接的研究與應用情況發(fā)生了變化。在大厚度不銹鋼試件上進行CO2激光焊接，形成了穿透工件的焊縫，而且激光焊接產(chǎn)生的深熔焊縫與電子束焊接相似，并清楚地表明了“匙孔”的形成。日本、德國、英國和前蘇聯(lián)等國的研究小組也相繼報道了大功率COZ激光焊接技術(shù)的發(fā)展及其優(yōu)化。由于金屬對Nd:YAG激光10.6 Nm波長的反射率遠遠低干對CO2激光10.6 Nm波長的反射率，因此相對于CO2激光器來說，使用平均功率較低的Nd: YAG激光器進行焊接，可獲得與較高功率COZ激光器相同的焊接深度。特別是1.06 Nm的激光可用光纖傳輸而光纖傳送系統(tǒng)與Nd : YAG激光器和機器人的結(jié)合大大增加了激光加工系統(tǒng)的方便性與靈活性，這種組合系統(tǒng)非常適合工業(yè)上的多工作臺同時加工及多臺機器人分時加工。 目前，除激光傳導焊(laser conduction)、激光深熔焊(laser penetration)、激光硬釬焊(laser brazing )、激光軟釬焊(laser soldering)外又相繼問世了激光雙光束焊接(Double focus welding)、激光填絲焊(laser filler wire welding),激光復合焊(Hybrid laser welding)遠程激光焊接(laser remote welding)等新的焊接方法。 焊接結(jié)構(gòu)也由對接接頭(butt joint)‘搭接接頭(overlap joint)擴展到角接接頭(fillet joint)、車身接頭(coach joint)、端接接頭(standard edge joint)等。見圖1。 圖1 幾種常見的激光焊接接頭結(jié)構(gòu)2.2激光焊接研究現(xiàn)狀 (1)激光焊接加熱過程及機理 激光深熔焊接過程見圖2在激光深熔焊接過程中會產(chǎn)生如下特殊效應。 圖2 激光深熔焊接過程及“匙孔”形成a.焊縫凈化效應。激光焊接時.焊縫中氧化物等雜質(zhì)因汽化而大量減少。加上焊接時加熱冷卻速度快，焊縫金屬組織細小.熱影響區(qū)窄等因素使焊接接頭的力學性能得到改善和提高。例如，在激光焊接HY-130鋼時焊縫中O, S, N等雜質(zhì)含量減少接頭抗拉強度、沖擊韌性與母材相當。 b.小孔和等離子效應。在功率密度高達10*8~10*7 W / cm2的激光束照射下，被焊材料輻照區(qū)表層局部迅速熔化、汽化，在汽化膨脹力反作用下于材料內(nèi)部形成小孔。小孔內(nèi)充滿金屬蒸氣形成的等離子體。在小孔之上形成一定范圍的等離子體云.等離子體吸收部分激光而使有效激光能量減少。因此，激光深熔焊時必須對等離子體加以抑制。 c.壁聚焦效應。由千入射到小孔側(cè)壁的激光束的入射角度較大，使入射激光在孔洞的側(cè)壁被反射到孔洞底部出現(xiàn)小孔中光束能量疊加的現(xiàn)象。它有助于維持小孔的存在和熔深的增加。 另外伴隨計算機和CAE(計算機模擬)技術(shù)的發(fā)展，有關(guān)激光焊接焊縫、熔池、小孔及基體熱影響區(qū)的傳熱傳質(zhì)研究取得豐碩成果，相應建立起多種數(shù)學模型。 (2)激光焊接工藝參數(shù)及影響 影響激光焊接質(zhì)量的主要因素有光束質(zhì)量、功率密度和離焦量，焊接速度、保護氣體種類及流量、材料的熱物理性質(zhì)等。多年的相關(guān)研究，已積累很多數(shù)據(jù)但受設(shè)備、焊接結(jié)構(gòu)和材料多樣性影響，激光焊接很難建立起完整的工藝數(shù)據(jù)庫。 (3)激光焊接缺陷 激光焊接的常見缺陷有氣孔、裂紋、氧化、咬邊、焊縫表面凹凸不平、焊深不足或焊縫深淺不一致等。其中，前兩種是焊縫的主要內(nèi)部缺陷，后幾種多數(shù)是與焊縫成形性有關(guān)的缺陷。氣孔、裂紋對焊縫性能影響極大。 2.3激光焊接發(fā)展趨勢 (1)激光焊接的最新動向 a.10 kW CO2和YAG激光焊接 最近，德國和英國等都開發(fā)了大功率YAG激光設(shè)備，與CO2激光焊接進行比較，并探討了熔化特性及等離子體的影響。英國TWI采用將3臺4kW YAG激光器發(fā)出的激光束引入直徑1 mm的SI光纖中合成為一束高功率激光束的方法，研究了C-Mn鋼YAG激光焊接的熔深在15 mm厚的鋼板上獲得了良好的熔透焊縫。發(fā)現(xiàn)YAG輸出功率大時，如何去除小孔中噴出的等離子體成為一個重要的技術(shù)問題。 在瑞典SCANIA ferruform 工廠已用12 kW CO2激光加工機實現(xiàn)載貨車后橋軸頭激光在線焊接。 b.激光焊接在線監(jiān)測 為了得到高質(zhì)量焊縫，希望采用可靠的監(jiān)測系統(tǒng)控制焊接過程。實際上，激光焊接過程中存在許多與物理現(xiàn)象有關(guān)的信息。所謂過程監(jiān)測是指通過對等離子體放出的光、熔池壓力變化引起的聲音、焊件中機械應力引起的超聲波金屬蒸氣等離子介電常數(shù)的變化、反射激光束功率的監(jiān)測.以及熔池及小孔的直接觀察等，來判定焊接過程的變化。另外舊、德學者不僅對激光焊接中等離子體發(fā)出的光和聲音進行采集研究還對小孔和熔池進行觀察、監(jiān)測并進一步研究對焊接過程進行監(jiān)控的方法。 c.激光與電弧復合焊接法 激光-TIG復合焊(見圖3)顯著增加焊速r其焊速約為TIG焊的2倍。激光一MIG復合焊由于填充焊絲和電弧加熱范圍較寬，顯著增加了對間隙的橋接性。綜合了兩種焊接的特點，激光與電弧復合焊獲得的焊縫頂部寬、深度大且激光產(chǎn)生的等離子體減小了電弧引燃和維持的阻力，使電弧更穩(wěn)定。復合焊增強了焊接適應性，且增加焊接效率。激光電弧復合焊對焊接效率的提高十分顯著主要基于兩種效應，一是較高的能量密度導致較高的焊接速度;二是兩熱源相互作用的疊加效應。 圖3 激光-TIG復合焊d.鋁合金的激光焊接 最近汽車用鋁合金的激光焊接受到注目。除已對Audi A2鋁合金車身進行了YAG激光焊機應用外，還進行了各種合金YAG激光的對接、搭接及丁型接頭焊接試驗.比較了其焊接性及各種保護氣體下接頭的抗拉強度進行了鑄造材和擠出材的YAG激光焊接，探討了氣孔生成及各種焊接條件的影響。 e.鎂合金的激光焊接 Mg合金密度比AI合金小36%作為高比強材料倍受注目。為此，進行了脈沖YAG激光和連續(xù)CO2激光焊接試驗。對于板厚1.8 mm的AZ31BH24合金(3.27%Al,0.79%Zn)其各種缺陷較少的最佳YAG焊接條件為平均功率0.8 kW.脈寬5 ms、脈沖頻率120 Hz焊接速度300 mm/s。在功率2.5 kW、焊速127 mm/s、焦點尺寸0.42 mm條件下，連續(xù)CO2激光焊接獲得了良好的熔透焊縫。 (2)激光焊接設(shè)備的發(fā)展現(xiàn)狀 a.LD泵浦固體激光 關(guān)于半導體激光(LD)浦固體激光設(shè)備，其開發(fā)研究在世界上很活躍。在日本作為“光子工程”國家項目已研究開發(fā)出10 kw小型(Rod型和Slab型)設(shè)備。在美國，作為“精密激光加工”國家項目。研究開發(fā)出了3 kW LD泵浦Slab型固體激光設(shè)備可獲得20-30 mm的大熔深焊縫。由于焊縫寬度極小，可使激光束作橫向運動擴大了熔化寬度。現(xiàn)在德國開發(fā)的LD泵浦薄圓盤固體激光最受注目它具有體積? ⒅柿亢謾⑿矢吆涂紗蠊β駛忍氐鉎ass公司已開發(fā)出LD泵浦4 kW的圓盤激光設(shè)備并將開發(fā)10 kW級的設(shè)備。 b.半導體激光設(shè)備 目前，許多公司正在研制大功率的半導體激光設(shè)備，現(xiàn)已出現(xiàn)2~6 kW級的商用小型設(shè)備。由于體積? ⒅柿殼幔氳繼寮す餛骺芍苯喲鈐賾諢魅松轄瀉附擁燃庸ぃ磽庖部捎霉庀舜滸氳繼寮す飩瀉附印＞」馨氳繼寮す餛饜矢摺⒉ǔざ痰捎詿嬖詡す夥⑸⒔嵌卻蟆⒐ぷ骶嗬?焦深)短這一缺點目前僅用于激光釬焊及塑料等的焊接。 c.激光遠程焊接(Remote Welding)設(shè)備 由于高光束質(zhì)量的激光器相繼問世如板條CO2激光器、光纖激光器和盤式Y(jié)AG激光器(Disc Laser)使得激光遠程焊接或稱激光掃描焊接(Laser Scanning Welding)成為可能并極大地提高了汽車車身件激光焊接速度。目前，已有固定龍門式加工機+CO2激光器、機器人+光纖激光器或盤式Y(jié)AG激光器等汽車車身件制造用激光遠程焊接設(shè)備。 3 汽車工業(yè)中激光捍接技術(shù)面臨的主要問題 激光焊接技術(shù)用于汽車工業(yè)也同樣面臨激光加工設(shè)備一次性投入較大單位時間加工成本高的問題。除此之外尚有許多技術(shù)層面的問題需要研究和探索如工藝參數(shù)優(yōu)化、先進工藝方法研究、性能預測及質(zhì)量控制等。下面主要討論激光焊接技術(shù)用于汽車工業(yè)所面臨的技術(shù)問題。 3.1工藝參數(shù)優(yōu)化 眾所周知，激光焊接具有多參數(shù)特點通常情況下包括激光波長、激光束模式(或發(fā)散角)、激光功率‘激光偏振特性、激光脈沖頻率、聚焦鏡焦距卜激光照射角度、焊接速度、離焦量(或稱焦點位置)、氣體保護方式、保護氣種類及流量、接頭間隙等激光加工參數(shù)另外還包括焊接結(jié)構(gòu)、焊接材料、工件厚度等工件特性和參數(shù)。如果是激光填絲焊(或激光硬纖焊)激光焊接參數(shù)還應包括焊絲直徑、焊絲成分、填絲速度、填絲方向(與焊接方向的關(guān)系)、填絲位置(焊絲熔化端與工件和激光焦點之間的關(guān)系)、填絲角度如果是激光復合焊還應包括除激光以外焊接熱源(TIG, MIG或等離子源)的相關(guān)參數(shù)。 激光焊接多參數(shù)的特點給激光焊接帶來豐富多彩的焊接結(jié)果同時也給研究激光焊接帶來很多可變因素和新的課題。無論在開環(huán)控制還是閉環(huán)控制下，激光焊接工藝參數(shù)優(yōu)化或最佳工藝參數(shù)確定的難度和工作量都有所增加。由干汽車工業(yè)要求用于大批量生產(chǎn)的各種生產(chǎn)工藝要穩(wěn)定、可靠且易于控制，因此如何通過篩選和有效控制最少的激光參數(shù)來達到最大控制激光焊接結(jié)果則顯得非常重要。 3.2先進工藝方法的研究 一輛汽車的車身和底盤由數(shù)百種以上的零件組成采用激光焊接可以把很多不同厚度、牌號、種類、等級的材料焊接在一起制成各種形狀的零件大大提高汽車設(shè)計的靈活性。 激光焊接汽車零件(特別是車身件)的復雜性和多樣性的特點為激光焊接新方法的不斷涌現(xiàn)提供了廣闊的發(fā)展空間。每種激光焊接方法的機理、特性及對焊接結(jié)果和焊接性能的影響都需要深入地研究以使激光焊接加工趨于更加完美，同時也為實際生產(chǎn)中激光焊接技術(shù)應用的選擇和創(chuàng)新做必要的準備。 3.3性能預測及質(zhì)量控制 能夠有效控制焊接質(zhì)量(形成閉環(huán)控制)和預測焊接結(jié)果是焊接研究人員多年的追求。對激光焊接這樣的快速、精密焊接技術(shù)形成閉環(huán)控制和預測焊接結(jié)果則尤為重要。 激光焊接由于采用計算機控制所以具有較強的靈活性和機動性可以對形狀特殊的門板、擋板、齒輪、儀表板等零部件實施焊接;也可以完成車頂和側(cè)圍發(fā)動機架和散熱器架等部件的裝配如果加上光纖傳輸系統(tǒng)和機械手就可以進入汽車裝配生產(chǎn)線達到自動化焊接的目的。加工中的閉環(huán)控制可使激光焊接系統(tǒng)幾乎達到完美加工的要求。因此汽車產(chǎn)品質(zhì)量趨于更高的近乎完美的水平對激光焊接技術(shù)盡快實現(xiàn)閉環(huán)控制提出了更迫切的要求。 因此激光焊接加熱過程研究、激光焊接溫度場模擬、激光焊接區(qū)等離子體特性及機理研究將對快速預測激光焊接結(jié)果和有效控制激光焊接質(zhì)量(形成閉環(huán)控制)起到至關(guān)重要的作用.但相關(guān)研究與實際應用尚有一段距離。