激光焊接技术及其应用

激光焊接技术及其应用（精选6篇）

激光焊接技术及其应用 第1篇

高能束焊接论文

先进激光焊接与电子束焊接技术发展及其应用

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先进激光焊接与电子束焊接技术发展及其应用

摘要:介绍激光焊接与电子束焊接技术的发展历史，阐明这两种焊接的发展与应用现状及未来的发展前景，论述这两种焊接工艺的特点及需进一步研究与探讨的问题，将激光焊接(LBW)与电子束焊接(EBW)进行分析，指出这两种焊接工艺的优势所在及其存在的问题。

关键词：激光焊接 电子束焊接 发展与应用

前言

焊接，作为现代重要的加工技术之一，自1882年出现碳孤焊开始，迄今己经历了100多年的发展历程，为了适应工业发展及技术进步的需要，先后产生了埋弧焊、电阻焊、电渣 悍及各种气体保护焊等一系列新的焊接方法。进入20世纪50年代后，随着焊接新工艺和新能源的开发研究，等离子弧切割与焊接、真空电子束焊接及激光焊接等高能束技术也陆续应用到各工业部门，使焊接技术达到了一个新的水平。特别是近年来，各种尖端工业的发展需求，不断提出了具有特殊性能材料的焊接问题，如高强钢、超高强钢、特种耐热耐腐蚀钢、高强不锈钢、特种合金及金属间化合物、复合材料、难熔金属及异种材料焊接等等。激光焊接技术与其它熔化焊相比独具的深宽比高，焊缝宽度小，热影响区小、变形小，焊接速度快，焊缝质量高，无气孔，可精确控制，聚焦光点小，定位精度高，易实现自动化等优点。电子束焊接具有其它熔焊方法难以比拟的优势和特殊功能:其焊接能量密度极高，容易实现金属材料的深熔透焊接、焊缝窄、深宽比大、焊缝热影响区小、焊接残余变形小、焊接工艺参数容易精确控制、重复性和稳定性好等。这两个焊接方法在各种加工制造业中得到了高度重视。激光焊接技术

激光焊接是一种新型的熔化焊接方式，是利用原子受激辐射的原理，使工作物质(激光材料)受激而产生的一种单色性好、方向性强、强度很高的激光束。聚焦后的激光束最高能量密度可达1013w/cm²，在千分之几秒甚至更短时间内将光能转换成热能，温度可达一万摄氏度以上，利用这种高能量的激光脉冲对材料进行微小区域内的局部加热，激光辐射的能量通过热传导向材料的内部扩散，将材料熔化后形成特定熔池，从而达到焊接的目的。激光焊接主要针对薄壁材料、精密零件的焊接，可实现点焊、对接焊、叠焊、密封焊等。

激光焊接中应用的激光器主要有两大类，一类是固体激光器，又称Nd: YAG激光器。Nd(钦)是一种稀土族元素，YAG代表忆铝拓榴石，晶体结构与红宝石相似。Nd: YAG激光器波长为1.06mm，主要优点是产生的光束可以通过光纤传送，因此可以省去复杂的光束传送系统，适用于柔性制造系统或远程加工，通常用于焊接精度要求比较高的工件。另一类是气体激光器，又称CO2激光器，分子气体作工作介质，产生平均为10.6mm的红外激光，可以连续工作并输出很高的功率，标准激光功率在2—5千瓦之间。1.1激光焊接的种类

激光焊接分为脉冲激光焊接和连续激光焊接两大类。脉冲激光焊特别适用于对电子工业和仪表工业微形件的焊接，可以实现薄片(0.2mm以上)、薄膜(几微米到几十微米)、丝与丝(直径0.02—2mm)、密封缝焊和异种金属、异种材料的焊接，如集成电路外引线和内引线(硅片上蒸镀有的铝膜和厚铝箔间)的焊接，微波器件中速调管的担片和钥片的焊接，零点几毫米不锈钢、铜、镍、担等金属丝的对接、重迭、十字接、T字接，密封性微型继电器、石英晶体器件外壳和航空仪表零件的焊接等。连续激光焊接主要使用CO2大功率气体激光器，适合于从薄板精密焊到50mm厚板深穿入焊的各种焊接。

1.2激光焊接的特点

激光焊接与传统的熔焊工艺相比，具有的优势主要集中在以下几个方面:(1)能量密度大且放出极其迅速，在高速加工中能避免热损伤和焊接变形，可进行精密零件、热敏感性材料加工。

(2)被焊材料不易氧化，可以在大气中焊接，不需要气体保护或真空环境。

(3)激光可对绝缘材料直接焊接，对异种金属材料焊接比较容易，甚至能把金属与非金属焊接在一起。

(4)激光焊接装置不需要与被焊接工件接触。激光束可用反射镜或偏转棱镜将其在任何方向上弯曲或聚焦，还可用光导纤维将其引到难以接近的部位进行焊接。激光还可以穿过透明材料进行聚焦，因此可以焊接一般方法难以接近的接头或无法安置的接焊点，如真空管中电极的焊接。

(5)激光束不会带来任何磨损，且能长时间稳定工作。激光焊接的不足主要表现在以下两点:(1)要求焊件装配精度高，且要求光束在工件上的位置不能有显著偏移。这是因为激光聚焦后光斑尺寸小，焊缝窄。如工件装配精度或光束定位精度达不到要求，很容易造成焊接缺陷。

(2)激光器及其相关系统的成本较高，一次性投资比较大。2激光焊接在加工生产中的应用

激光焊接最主要的应用领域是汽车、航空航天、船舶等加工中的焊接制造。以汽车制造为例，激光焊接己实现规模化，并且己出现了相关的自动生产线和焊接机器人。据有关资料统计，在欧美发达工业国家中，有50%—70%的汽车零部件是用激光加工来完成的。其中主要以激光焊接和激光切割为主，激光焊接在汽车工业中己成为标准工艺。我国汽车工业界也开始重视这种先进的焊接技术，如率先使用激光焊接技术的上海大众，新近上市的多功能轿车的车身上，使用激光焊接技术的总长度达到41米。汽车工业中，激光技术主要用于车身拼焊、焊接和零件焊接。

激光用于车身面板的焊接可将不同厚度和具有不同表面涂镀层的金属板焊在一起，然后再进行冲压，这样制成的面板结构能达到最合理的金属组合。由于很少变形，也省去了二次加工。激光焊接加速了用车身冲压零件代替锻造零件的进程。采用激光焊接，可以减少搭接宽度和一些加强部件，还可以压缩车身结构件本身的体积。仅此一项车身的重量可减少50kg左右。而且激光焊接技术能保证焊点连接达到分子层面的接合，有效提高了车身的刚度和碰撞安全性，同时有效降低了车内噪声。

激光拼焊是在车身设计制造中，根据车身不同的设计和性能要求，选择不同规格的钢板，通过激光截剪和拼装技术完成车身某一部位的制造，例如前档风玻璃框架、车门内板、车身底板、中立柱等。激光拼焊具有减少零件和模具数量、减少点焊数目、优化材料用量、降低零件重量、降低成本和提高尺寸精度等好处。而激光焊接主要用于车身框架结构的焊接，例如顶盖与侧面车身的焊接，传统焊接方法的电阻点焊己经逐渐被激光焊接所代替。用激光焊接技术，工件连接之间的接合面宽度可以减少，既降低了板材使用量也提高了车体的刚度，目前己经被世界上部分生产高档轿车的大汽车制造商和领先的配件供应商所采用。

飞机制造中，它主要应用于飞机大蒙皮的拼接以及蒙皮与长析的焊接，以保证气动面的外形公差。另外在机身附件的装配中也大量使用了激光束焊接技术，如腹鳍和襟翼的翼盒，结构不再是应用内肋条骨架支撑结构和外加蒙皮完成，而是应用了先进的饭金成形技术后，采用激光焊接技术在三维空间完成焊接拼合，不仅产品质量好，生产效率高，而且工艺再现性好，减重效果明显。

珠宝首饰行业中，激光焊接可满足美观性及不同材质间焊接，己被广泛用于金银首饰补孔、点焊砂眼、焊镶口等。

激光焊接中的熔覆技术己成为模具修补的主要技术，航空业界用此技术进行航空发动机Ni基涡轮叶片耐热、耐磨层的修复。激光熔覆与其它表面改性方法相比，加热速度快、热输入少，变形极小，结合强度高，稀释率低，改性层厚度可精确控制，定域性好、可达性好、生产效率高。

其它诸如手机电池、电子元件、传感器、钟表、精密机械、通信等行业都己引入了激光焊接技术。

激光焊接由于设备投入较高，目前只是在高附加值的领域里应用较多，即使在这些领域里，激光焊接长期以来也并没有被充分利用。不过随着新的激光焊接技术和设备的研发，激光焊接正在逐渐挤进长期以来一直被传统焊接技术所占据的“领地”。3激光焊接技术的发展前景与面临的挑战

目前，在激光焊接技术研究与应用方面处于世界领先水平的国家有德国、日本、瑞士和美国等国。横流连续CO2激光加工设备的输出功率可达20kW，脉冲Nd: YAG激光器的最大平均输出功率也己达到4kW，并且实现了纳秒级的脉冲宽度。激光焊接能够实现的材料厚度最大己达80mm，最小为0.05mm，大部分材料的激光焊接质量均超过传统焊接工艺。激光焊接技术正朝着低成本、高质量的方向发展，具有很大的发展潜力和发展前景。可以预料，激光焊接工艺将逐步占据焊接领域的主要位置，并取代一些传统落后的焊接方法。

激光焊接技术在迅猛发展的同时，也面临着一些新的课题，其中包括:高功率低模式激光器的开发及在焊接中的应用;纳秒级短脉冲高峰值功率激光焊接过程中激光与材料的作用机制;超薄板材激光焊接工艺的优化与接头性能的检测;激光焊接时声、光、电信号的反馈控制;激光焊接过程中等离子体的产生对焊接质量的影响等等。激光焊接技术面临的这些新的挑战，有待于从事激光焊接的研究人员进行深入的探讨，同时，这些新问题的提出也预示着激光焊接技术正向着更加深化的方向发展。4电子束焊接方法

电子束焊接(EBW)是利用电子枪中阴极所产生的电子在阴阳极间的高压(25—300KV)加速电场作用下被拉出，并加速到很高的速度(0.3—0.7倍光速)，经一级或二级磁透镜聚焦后，形成密集的高速电子流，当其撞击在工件接缝处时，其动能转换为热能，使材料迅速熔化而达到焊接的目的。其实，高速电子在金属中的穿透能力非常弱，如在100KV加速电压下仅能穿透0.025mm。但电子束焊接中之所以能一次焊透甚至达数百毫米，这是因为焊接过程中一部分材料迅速蒸发，其气流强大的反作用力将熔融的底面金属液体向四周排开，露出新的底面，电子束继续作用，过程连续不断进行，最后形成一深而窄的焊缝。4.1电子束焊接的特征

由于高能量密度的电子束流集中作用的结果，使得电子束焊接熔池“小孔”形成机理与其他熔化焊有所不同。根据真空度的不同，电子束焊接可分为高真空焊接、低真空焊接和非真空焊接三种。电子束焊接过程是，高压加速装置形成的高功率电子束流，通过磁透镜会聚，492得到很小的焦点(其功率密度可达10—10W/cm)，轰击置于真空或非真空的焊件时，电子的动能迅速转变为热能，熔化金属，实现金属焊接的目的。电子束焊接的特点可概括如下:（1）电子束斑点直径小，加热功率密度大，焊接速度快，焊缝宽度狭窄，热影响区小，特别适宜于精密焊接和微型焊接;（2）可获得深宽比大的焊缝，焊接厚件时可以不开坡口一次成形;（3）多数构件是在真空条件下焊接，焊缝纯洁度局;（4）规范参数易于调节，工艺适应性强。焊接工艺参数的重复性和再现性好;（5）适于焊接多种金属材料;（6）焊接热输入低，焊接热变形小。当然电子束焊接方法也有一些不足，如:(1)电子束焊机结构复杂，控制设备精度高，所需费用高;（2）冷却过程中快速凝固，引起焊接缺陷，如气孔、焊接脆性等;（3）工件大小受真空室尺寸的限制，每次装卸工件要求重新抽真空。5电子束焊接在工业上的应用

电子束焊接正广泛应用于各种构件，如结构钢、Ti合金、Al合金、厚大截面的不锈钢和异种材料的焊接。近年来，在对各种材料电子束焊接可焊性和接头性能研究方面均获得了可喜的进展。在焊接大厚件方面，电子束一直具有得天独厚的优势。特别是在能源、重工业及航空工业中发展迅速。如在核工业大型核反应堆环形真空槽和线圈隔板的电子束焊接中，其最大焊接深度达150 mm,电子束焊接发挥其深熔焊的特点可一次焊透厚达150-200mm的钢板，且焊后不再加工就可投入使用。又如在日本PWR蒸汽发电机的安装和改造中采用的就是电子束焊接，他们采用无缺陷的焊接程序和步骤，成功地实现了不锈钢厚板的电子束焊接。

一直以来，电子束焊接在航空、航天工业中的应用居多，主要应用于飞机重要承力件和发动机转子部件的焊接上。例如，在美国近年发展的F-22战斗机机身段上，由电子束焊接的Ti合金焊缝长度达87.6 mm，厚度为6.4-25 mm。同时，电子束焊接技术作为柔性很好的工艺方法，不仅在发动机制造领域中得到了广泛应用，在涡轮叶片及热端部件修理领域也有其广阔的市场。

另外，电子束焊接在电子、仪表和生物医药工业上也起到了独特的作用。由于在这些工业中，有许多零件对焊接质量要求相当高。电子束焊接技术可以解决电子和仪表工业中许多精密零件的焊接难题，例如封装焊接、高熔点金属焊接、集中加热焊接、穿透焊接等，其焊缝质量高，工件变形小，焊接效率也高。在生物医药业中对焊缝清洁度的要求很高，采用电子束焊接可以轻松实现上述行业中各种材料的焊接，如Cu一Be合金、Ti合金、不锈钢以及陶瓷与金属的焊接等。

凭借EBB能量密度高，加热和冷却速度快的特点，采用该焊接技术可以很好地解决异种材料焊接中出现的两种材料冶金不相容和性能差异问题，因此异种材料的电子束焊接己经越来越得到人们的重视，尤其是厚大异种材料的焊接、金属和非金属材料的焊接等。特别是在航空发动机、精密仪器、刀具刃具制造方面有广泛的应用前景。

为了使电子束焊接技术获得更进一步的应用和发展，国内外学者正从以下几方面着手进行研究，即完善超高能密度电子束热源装置;掌握电子束品质过计算机及CNC控制提高设备柔性以扩大其应用领域。近年来，随着电子束焊接设备的不断改进和更新，国内外电子束焊接技术及其应用也有了长足的发展，主要内容包括:日本大阪大学研制了600KV 300KW的超高压电子束热源装置，一次焊200mm厚不锈钢时，深宽比达70: 1。欧共体采用德国阿亨大学研制的DIA BEAM系统，对电子束特性进行了定量研究，对大型壁厚80mm圆筒压力容器电子束焊的环缝起焊收尾搭接处，通过电子束焦点及焊接过程分析，找出了减少和消除圆环焊缝收尾处缺陷的方法。日本采用填丝双枪电子束薄板超高速焊接技术，得到了反面无飞溅的良好焊缝。近年英国焊接研究所采用非真空电子束焊接铜制核废料罐，取得了良好的社会和经济效益。国内有北京航空工艺所在1992年研制成功了ZD 150-15A高压电子束焊机，并用此机完成了多种航空航天发动机零部件的焊接，以及导弹壳体、汽车变截面轴、石油钻头等多种军民品。

6电子束焊接的发展趋势

综上所述，国内外开展电子束焊接技术研究的广度和深度在不断的加大，己经在焊接理论和工艺实践上取得了积极的研究成果。但由于电子束焊接过程中电子束与金属间的深穿快速物理化学冶金作用，以及当前研究分析手段上的局限性，使得焊接机理的本质研究有待进一步深入。基于电子束焊接异种材料的优越性，当前各国在异种材料的电子束焊接方面逐步扩大了异种材料之间连接的研究范围，目前航空航天用的高温结构材料及先进的新型结构材料与黑色金属、有色金属的异种材料的电子束焊接己经成为各国高度关注的研究热点。因此，针对世界电子束焊接技术的研究走向及国内研究的不足，深入开展异种材料，特别是航空航天用的高温新型结构材料的电子束焊接机理及工艺研究有着深远的现实意义和良好的应用前景。从上述电子束焊接的特征和它在工业中的应用现状，不难看出，今后电子束焊接的发展趋势可以概括为:(1)继续扩大在航空航天工业中的应用范围，并在修复领域发挥作用;(2)焊接设备将趋向多功能化和柔性化;(3)非真空电子束焊接的研究和应用将日益成为热点;(4)在厚大件和批量生产中继续发挥其独特优势;(5)电子束焊接将成为空间结构焊接的强有力工具。结语

激光焊接与电子束焊接是焊接新技术，其应用范围和焊接能力还并没有被人们完全认识，还有待于科技工作者进一步研究和开发。相信不久的将来，激光焊接与电子束焊接技术不仅会在更多的加工领域出现，而且还会成为这些领域的主流加工技术之一。

参看文献：

[1]朱林崎.国外高能束流焊接技术发展现状[J].航天工艺，1996(2):48-52.[2]李志远.先进连接方法「M].北京:机械工业出版社 2000.[3]刘金台.高能密度焊「M].西安:西北工业大学出版社1995.[4]王亚军.电子束加工技术的现状与发展.航空制造技术，1995,(增刊1): 28-31.[5]于瑞.激光技术在汽车制造领域中的应用[J].汽车工业研究，2007(10):45-47.

激光焊接技术及其应用 第2篇

激光技术的竞争强化了激光焊接技术在汽车制造工业中的应用，新的激光焊接电源和更高的功率使得激光焊接进入了长期以来一直被传统焊接技术所垄断的汽车车身的制造领域，使得激光技术在汽车工业中得到了极为广泛的应用。利用激光混合焊接技术可大大提高冲压件缝隙的连接能力，更加充分地利用激光高速焊接时电弧焊接的工艺稳定性，

目前，激光及其复合焊接技术已在许多工业部门得到应用，而汽车是其中最重要的部门，最典型的例子是车身覆盖件剪裁激光拼焊以及顶盖与侧围的焊接。用激光将不同厚度、材质及性能的几块薄板拼焊起来，再冲压成形。不但提高了材料利用率，由40 % ～60 %提高到70 %～80 % ，而且减轻了重量，提高了综合力学性能。与单一的激光焊接技术相比，激光混合焊接技术具有显著的优点: 更大的熔深、较大缝隙的焊接能力及更好的焊缝韧性，通过焊丝可以影响焊缝组织结构及无焊缝背面下垂现象等。

激光塑料焊接技术及其典型应用 第3篇

激光焊接技术在金属材料的加工领域应用广泛,其优异的性能早已被各个应用行业所接受,成果显著。随着绿色环保理念在全球工业生产中的贯彻以及生产成本控制方面的考虑,塑料作为一种性能优异的可再生非金属材料,被日益广泛地应用在各行业的零部件设计、制造上,传统的金属部件越来越多地被拥有同样工作性能的塑料部件替代,同时对塑料零件之间的焊接连接技术和焊接质量也提出了更高的要求,这些变化为激光焊接技术在塑料材料领域的应用提供了契机。

2 激光塑料焊接的原理

激光塑料焊接利用透射焊接原理(原理图见图1),选用红外激光作为焊接热源,一般以800nm~1100nm波段的激光为主,这一波段的激光对于大部分可焊接的透明或有色热熔塑料来说吸收率比较低,激光穿过这些材料时能量损失很少。焊接时叠加在一起的上下两层材料需要满足一定的要求:上层材料为透射区,对于焊接所采用的激光应具有较高的透过率;而下层材料为热作用区,需要对激光具有较高的吸收率。满足了以上的两个条件就可以保证激光可以较少的能量损耗透过上层材料到达下层材料的表面,由于下层材料具有较高的吸收率,激光在两层材料的结合面处被吸收并产生热量,使得该处的塑料熔化,在适当压力作用下发生二次聚合,这样冷却后在上下两层材料之间形成焊缝而使它们连结在一起。

3 激光塑料焊接优势和特点

伴随着塑料材料和激光设备方面的进步,塑料焊接逐渐成为激光焊接的一个新兴的、充满希望的应用领域。在某些应用中,激光塑料焊接比传统的超声波焊接、振动焊接、热平板焊接等工艺更具成本和性能方面的优势,详见表1。

激光焊接塑料技术主要有以下几方面的优点[1]:

(1)焊缝尺寸精密、牢固、不透气不漏水,焊件表面完好无损;

(2)在焊接过程中树脂降解少、产生碎屑少,符合食品医药行业要求;

(3)与其他熔接方法比较,极大地减小了制品的振动应力和热应力;

(4)能够将多种类不同的塑料材料焊接在一起(其他焊接方法有较大限制);

(5)易于控制,擅长焊接具有复杂外形(甚至是三维)的制品;

(6)能够焊接其他方法不易达到的区域。

4 激光塑料焊接需要考虑的几个问题

4.1 激光波长的选择

激光塑料透射焊接通常使用近红外波段的激光作为光源,包括半导体激光(波长808nm~980nm)、Nd:YAG激光(波长1064nm)和近年来发展势头比较迅猛的光纤激光(波长1050nm~1500nm)等,这些波段的激光在热熔塑料中均具有良好的透过率,而且可以和光纤耦合,传输光路比较简单,可以通过将聚焦头安装在机器人手臂上来实现数控精密焊接。

对于波长处于10.6μm波段的CO2激光,由于塑料材料对其具有较高的吸收率,所以它的焊接过程属于热传导焊接,塑料材料对它的吸收由表及里,逐步深入,因此CO2激光只适合用于焊接较薄的薄膜材料,当焊接材料具有一定厚度时,CO2激光将两层材料熔合在一起的同时也会使得表层材料被熔化,造成过熔甚至碳化,焊缝形态和质量都不高。

4.2 对塑料材料的要求

塑料材料可以分为热熔性塑料和热固性塑料两大类,对于热熔性塑料来说,可以采用常规塑料焊接(振动、超声波、热板)的方式来连接,所以理论上,所有热塑性塑料都能够被激光焊接。

由于采用的是激光透射焊接原理,所以对于需要焊接的热熔塑料材料应满足一定的透过率要求,一般说来,当上层透过材料对近红外线激光的透过率高于50%,下层热作用区材料透过率低于20%时,激光塑料焊接会获得较好的效果[2]。

4.3 吸收剂的使用

吸收剂的使用是塑料激光焊接工艺中非常重要的工艺。当底层热作用区塑料材料对红外激光透过率太高而不能吸收足够多的激光能量时,会影响到焊缝的形成和强度和。此时需要借助吸收剂来提高吸收率,来获得理想的焊接效果。吸收剂既可以在注塑时同步加入到材料中,也可以灵活地喷涂或印刷在焊件的接触面上。

碳黑是最常用的理想吸收剂,它能够将红外波长的激光能量基本全部吸收,从而大大提高塑料的热吸收效果,使得热作用区的材料融化更快、效果更好。但是当焊件为透明或有色材料时,如果采用将碳黑涂抹在焊件接触面的方式,焊缝颜色会变深,与母材颜色反差较大,不够美观。

英国焊接学会(TWI)研制出了一种叫做Clearweld的染料吸收剂,使用它作为吸收涂层来焊接透明或有色材料时可以得到透明的焊缝[3],因而焊接成品看起来美观精致。相对碳黑吸收剂,这种可以形成透明焊缝的吸收剂更受青睐,它也代表了吸收剂的研究发展趋势。

4.4 焊接的工艺参数

激光塑料焊接涉及的工艺参数主要有激光功率、焊接速度、光斑直径、夹具压力等,这些参数要结合焊接材料的物理化学特性来筛选优化,合理搭配,才能获得理想的焊接强度和效果。

5 激光塑料焊接的典型应用

5.1 汽车进气歧管激光焊接

发动机进气歧管(AIM)(见图2)是汽车动力系统主要部件之一,传统材料为铸铝。从20世纪80年代起,制造塑料AIM成为一种趋势。塑料进气歧管管壁光滑、气流阻力小、进气效率高、质量轻,因而提高了发动机性能和燃料利用率,目前已被广泛使用。

塑料AIM最初采用去芯成型法来制造,产品为整体式结构,采用的是BASF公司研制的尼龙树脂。由于去芯成型法的成功研制,AIM塑化的进展不断加快[4]。

去芯法制造塑料AIM的工艺与铸铝AIM的铸造工艺相似,虽然成本相对便宜,但还是具有设备投入大、成型工艺复杂、生产效率低等局限性,因而逐渐被低成本Multi-shell方法超过[5]。Multi-shell方法将AIM分成两块或多块来注塑成型,然后采用焊接的方法将各部件相焊接组合在一起,这使得注塑周期和成本大大降低,逐渐成为塑料AIM制造的主要方法。

目前塑料AIM焊接主要采用振动焊接的方法,它具有焊接速度快、成本低、质量好等优点,但是在工艺上要求所有焊缝都处于同一平面之上,从而大大限制了设计师的思路。

随着激光焊接工艺在塑料材料领域的应用,尤其是看到激光塑料焊接可以克服振动焊接工艺对AIM设计上的限制,非常适用于制造复杂结构和形状的AIM后,许多厂家都在投入精力研发适合激光焊接的尼龙材料。例如德国拜耳公司推出3个可激光焊接黑色玻纤增强尼龙6牌号;杜邦公司开发出激光焊接尼龙66配混料;而BASF公司开发出尼龙6配混料。这些材料都可以满足激光塑料焊接对透射率的特殊要求,使得塑料AIM激光焊接取得了很大的进展。

激光焊接法与振动焊接法相比,除了可以制取结构和形状更复杂的AIM外,由于成型条件温和,产品在高温条件(150℃)下仍可以保持较好的焊接强度,而且制品表面没有焊珠,空气流过时不会产生涡流。此外还具有焊接质量好、强度高、残余应力小、不产生翘曲和粉料、容易实现自动化等一系列优点。凭借着独特的优势,激光焊接技术逐渐成为新型塑料AIM制造的重要焊接手段。

5.2 汽车尾灯激光焊接

汽车的尾灯是一个重要的功能器件,随着汽车工业的进步,汽车的外观设计也越来越受到重视。为了保持车灯外观的美观,要求车灯的灯座和灯盖之间密封性好,强度高,焊接线不能被看出来,而且不能改变透明材料的颜色和通透性,对于这些要求,常规的热板焊接、振动焊接等方法无法实现,而激光塑料焊接的特点则可以满足这些要求。

一般来说,用于激光焊接的汽车尾灯灯座由添加了吸收剂的有色丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)树脂组成,它对红外激光具有较高的吸收率。灯盖采用对红外激光具有高透过率,并添加了红色颜料的聚甲基丙烯酸甲酯(PM-MA)透明材料。在施加了一定压力的情况下,激光可以很好的将二者焊接在一起,而且焊接效率高,焊接质量稳定,无气泡裂纹,表层灯盖的光学性能不受影响,焊缝轨迹很难看得出来。

由于车灯外形的复杂性,对其进行激光焊接的设备需要具有三维焊接的能力,所以一般采用机器人来作为焊接轨迹运动的执行机构(如图3),激光通过光纤传输到焊接区,这样的配置具有非常好的柔性,而且自动化程度高,适合在线批量化生产。

5.3 传感器激光封装

传感器在自动化设备、检测仪器以及各种监控现场的应用越来越广泛。一般来说,传感器内部拥有精细的电路和敏感的传感原件,然而它工作的环境通常比较复杂和恶劣(高温、高湿、粉尘、腐蚀性等),为了杜绝这些因素对传感器的损害,采用密闭的外壳对其保护是非常必要的。

对于传感器封装来说,焊接密封效果最好,也是最常用的封装方法。而拥有绝缘性、耐腐蚀、耐高温、抗冲击、防潮等特性的塑料功能材料材料常常作为防护外壳的首选。

高端的传感器对塑料外壳焊接封装的技术要求比较高,随着激光塑料焊接技术的发展,传感器外壳封装逐渐成为该项技术的重要应用,非接触式的激光焊接不产生振动,用于产生热量的激光能量也可以灵活控制,所以采用激光焊接可以克服振动焊接时的高频振动以及热板焊接时的热源对传感器内部器件造成损害的现象,大大地提高传感器生产成品的合格率和性能。

图4是一款应用于自动变速箱的线性选择距离传感器,安装在油箱和档位控制器附近,现场环境恶劣,因此其外壳的焊接是个特别挑战,必须确保其密封性终生可靠。在细致评估了各种焊接方法后,最终选择了激光焊接的封装方法。考虑到变速箱环境条件,外壳材料选择了GF25%的PA6/6T。下面壳体添加了碳黑以吸收激光,而上面盖子是本色PA6/6T以便激光透过。

6 结束语

激光塑料焊接作为一种新兴的塑料焊接技术,以其独特的技术优势和特点弥补了常规塑料连接手段的不足,从而使这项高新技术在塑料材料高品质、高附加值加工领域获得了一席之地,伴随着激光加工设备的不断发展以及配套塑料材料供应渠道的建立和完善,激光塑料焊接技术必然会获得越来越大的发展。

参考文献

[1]Waldemar Sokolowski,Peter Bruns etc.New Laser Systems for Laser Materials Processing[A].Proceedings of the23rd International Congress on Applications of Lasers and Electro-Optics[C].2004.

[2]王又良,崔瑛,王健超,等.塑料的激光焊接工艺[J].应用激光,2006(4):93-96.

[3]Hartley S.,Sallavanti R.A.Clearweld Laser Transmission Welding of Thermoplastics Polymers:Light Transmission and Color Considerations[J].Proc SPIE,2002(483):63-68.

[4]旧桥章.K2001しポ一ト一1[J].プラチックスエ-ジ.2002,48(3):119.

激光焊接技术的研究现状与应用 第4篇

摘 要：在经济发展中，工业占据重要的地位，工业的发展需要应用到激光技术，并且激光技术是当今各国研究的核心。随着工业发展过程中，对环保、自动化以及高效的需求在不断的增加，激光技术的应用范围也随之扩大，并在制造业中得到广泛的应用，尤其是激光焊接技术的应用成为重中之重。本文就激光焊接技术的概况进行阐述，并分析激光焊接技术的研究现状，并对其激光焊接技术的应用进行探讨，从而有效的促进工业的发展。

关键词：激光焊接技术;研究现状;应用

在激光工艺技术中，其激光焊接技术是其核心内容，并且也是目前重点发展的一种焊接技术。根据研究分析，国外已经将激光焊接技术应用在工业生产中。但是我国的激光焊接技术刚刚起步，在应用到工业发展中的时候，还需要根据我国工业发展的特点制定出相关的应用策略。随着工业的不断发展，在未来的发展中，高效的加工技术将会是发展重点，而激光焊接技术比较符合这一发展趋势，其未来的发展前景比较广阔，还需要对其进行不断的研究，加大在工业中的应用范围与效率。

1 激光焊接技术的概况

对激光焊接技术的研究中，首先需要对其基本概况进行了解。激光焊接技术指的是一种高效焊接工艺，其主要是通过运用激光束的辐射能量来实现的，将激光束进行高度的聚焦处理，并在此前提下，形成较高能量的激光脉冲，并以此来对材料进行加工，其使用范围是针对材料微小区域的焊接。与其他传统的焊接技术对比分析，激光焊接技术具有不可比拟的优势，其具有深度大、不易变形、速度快、焊接设备简单、操作方便等优点，并且针对室温等特殊环境中可以正常进行焊接，针对难溶材料包括石英、钛等可以进行焊接，其焊接效果好。但是在激光焊接的过程中，还会存在一定的缺陷与不足，其对焊接的配件要求较高，并且激光束在工件中的位置必须要准确，不得出现较大的偏移，其相关设备的成本较高，一次性的投资比较大[1]。

2 激光焊接技术的研究现状

目前，针对我国激光焊接技术的研究，其主要的激光生产设备有kw级的二氧化碳激光设备、1kw以下的固体YAG激光设备。在激光焊接技术研究的过程中，其研究领域主要集中在等离子体的形成机理、特性分析与检测、控制与激光模拟、激光堆焊、水下焊接技术、各种材料激光焊以及激光切割质量等方面。目前，激光焊接技术在高强度钢方面的焊接研究还不够完善，其应用缺少数据支持，还有待进一步的研究。

3 激光焊接技术的应用

3.1 在船舶制造业中的应用

由于船舶板材的厚度较大，其焊接缝较长，在焊接的过程中通常存在翘曲以及变形的问题。根据相关数据统计，如果使用传统的焊接技术，有四分之一的工作量是针对船板的整体形，极大的影响焊接进度，降低焊接效率。如果使用激光焊接技术，其能量密度高，光斑面积小等特点，焊接后不会出现上述问题。同时，针对船用板材制造的时候，由于工序不同，其工作台也就不同，其板材可以在切割完成之后送到另外的地方进行焊接处理。但是如果使用激光焊接技术，可以将其放在同一工作台上进行操作，有效的节省工作时间，提高焊接的效率。

3.2 激光焊接技术汽车工业中的应用

汽车工业是整个经济发展中的重要组成部分，尤其是在国外发达国家中，其每年生产的汽车数量非常庞大，其制造业的研发与改进直接关系到汽车的生产效率。因此，急需要提高激光焊接技术的作用。在我国，汽车行业逐渐发展起来，同样需要激光焊接技术提高生产效率，减轻汽车的自身重量，提高车身结构的轻度，有效的降低生产成本。目前，在大多数知名汽车工期中，均使用激光焊接技术，并且将其逐渐应用到中低档汽车的生产过程中，例如在大众汽车企业中，其激光焊接技术的应用范围在不断的扩大。在以往传统的焊接技术应用过程中，通常使用电阻点焊接技术，其要求凸缘宽度为16毫米，但是如果使用激光焊接技术，只需要将其控制在5毫米左右即可。通过以激光焊接技术来代替传统的焊接技术，每辆汽车生产中可以节省大约40kg的钢材，并且其焊接速度更快。

3.3 激光焊接技术在塑料加工中的应用

在国外激光焊接技术的应用过程中，针对塑料加工进行焊接处理已经成为比较常见的技术，但是在我国还处于初始阶段。由于传统的焊接技术通常以热熔焊接、振动摩擦焊接以及高频焊等为主要焊接方式，其对结构复杂以及加工比较精密的塑料加工工序无法达到较好的焊接效果。但是使用激光焊接技术可以达到理想的效果。

3.4 在生物医学中的应用

在上世纪七十年代，激光焊接技术就已经应用在生物医学领域中，其主要是通过激光焊接输卵管以及血管，随之越来越多的研究者将其应用在各种生物组织中，并取得了较好的应用效果。目前国内外在生物医学研究中，主要是针对激光焊接神经方面进行重点研究，其需要考虑到激光的波长、激光焊料的选择以及剂量等方面的内容。同时，近年来，将激光焊接技术使用到焊接牙科合金方面，成为一种新的焊接技术。

3.5 在电子工业中的应用

激光焊接技术在电子工业中的应用范围比较广阔，尤其是在集成电路以及半导体的设备封装过程中，通过使用激光焊接技术，可以突显出其独特的优势。同时，在真空器件研发的过程中，也需要应用到激光焊接技术。例如，在不锈钢支持环以及快热阴极灯丝组件中，需要使用激光焊接技术。由于传感器以及温控器的弹性薄壁波纹片的厚度需要控制在0.05-0.1毫米之间，如果使用传统的焊接技术来施工，无法达到预想的效果，在焊接的时候，容易将其焊穿，等离子的稳定效果较差，其受到多方面的因素影响。如果使用激光焊接技术，可以有效的解决上述问题，提高焊接效率与质量。

4 总结

针对目前激光焊接技术的应用以及研究的侧重点来看，在未来的发展中，其主要集中在新型激光焊接设备以及各个程序控制与焊缝的检测方面。激光焊接技术已经在各大工业中得到广泛的应用，并取得了较好的成就，其将会逐渐取代传统的焊接方法，其激光焊接技术将会得到进一步的完善与改进，并在工业领域中发挥出更大的作用。

参考文献：

激光焊接技术的应用及发展 第5篇

题目：激光焊接技术的应用及发展班级：姓名：学号：

激光焊接技术的应用及发展

高伟

（沈阳工业大学 材料科学与工程学院 辽宁 沈阳）

摘 要：激光焊接作为一种新型的焊接方法，已经在越来越多的领域得到广泛的应用。本文对激光焊接技术的概况、国内外激光焊接技术的研究现状、激光焊接技术的应用、激光焊接技术的发展等方面进行了综述。希望对激光焊接技术的应用和发展有一个比较全面的了解。

关键字：激光焊接技术 应用领域 发展

Abstract: As a new technology, laser welding is widely applied in mangy fields.The general situation of laser welding technology, the research situation of domestic and foreign laser welding technology, application of laser welding technology and the development tend of laser welding technology are summaries in this paper.Through this paper we get a quite comprehensive understanding to the laser welding technology application and development.Key words: laser welding, application fields, development 引 言

激光焊接作为一种新型的焊接技术已被广泛的应用于IT、医疗、电子、汽车、机械和航天等行业，为优质、高效、无污染和低成本的现代加工生产开辟了广阔的前景。由于具有很高的适应性、很强的加工能力以及更加先进的质量检测手段，激光焊接在许多行业已经逐步取代了一些传统的焊接技术。

1激光焊接技术的概况

目前激光焊接是激光工艺技术应用的核心内容,同样是目前大力发展的一种焊接技术。一些国外发达国家早已将激光焊接技术应用于工业生产方面,而国内在开发激光焊接技术的时候,州门还要拟定起一个匹配于我国工业的发展规划书。随着工业制造的持续发展,高效的加工技术将会是未来工业发展的必然趋势,而激光焊接则符合这一发展趋势。通过长期实践我们总结出,激光焊接在加工业的应用面非常宽,激光焊接术较之常规焊接技术其焊接品质更高,月加工更有效率。

激光焊接的特点是被焊接工件变形极小,焊接深度/宽度比高,热影响区小,因此焊接质量比传统焊接方法高,它们在工业上的应用越来越广泛。激光焊接还具有不受磁场的影响,不局限于导电材料,不需要真空的工作条件并且焊接过程中不产生X射线等优点。随着制造部门把自动化技术应用到焊接过程,激光和计算机控制的结合能够更好更精确地控制焊接过程,从而提高产品质量。保证激光焊接的质量,也就是激光焊接过程监测与质量控制也已成为激光利用领域的重要内容,包括利用电感、电容、声波、光电等各种传感器,通过电子计算机处理,针对不同焊接对象和要求,实现诸如焊缝跟踪、缺陷检测、焊缝质量监测等项目,通过反馈控制调节焊接工艺参数,从而实现自动化激光焊接。激光可以用于对很多材料的焊接,碳钢、低合金高强度钢、不锈钢、铝合金和钛合金等都可以用激光进行焊接。一般来说,激光焊接的速度跟激光功率成正比,也受到工件的材料类型和厚度的影响。激光焊接的应用也随着激光焊接技术的发展而日趋广泛,目前已涉及航空航天、武器制造、船舶制造、汽车制造、压力容器制造、民用及医用等多个领域。2激光焊接技术的研究现状

目前,国内一些激光设备与生产单位主要生产kW级的CO2激光设备和1 kW以下的固体YAG激光设备。对激光焊接研究主要集中在激光焊接等离子体形成机理、特性分析、检测、控制、深熔激光焊接模拟、激光-电弧复合热源的应用、激光堆焊、超级钢焊接、水下激光焊接、宽板激光拼焊、填丝激光焊、铝合金激光焊、激光切割质量控制等。

清华大学彭云等人分析了超细晶粒钢的焊接性及激光焊接的特点,进行了400 M Pa和800 M Pa 2 种超细晶粒钢的激光焊接试验,并与等离子弧焊接、MAG焊接进行了比较。无论是碳钢或经合金强化的高强度钢,还是通过特殊冶金加工的高强度钢,在快速加热和冷却的激光焊条件下,一方面接头的硬度大大高于母材,使接头易产生裂纹;另一方面激光的再热作用使HAZ出现软化区。目前,对于高强度钢激光焊接性方面的研究还不足,其应用还缺少更多的数据,需进一步深入研究。

相关资料显示,激光的高能量密度不但可以融化金属,且还能够将金属完全汽化,而金属在气化后与激光束接触,就会出现等离子体。等离子体可以吸收激光束,同时还能够将激光进行反射,这样就会导致光斑聚焦发生偏移,这在很大程度上都影响着激光的焊接质量。因此控制等离子体,尉罢在激光焊接技术的主要问题。近年来国外开发了激光摆动法,其理论为将光束沿悍接方向反复摆动,时间在匙孔出现后和等离子体出现前,这样有效的防止了等离子体的出现。而相关资料显示,等离子体的内质密度为影响激光束传输的核心要素,其可以经磁场辐射遏制等离子体对激光束的屏蔽效应。

另外,我们还进行了一些难熔金属的焊接,如钨、钥、祖等,这些金属的熔点都在2600℃以上,用传统的焊接方法成品率低且质量不能保证,用激光焊接不仅工艺简单,而且成品率均在98%以上。对熔点温度相差很大的两种不同的金属进行激光焊接,例如铜和铁、钢和金、铬和钦、铁和钥、镍和铂等,都可收到很好的效果。激光焊接作为一种特殊的焊接工艺,正逐渐被人们所认识和使用,随着我国改革开放的不断深入,激光焊接技术一定会得到瞩目的发展。

3激光焊接技术的应用

伴随工业激光器的研发以及相关学者对焊接技术的研究,目前此技术已被广泛应用。不过因成本问题,应用激光焊接的基本都是量产焊接的行业,七以口造船业以及汽车制造业等等,同时很多投资较大的特殊行业也会应尾激光焊接技术。在欧美地区,激光焊接已被汽车业以及金属加工业所广泛应用二而在中国,激光焊接术还仅仅被应用在电气等工业。现阶段很多发达国家的主要绍齐来源都要依附于汽车工业,很多发达国家平均每年的汽车出产量少则数千万计,所以,制造技术的完善及发展,始全绪日是相关学者的主要研究课题。利用激光焊接技术,能够有效的控制车体的质量,而且还在很大程度上提高了车身的强度,最主要的是降低了汽车的生产成本。

近年来激光焊接技术已应用于造船领域,一般的船用板材都需要达到一定的厚度,且焊缝较长,所以焊接后的翘曲以及变形为造船业的一大问题。相关资料显示,通过普通焊接工艺,大概有四分之一的工作量都应尾到了船板的整型中。因为激光焊接有较高的能量密度,同时光斑范围较小,热影响范围较常规的弧焊要小很多,焊后无显著的变形从而激卿旱接技术十分适用于造船业。通过激光对塑料施焊,在发达国家已是非常成熟的技术,而此技术在国内正处于发展中。常规塑料焊接基本都是以高频焊、热熔焊以及振动摩擦焊为主,上述焊接技术难以达到那些结构繁琐、加工精度高领域白舫目关要求。3.1激光焊接技术在汽车制造上的应用

工业上的激光焊接技术是目前激光工业中的第三大领域,在当今社会中已有大幅度的增长和广泛的应用。特别是在制造业的汽车产亚上,车身的部件大部分采用了激光的焊接技术,已取代我国传统的电阻电焊技术。激光焊接技术在国内外都有广泛的应用。例如日本本田汽车车门框和各种材料上的激光焊接。美国的福特汽车的中央门柱焊接技术。通过几个案例可以表明激户己焊接技术在汽车车身的制造上是非常可取的。激光技术不断随着社会改革发展而增加扩大范围,激光在工业上的用途也有了大幅度的提升。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,20世纪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。激光焊接还广泛应用到变速箱齿轮、半轴、传动轴、散热器、离合器、发动机排气管、增压器轮轴及底盘等汽车部件的制造,成为汽车零部件制造的标准工艺。应当看到我国一些汽车制造厂家已经在部分新车型中采用激光焊接技术,而且从激光焊接技术本身研究的角度看,我国一些科研院所在一些具有特色的领域取得了具有特色的成果。随着我国汽车工业的快速发展,激光焊接技术一定会在汽车制造领域取得丰硕的成果和广泛的应用。

在电子工业中对激光焊接技术需求也是必不可少的。主要应用在显像管的电子枪,且在这方面上获得不错成绩,在日本的东芝公司中已成功的将焊接显像电子枪装配到线上。我国有几个厂家也应用了,华中理工大学所研发出来的激光焊接电子枪设备。另外,激光的焊接在续电器、电路引线、计算机配件中获得较大成功。3.2塑料激光焊接的应用

激光焊接是一项无振动焊接技术,因此它特别适合用于鼠标、移动电话、连接器等加工精密的电子元器件,以及那些需要以更清洁的方式来熔接的复杂部件,例如含有线路板的塑料制品、医疗设备等。在汽车工业中,激光焊接塑料技术可用于制造很多汽车零部件,激光还可以将塑料薄膜焊接在一起,操作过程可以完成的非常快。

塑料激光焊接技术是一种变革性的短流程、数字化、知识化、绿色环保、先进的近净成形新技术，正在成为激光焊接领域的一个热点；它具有成本低、速度快、加工方便、原材料适用范围广、实现精密数控容易、结合性和工艺性好等许多优点$并且以其十分独特的技术和经济优势弥补了常规塑料连接方法的不足。在未来几年，中国将有可能成为全球最大的塑料产品市场要使激光焊接技术在塑料材料高品质，高附加值的加工领域获得应有的地位，这样塑料激光焊接技术所带来的巨大经济效益和社会效益是毋庸置疑的。3.3激光焊接在船舶制造上的应用

船舶制造中，钢板从储存、运输到下料切割、装配焊接等一直是增加变形的过程，特别是焊接，钢板变形影响很大。很多船厂花费大量人力物力用于焊接变形的火工校正工作。据统计，单船焊接费用占到整个船体制造费用的30%以上。现在船东、船检对船舶的质量要求提高，特别是豪华游船，船体外观要求很光顺，而船厂为达此要求花费很高。而使用激光焊接，速度快，变形小，焊缝窄，光顺美观，节省了大量后续校正工作。激光焊接不仅是制造工艺上的变化，而且也带来了船体结构上的创新和变化。例如，美国在最新建造的新型船舶上广泛使用高强度、低合金钢的T形构件，通过激光焊接技术的采用，令船舶的重量大幅降低。船用复杂结构如“三明治”板、T型和I型结构等，传统焊接方法的热输人量大，易引起工件严重变形、热影响区性能下降等问题;此外“三明治”结构是在两层薄板间加不同形式的撑板来实现整体结构的强度提升和重量减轻，弧焊方法难以完成。采用激光焊接技术这些问题都可解决.激光焊接技术可改进船舶设计的理念、减轻船舶的重量、降低船舶制造成本等。在欧洲，激光焊接已应用于护卫舰、轻型巡洋舰、大型游艇的焊接，它能够提高板的有效载荷，满足轻型设计要求，同时具有较高焊接速度。3.4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方面，我国进行了许多研究，如对BT20钛合金、HE130合金、Li-ion电池等激光焊接。德国玻璃机械制造商Glamaco Coswig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。

4激光焊接技术的发展

目前,在激光焊接技术研究与应用方面处于世界领先水平的国家有德国、日本、瑞士和美国等国。横流连续CO2激光加工设备的输出功率可达20kW,脉冲N d∶YAG激光器的最大平均输出功率也已达到4kW,并且实现了纳秒级的脉冲宽度。激光焊接能够实现的材料厚度最大已达80mm,最小为0.05mm,大部分材料的激光焊接质量均超过传统焊接工艺。激光焊接技术正朝着低成本、高质量的方向发展,具有很大的发展潜力和发展前景。可以预料,激光焊接工艺将逐步占据焊接领域的主要位置,并取代一些传统落后的焊接方法。5结束语

激光焊接技术是集激光技术、焊接技术、自动化技术、材料技术、机械制造技术及产品设计为一体的综合技术。汽车工业的发展对焊接质量提出了更高的要求。激光焊以其高能量密度、深穿透、高精度、适应性强等优点,在汽车工业中充分发挥了其先进、快速、灵活的加工特点,不仅在生产率方面高于传统焊接方法,而且焊接质量也得到了显著的提高。激光焊接技术发展到今天,其逐步取代电弧焊、电阻焊等传统焊接方法的趋势已不可逆转。在未来的21世纪中,激光焊接技术在材料连接领域必将起到至关重要的作用。

随着技术和工艺方法的不断进步,激光作为非接触柔性制造工具的特性将体现得更为明显。激光制造必然成为便捷高效、绿色环保、节能降耗的先进制造技术,促进我国工业领域的技术进步和产品技术改造,满足国民经济尤其是制造业的发展需要。

参考文献

铝合金激光焊接技术 第6篇

铝合金密度低，但强度比较高，塑性好，可加工成各种型材，具有优良的导电性、导热性和抗蚀性，在航空、航天、汽车、机械制造、船舶及化学工业中已大量应用。铝合金的广泛应用促进了铝合金焊接技术的发展，同时焊接技术的发展又拓展了铝合金的应用领域，因此铝合金的焊接技术正成为研究的热点之一。

不过，铝合金本身的特性使得其相关的焊接技术面临着一些亟待解决的问题：表面难溶的氧化膜、接头软化、易产生气孔、容易热变形以及热导率过大等。以往的生产实践中，铝合金的焊接常用钨极氩弧焊和熔化极氩弧焊。虽然这两种焊接方式能量密度较大，焊接铝合金时能获得良好的接头，但仍然存在熔透能力差、焊接变形大、生产效率低等缺点。用这些传统的、应用于黑色金属的焊接方法焊接铝合金，并不能达到工业上高效、无缺陷、性能佳的要求，于是人们开始寻求新的焊接方法，20世纪中后期激光技术逐渐开始应用于工业。欧洲空中客车公司生产的A340飞机机身，就采用激光焊接技术取代原有的铆接工艺，使机身的重量减轻18 %左右，制造成本降低了近25 %。德国奥迪公司A2和A8全铝结构轿车也获益于铝合金激光焊接技术的开发和应用。这些成功的事例大大促使对激光焊接铝合金的研究，激光技术已经成为了未来铝合金焊接技术的主要发展方向，因为激光焊接具有其独特的优点：

(1)能量密度高，热输入量小，焊接变形小，能得到窄的熔化区和热影响区以及熔深大的焊缝。

(2)冷却速度快，焊缝组织微细，故焊接接头性能良好。

(3)焊接能量可精确控制，可靠性高，针对不同的要求有较高的适应性。(4)可进行微型焊接或实现远距离传输，不需要真空装置，利于大批量自动化生产。

二、激光焊接铝合金的难点及解决措施 1.铝合金表面的高反射性和高导热性

这一特点可以用铝合金的微观结构来解释。由于铝合金中存在密度很大的自由电子，自由电子受到激光（强烈的电磁波）强迫震动而产生次级电磁波，造成强烈的反射波和较弱的透射波，因而铝合金表面对激光具有较高的反射率和很小

吸收率。同时，自由电子的布朗运动受激而变得更为剧烈，所以铝合金也具有很高的导热性。

针对铝合金对激光的高反射性，国内外学者都作了大量研究，试验结果表明，进行适当的表面预处理如喷砂处理、砂纸打磨、表面化学浸蚀、表面镀、石墨涂层、空气炉中氧化等均可以降低光束反射，有效地增大铝合金对光束能量的吸收。另外，从焊接结构设计方面考虑，在铝合金表面人工制孔或采用光收集器形式接头，开V形坡口或采用拼焊(拼接间隙相当于人工制孔)方法，都可以增加铝合金对激光的吸收，获得较大的熔深。另外，还可以利用合理设计焊接缝隙来增加铝合金表面对激光能量的吸收(如图1)。从图上可以直观的反应出，将焊缝和激光束的位置关系由图1(a)改为图1(b)或图1(c)，使激光束与缝壁有一定角度后，激光束能够在缝隙内多次反射，形成一个人工小孔，增加了焊件对激光能量的吸收。

图1 改变焊缝几何形状

2.小孔的诱导和维持

小孔的诱导和维持是铝合金激光焊接中的特有困难，这是由铝合金材料特性和激光光学特性造成的。激光焊接的过程中，小孔可看成是铝合金的黑体，能大大提高材料对激光的吸收率，为母材获得更多的能量耦合，这有利于提高焊接接头的质量。但由于铝合金的高反射性和高导热性，要诱导小孔的形成就需要激光有更高的能量密度。而铝元素以及铝合金中的Mg、Zn、Li沸点低、易蒸发且蒸汽压大，虽然这有助于小孔的形成，但等离子体的冷却作用（等离子体对能量的屏蔽和吸收，减少了激光对母材的能量输入）使得等离子体本身“过热”，却阻碍了小孔维持连续存在。

由于能量密度阈值的高低本质上受其合金成分的控制，因此可以通过控制工艺参数，选择确定激光功率保证合适的热输入量，有助于获得稳定的焊接过程。另外，能量密度阈值一定程度上还受到保护气体种类的影响。研究表明，激光焊接铝合金时使用N2气时可较容易地诱导出小孔,而使用He气则不能诱导出小孔。这是因为N2和Al之间可发生放热反应，生成的Al-N-O 三元化合物提高了对激光吸收率。

三、激光焊接铝合金容易产生的缺陷及消除方法 1.气孔

铝合金激光焊接的主要缺陷之一是气孔，焊缝气孔的形成机理比较复杂，一般认为存在两类气孔:氢气孔和由于小孔的破灭而产生的气孔。氢气孔是由于氢（主要来自表层的湿气与微量水）在熔池金属中的可溶性引起的，激光焊接冷却速度极快，导致氢的溶解度急剧下降形成氢气孔。由于小孔塌陷而形成的孔洞，主要是由于小孔表面张力大于蒸气压力，不能维持稳定而塌陷，液态金属来不及填充就造成孔洞。另外，低熔点、高蒸气压合金元素蒸发导致气孔，表面氧化膜在焊接过程中溶解到熔池中也会形成气孔。

从氢气孔的形成原理可知，表层物质是氢元素的主要来源，因此选择正确的焊前表面预处理可以有效地减少氢气孔的产生。对于由小孔塌陷引发的气孔，则要求选择适当的保护气体并合理控制流量流速，在条件允许下采用高功率、高速度、大离焦量(负值)的焊接方式，可以进一步消除气孔的产生。

2.热裂纹

铝合金的焊接裂纹都是热裂纹，与冷却时间（或焊接速度）密切有关，主要有结晶裂纹和液化裂纹。铝合金激光焊接产生的结晶裂纹是由于焊缝金属结晶时在晶界处形成低熔点共晶化合物导致的，焊缝金属氧化生成的Al2O3和AlN也会成为微裂纹的扩展源。液化裂纹是熔化的铝合金在凝固过程中局部塑性变形量超过其本身所能承受的变形量的结果。

目前常用的消除热裂纹的方法是使用填充材料，即填丝，这能有效地防止焊接热裂纹，提高接头强度。此外，调整激光能量的输入方式，合理选择脉冲点焊时的脉冲波形，焊缝熔化凝固重复进行，以降低熔池凝固时的凝固速度，这种在凝固过程中增加热循环的控制方法同样可以减少结晶裂纹。

3.Mg、Zn等元素的烧损

使用激光焊接铝合金时，焊缝的加热和凝固速度都非常快，这使得Mg，Zn 等低熔点强化元素发生烧损，导致焊缝硬度和强度下降。Mg 的沸点为1 380 K，比Al 的2 727 K低，Mg首先蒸发烧损。烧损现象使得焊缝成型时的晶粒大小严重不均匀，从金属学角度讲，大晶粒的存在破坏合金元素的强化作用，导致焊缝的强度明显比母材低。

防止合金元素的烧损主要从控制合金成分入手，在保证铝合金质量和接头要求的前提下，降低Mg的含量，添加Mn、Si等元素。

四、铝合金激光焊接的工艺参数

铝激光焊接的工艺参数主要有: 功率密度、焊接速度、焦点位置、保护气体种类及流量等，它们直接决定着焊缝成形。

1.功率密度

激光的功率密度是决定焊缝熔深的最主要因素。当其他工艺参数保持不变时，随着功率密度的增大，焊缝深宽比增大。因为功率密度增大时，蒸汽压力能克服熔化成液态金属的表面张力和静压力而形成小孔，小孔有助于吸收光束能量——“小孔效应”。但是如果功率密度过大，使金属强烈汽化，严重烧损合金，焊缝成型组织的晶粒过大，焊缝的硬度和强度均下降。并且，大量的光致等离子体的冷却和屏蔽作用，使得熔深反而下降。

2.焊接速度

在其他工艺参数不变的情况下，熔深随焊速的增加而减小，焊接效率随焊速的增加而提高。但是速度过快，到达焊缝处的线能量密度较低，会使熔深达不到焊接要求；速度过慢，则线能量密度过高，母材过度熔化和烧损，降低接头性能，甚至引发热裂纹。因此，对一特定厚度的铝合金工件，选择确定激光功率密度之后，存在着既能维持合适的焊缝深宽比又不会使工件过热的最佳焊速，这可以从以往的生产实践中总结经验或者查阅相关文献获得。

3.焦点位置

研究表明，铝合金激光焊接的焦点位置与熔深的关系如图2所示。我们可以看出，熔深随焦点位置的变化有一个跳跃性变化过程：当焦点处于偏离工件表面较大(2 mm)时，工件表面光斑尺寸较大，因此光束能量密度较低，属于以热传

导为主的熔化焊，熔深较浅； 而当焦点靠近工件表面某一位置(2 mm)时，工件表面入射光束能量密度值增大到临界值，产生小孔效应，因此熔深发生跳跃性增加。经试验得到，当焦点位置在工件表面上方1 mm 处时焊缝熔深最大。

图2 焦点位置对焊缝熔深的影响

4.保护气

和电子束焊接相比，激光焊接不需要真空环境，但焊接铝合金需采用保护气体，其目的是抑制光致等离子体，并排除空气使焊缝免受污染。光致等离子体的形成不仅来自被离子化的金属母材蒸汽，而且和保护气体本身性质也有很大的关系。通过增加电子与离子和中性原子三体碰撞来增加电子的复合速率，以降低等离子体中的电子密度。中性原子越轻，碰撞频率越高，复合速率越高；另一方面，保护气体本身的电离能应该高，不致因气体本身的电离而增加电子密度。铝合金激光焊接传统上采用的保护气体主要有三种：Ar、N2、He。理论上He最轻且电离能最高，但是在较低功率、较高焊速下，由于等离子体很弱，不同保护气体差别很小。研究表明，在相同条件下，使用N2容易诱导小孔，主要是N2和Al 之间可发生放热反应，生成的Al－N－O 三元化合物对激光的吸收率要高一些，纯N2 会在焊缝中产生AlN 脆性相，同时易形成气孔。而采用惰性气体保护时，由于质轻而逸出，气孔形成机率小，因此采用混合气体保护效果较好。现在也有采用Ar－O2，N2－O2等气体进行铝合金激光焊接的研究越来越多。

五、先进的铝合金激光焊接技术 1.铝合金的激光-电弧复合焊

现在激光焊接铝合金还处于发展阶段，设备成本高、接头间隙允许度小、工件准备工序要求严等制约了纯激光焊接铝合金的应用。目前，激光-电弧复合焊在德国和日本等发达国家研究比较多，激光-电弧复合主要是激光与TIG电弧、MIG电弧及等离子体复合，分别如图3、4所示。这种工艺在汽车制造业中已有一定的应用，如德国大众汽车公司的Phaeton前门上就有48处激光-M IG焊道，而且还可以用来焊接车体及轮轴。铝合金激光-电弧复合焊很好地解决了激光焊接的功率、铝合金表面对激光束的吸收率以及深熔焊的阈值等问题。这是因为焊接铝合金时，激光与电弧的相互影响，可以克服单用激光或电弧焊方法自身的不足，产生良好的复合效应——两种热源同时作用在一个相同区域的叠加效应——高的能量密度导致了高的焊接速度，显著提高焊接效率。

图3 激光-TIG复合焊接铝合金原理图

图4 激光-MIG复合焊接铝合金原理图

2.铝合金的双光束激光焊接

单束激光焊接铝合金时，由于小孔的塌陷而容易产生气孔。李俐群[10]等学者研究表明，采用如图5所示的双光束焊接铝合金，焊缝成形美观、无飞溅或凹坑等缺陷，对焊接参数适应性更好；等离子体稳定性提高；气孔大大减少。这是因为采用双光束激光焊接时，第一束激光产生熔池，并对焊接区域附近进行预热积累热量。当第二束激光照射该处时，更多的母材能够熔化，从而使得形成焊缝更宽。同时，第二束激光能把第一束激光形成的小孔后壁气化，防止其塌陷，大大减小了形成气孔的几率。双光束激光焊接铝合金的技术已经在德国军用飞机EADS进气管的焊接上得到了应用。

图5 双光束激光焊接铝合金的原理图

3.铝合金激光填丝焊技术

在新兴的铝合金焊接技术中，搅拌摩擦焊需要针对被焊母材的形状和接口要求设计专用夹具，铝合金激光填丝技术则解决了对工件装夹、拼装要求严的问题，而且用较小功率激光器就能实现厚板窄焊道的多层焊。另外通过调节焊丝成分，改善焊缝区组织性能，对裂纹等缺陷更易控制，显著提高铝合金焊接稳定性与适应性。铝合金激光填丝焊示意图如图6所示。

图6 铝合金激光填丝焊示意图

六、铝合金激光焊接的前景展望