硕士毕业论文开题文献综述报告

硕士毕业论文开题文献
综述报告
姓名：于思彬
专业：材料加工
学号：2009432059
论文题目：超高强度钢的激光焊接研究
吉林大学硕士毕业论文开题文献综述报告目录
目录
1、前言 (1)
2、激光焊接的工艺特点及其应用 (2)
2.1激光焊接特点 (2)
2.2 激光焊接优势 (3)
2.3 激光焊接参数的影响 (3)
2.3.1焊接速度的影响 (3)
2.3.2 离焦量的影响 (4)
2.3.3 激光功率的影响 (5)
2.4 激光焊接应用 (6)
2.4.1国外概况 (6)
2.4.2国内概况 (7)
3 高强钢焊接机理及激光焊接性分析 (8)
3.1激光与材料的相互作用 (8)
3.1.1激光与材料作用的一般规律 (8)
3.1.2作用过程的物理描述 (8)
3.2 焊接性分析 (10)
4 激光焊接研究现状 (11)
5 本论文的主要研究内容 (12)
6 参考文献 (13)
1、前言
钢铁材料为人类的进步做出了不可磨灭的贡献，特别是进入工业时代以后，钢铁材料更是成为了工业的基础。

在汽车车身制造领域钢铁材料一直处于统治地位。

但随汽车产量与保有量的不断增加，如1985年全世界汽车总产量达4503万辆，保有量达4.71亿辆，2005年全世界汽车产量达6772万辆，保有量6.5亿万辆。

汽车工业发展，产量增加，保有量的提高产生出了三个问题。

其一能耗增大，二是环保和排放污染严重，三是安全交通事故增加。

减低油耗可以通过提高发动机效率，增大传动效率等来实现，但实验表明，油耗跟汽车重量成线性关系，汽车自重下降10%，在其他条件不变的情况下，油耗可降6%～8%[1]，油耗降低意味着排放的减少，因此通过降低汽车重量来实现节能减排是最具有优势的。

汽车轻量化并不是盲目的追求减小车重，其内涵是在保证汽车性能不受影响的前提下，既要有目标的减轻汽车自重，又要保证汽车行驶的安全性和舒适性等，同时使汽车本身的造价不被提高。

此外，减小汽车质量能降低动力及动力传动系统的负荷，使汽车可以在较低的牵引力下表现出更好的性能[2]。

降低汽车重量，从车身材料出发，主要可以通过两种途径来实现，一是采用轻质材料，譬如铝合金、工程塑料和复合材料。

奥迪公司在1995年首先批量生产的AudiA8型轿车是使用铝质材料制造汽车车身的最具代表性的成功之作，其采用铝合金挤压车架，质量降低了35%，抗扭强度增加了50%[3]。

第二个途径就是使用车用先进高强钢（Advanced High Strength Steel），其抗拉强度在500MPa以上，因此可以通过减小车身板厚来降低车身重量。

实验表明：除疲劳强度外，压溃强度、抗撞吸能、压痕抗力、模量值均正比于板材厚度和相应的材料性能。

倘若材料强度提高，在所需性能不变的前提下，则板材厚度可以减薄，这样就可以减轻构件的重量。

为此，国际钢铁协会（IISI)的钢铁材料供应厂家从1994年到1998年联合世界18个国家的35家钢铁企业共同推进了超轻型钢制车体ULSAB(Ultra-Light Steel Auto Body)、ULSAC(Ultra-Light Steel Auto Closure)、ULSAS(Ultra-Light Steel Auto Suspension)的研究开发项目。

该项目中先进高强钢的使用率高达91%[4-5]。

采用先进高强钢代替传统的低碳钢板，对减
轻车身自重、减低油耗、提高汽车构件强度、保证乘客安全意义重大。

文献[6]指出，采用高强度钢还能提高白车身的弯曲刚度、扭转刚度及相应的振动频率，从而有利于提高汽车的NVH性能。

近几年，先进高强钢已经逐渐成为极具竞争力的汽车轻量化材料，在汽车上的应用比例也在不断地增加。

与其他材料相比，先进高强钢在抗碰撞性能、耐蚀性能和成本方面，都具有较大的优势。

目前先进高强钢主要包括双相(DP)钢、相变诱导塑性(TRIP)钢、马氏体(M)钢、复相(CP)钢、热成形(HF)钢和孪晶诱导塑性(TWIP)钢。

超高强度钢是通过热成形工艺加工得到的，因为其能量吸收率高和防撞凹性能好等综合优势，可以用于制造抗冲击和碰撞的汽车构件，如门加强板，侧围B 柱等，并迅速发展为汽车制造中应用前景最为看好的轻量化结构材料之一[7-11]。

但由于超高强度钢特殊的物理化学属性，它具有极高的屈服强度和硬度值,使得在焊接过程中塑性变形很困难，焊接工艺性能比较难控制，传统交流焊接工艺难以实现超高强度钢板的点焊连接，无法解决因为飞溅等因素带来的质量问题。

因此，超高强度钢的焊接工艺是汽车生产过程中急需解决的关键技术。

激光焊接因为其独特的技术优点可以很好的解决传统工艺焊接过程中出现的问题。

国内汽车生产企业对超高强度钢的激光焊接有迫切的需求，随着超高强度钢应用的日益增长，该项技术在汽车行业将有广阔的应用前景。

因而对超高强度钢的激光焊接工艺及接头性能的研究具有重要的理论意义和重大的实际价值。

2、激光焊接的工艺特点及其应用
2.1激光焊接特点
激光焊接具有焊接速度快、能量密度高、热输入量小、柔性好、自动化程度高、焊接接头质量优异、焊接接头变形小等一系列优点[12-15]，20世纪80年代以来，随大功率激光器的出现，激光焊接技术在汽车、造船、航天航空领域都得到广泛的应用。

激光焊接工艺能够向工件传输高于104W/mm2的能量密度,因此,其深宽比较大（最高可达12:1），焊接质量好。

此外，激光焊接有许多优势所在,如可以通过透明介质对密闭容器里的材料进行焊接；可焊接难熔化材料，并能对
异种金属进行焊接；能实行全方位焊接；激光束聚焦后可获得很小的光斑，能精确定位，实行精密焊接；对于固体激光器，其激光束的传输能利用光纤进行远距离传输，能进行分光束多工位加工，并且加工柔性好，自动化程度高；与电子束焊接相比，激光束焊接不需要真空环境，保护气成分、压力可选择，焊接不受电磁影响[16]。

激光焊接也有不足之处，如其投资成本较高、对装配精度要求较高等。

激光焊接按焊接时熔池的形态分为两种形式：
(1) 热传导焊即是将高强度的激光束辐射到金属表面，光能量仅被表层吸收，不产生非线形或小孔效应，通过激光与金属的相互作用，使金属熔化后形成焊接。

(2) 深熔焊接激光焊接是能量通过“小孔”转换机制结构来完成。

在足够高的功率密度光束照射下，材料产生蒸发形成小孔。

这个充满蒸汽的小孔，几乎能全部吸收入射光束能量。

热量从这个高温小孔传递出来，使包围着这个小孔腔四周的金属熔化，孔壁外液体流动和壁层表面张力与孔腔内连续产生的蒸汽压力相持并保持着动态平衡，由此而产生连续的焊缝。

2.2 激光焊接优势
1)由于聚焦激光束比常规方法具有高得多的功率密度，导致焊接速度快，热影响变形都较小，还可焊接钦、石英等难焊材料。

2)因为光束容易传输和控制，又不需要经常更换焊炬、喷嘴，显著减少停机辅助，所以有荷系数和生产效率都高。

3)由于纯化作用和高的冷却速度，焊缝强度、韧性和综合性能高。

4)由于平均热输入低，加工精度高，可减少再加工费用;另外，激光焊接运转费较低，从而可降低工件成本。

5)容易实现自动化，对光束强度与精细定位能进行有效控制[17-22]。

2.3 激光焊接参数的影响
2.3.1焊接速度的影响
激光焊接时激光是通过很小的直径向材料“注入”热量，材料的升温速度很快，材料能在很短的时间内达到很高的温度。

工件的穿透深度可以通过激光功率
密度来控制。

激光焊接时材料的熔化在很短的周期内完成，并以很快的速度凝固，导致焊缝组织与常规熔凝组织区别较大。

熔化金属首先在固液相界面结晶，然后向熔化区内部迅速长大。

在激光功率和离焦量等条件不变的情况下，焊接速度是影响焊缝熔池形状及焊接质量的重要工艺参数。

焊接速度不同，熔池中心及边缘温度梯度、液态合金材料的散热情况、熔深熔宽、熔池形状也就不同。

为了了解焊接速度对焊缝成形和焊接质量的影响，选用不同焊接速度进行了实验，保护气体为N2气。

焊接时，可以用线能量来描述焊件接受激光辐射能量的情况，线能量是指单位长度焊缝接受的激光能量。

焊接速度主要影响焊缝熔深和熔宽。

在一定的激光功率下，提高焊接速度，焊接的线能量下降，熔深减小。

因而适当降低焊接速度可加大熔深。

实验表明，熔深随焊接速度的增加几乎呈线性下降。

激光焊接时，要根据材料的热物理性质、焊接接头形式和工件厚度等条件选择焊接速度，应能使材料吸收到足够的激光能量，实现充分的熔化，获得理想的熔深。

但若焊接速度过低，熔深不会再增加，反而使焊缝熔宽增大。

说明由于线能量增加，熔化区加大，同时小孔区的温度上升，等离子体的浓度增加，对激光的吸收系数增加。

速度低至一定值，穿透等离子体到达小孔底部的激光功率密度过小，不足以汽化材料，金属蒸汽压不足以维持小孔，小孔不仅不再加深，甚至使小孔崩溃，焊接过程蜕变为传导型。

对于给定的激光功率等条件，存在一维持深熔焊接的最低焊接速度，在此最低焊速下的熔深为给定焊接条件下的最大熔深。

因此，焊接速度过低时，会导致材料发生强烈的汽化或焊穿；焊接速度过高时，焊缝浅，焊接接头性能差，对高强度镀锌钢板激光焊接，则易导致镀锌层大面积蒸发或剥落，过大的焊接速度也将增大气孔和孔洞倾向，影响焊件质量。

2.3.2 离焦量的影响
聚焦镜是较接近工件表面的光学元件。

实际上，经透镜聚焦的光束在焦平面
附近有一个直径和长度均很小的束腰，该束腰直径即为光斑直径d0，焦点位于最小束腰位置，强度最大。

束腰长度即为焦深b0，焦点两侧焦深范围内的激光强度略有降低(约为焦点强度的5%)。

光斑直径较难精确计算或测量出，但可以通过聚焦镜的焦距f和发散角θ的乘积来估算，d0=fθ。

它的具体数值是根据加工要求来确定的，又选定的光斑直径d0可以把透镜的焦距f确定下来。

离焦量是指最佳光斑尺寸与工件之间的距离。

离焦量不仅影响工件表面光斑直径的大小，而且影响光束的入射方向，因而对焊缝形状、熔深和横截面积有较大影响。

激光焊接之前需要调整激光相对工件位置的高度距离，以便能使材料接受到最大的激光辐射。

因为激光束焦点处光斑中心的功率密度高，容易使金属蒸发成孔。

因此，激光焊接通常需要有一定的离焦量。

在进行实际激光焊接时，激光焦点不一定是恰好在待焊工件的表面上，有时在表面上方或下方。

在离开激光焦点的各个平面上，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，正负离焦量相等时，相应平面上功率密度近视相等，但实际上所获得的熔池形状不同。

负离焦时，小孔内的功率密度比工件表面的高，蒸发更加强烈，可获得更大的熔深这与熔池形成过程有关。

根据焊接实践证明，导光聚焦系统一定时，存在一最佳焦点位置范围，使整个焊接过程处于稳定深熔焊，激光焦点位于工件厚度的1/3深度时往往能获得理想的焊缝。

2.3.3 激光功率的影响
激光器的输出功率是激光焊接中最重要的工艺参数，随着激光器输出功率的不同，材料在焊接加热的过程中伴随着一系列的物理的、化学的、力学的及冶金的变化也不相同，这些变化都直接或间接地影响到焊接接头的力学性能和组织结构。

激光器输出功率越大，熔池吸收热量越多，使得接头区增强相颗粒与基体间更易于发生反应、甚至导致增强颗粒的烧损、熔池中晶粒粗大等，从而恶化接头的性能。

为形成小孔效应，保证高强度镀锌钢焊透，使聚焦光斑具有足够高的功率密度，需要足够的输出功率，但在其他条件不变的情况下，当功率超过一定值时，易出现焊接缺陷，如焊缝不光滑、不平整，或出现咬肉，同时焊缝和热影响区也会变宽增大。

另外焊接功率过大也将增大气孔和孔洞倾向。

选取适当的激光焊接功率，从而获得所需的焊缝熔宽和熔深、良好的焊缝质量。

2.4 激光焊接应用
2.4.1国外概况
激光焊接是工业发达国家汽车车身制造中应用广泛的另一种成熟工艺。

采用激光焊接技术取代传统的焊接工艺，不仅可以提高焊接质量，改善车身部件的机械力学性能，而且可以节省材料，大大降低车身的制造成本。

世界著名的汽车公司纷纷采用激光焊接工艺用于其汽车车体的生产。

volvo(沃尔沃)是最早开发车顶激光焊接技术的厂家。

其后世界各大汽车公司纷纷效仿，如德国大众公司的Aud iA6、GolfA4、passat车型，BMW(宝马)公司的5系列和Opel(欧宝)公司的Ve c tra车型车顶均采用了激光焊接。

Audi(奥迪)汽车公司使用激光焊接生产车身辅助构架，每天可完成2000件。

BM W(宝马)、0pel(欧宝)、volvo(沃尔沃)汽车公司也已建成激光焊接和切割生产线，用于车身构架和覆盖件的制造;意大利FIAT(菲亚特)在大多数钢板组件的焊装中采用了激光焊接[23-25]。

NISS AN(日产)、HONDA(本田)和TOYOTA(丰田)汽车公司在制造车身覆盖件中都使用了激光焊接工艺。

GM(通用)汽车公司采用了车身覆盖件激光焊接生产线，用来生产1995年鲁米那4门车和蒙特卡罗2门车，使钢板的损失降低20%~30%，大大降低成本较高的镀锌钢板消耗。

在都市Develle车的制造中，采用激光焊接方法焊接高强钢的B立柱和车顶，省去了原来用于加固的冲压件，降低了工装费用，提高了焊接质量。

Soundronic公司生产的车身钢板激光焊机可连续焊接2440mm的焊缝，在一个焊接循环中实现单道或多道焊焊缝，使制造成本降低20%-30%[26-28]。

Chrysler(克莱斯勒)公司1999年大切诺基车的一体式车身侧板、门板及Ford(福特)公司Zoo1Explor/Mountaineer车的门内板都采用了激光焊接[29-30]。

至2000年，美国三大汽车公司50%的车身部件点焊生产线已被激光焊接生产线所代替。

一台大功率激光器配上数控加工系统可取代十台电阻焊机械手，且效率是电阻点焊的十倍以上。

仅仅激光焊取代电阻点焊一项平均每辆车身自重就可减轻60Kg。

激光焊接技术正向高速度、高精度、高柔性、低成本、智能化、集成化的方向发展[31]。

2.4.2国内概况
我国在20世纪70年代就开始了激光焊接的研究，是最早能用激光焊接集成电路的国家之一。

在低功率连续CO2的激光器的焊接应用方面，我国首先进行的是薄壁件的焊接，经过二十几年的努力，有了大批有水平的科研成果，0.3-10Kw 的CO2的激光器和30~400W的YAG激光器已经形成系列产品样机，特别是有了基模轴流CO2激光器，这就为我国卡站激光焊接创造了条件，激光切割、焊接、打标、热处理在汽车工业中均有广泛的应用。

国内外成功的应用时对汽车变速箱的同步环与齿轮的焊接，南京汽车厂引进意大利依维柯车的变速箱，指定采用了激光焊。

1993年以来，华中理工大学与武汉钢铁公司联合开展了汽车用镀锌板和深冲板的激光拼焊和可靠性专项研究，实验结果表明，在适当的激光焊工艺条件下，接头强度和疲劳性能都不低于母材，弯曲性能与母材相差不大。

国家自然科学基金委在1997年把“大功率CO2及YAG激光三维焊接和切割理论与技术”作为重点项目进行资助，国家产学研激光技术中心对此进行了系统研究，为在我国汽车车身制造业中应用三维激光立体加工技术做出了较大贡献，为一汽轿车、宝山钢铁公司等开展了工程技术攻关。

该课题组主要研究了CO2激光三维方位切割的人工神经网络分析、三维激光加工轨迹生成、三维工件激光加工自动编程、激光三维加工轨迹计算机仿真、三维激光加工轨迹规划等，并开发了具有自主知识产权的CAM三维加工软件UserCAM2000，初步研究了激光切割工艺参数的智能择系统[32-37]。

以上情况说明我国激光焊接在汽车工业方面的应用做了大量的工作，也取得了一定的成果，但应看到，与日本、美国、欧洲等激光焊接应用于汽车工业的发达国家相比，差距还是很大。

随着我国国民经济的发展和改革开放的深入，汽车工业已成为我国支柱产业，激光界一定要抓住机遇，提高自己的技术水平，在竞争中寻找自身的位置，尽早跨入激光焊接的先进工业大国之列。

3 高强钢焊接机理及激光焊接性分析
3.1激光与材料的相互作用
3.1.1激光与材料作用的一般规律
金属材料的激光加工主要是基于光热效应的热加工，其前提是激光为被加工材料所吸收并转化为热。

在不同功率密度的激光束的照射下，材料表面区域将发生各种不同的变化，这些变化包括表面温度升高、熔化、汽化、形成小孔以及产生光致等离子体等。

当激光功率密度I在大于104W/cm2小于106W/cm2数量级范围内时，材料表层将发生熔化，主要用于金属的表面重熔、合金化、熔覆和热导型焊接。

当激光功率密度I在大于106W/cm2数量级时，材料表面在激光束的辐射下强烈汽化，在汽化膨胀压力作用下，液态表面向下凹陷形成深熔小孔[38-40]。

与此同时，金属蒸气在激光束的作用下电离产生光致等离子体。

这—阶段主要用于激光深熔焊接、切割和打孔等。

一束空间强度和时间特性分布确定的激光照射到金属表面时，随着照射时间的推移将产生如下几个过程：
1.冲击强化过程。

2.热吸收过程。

3.表面熔化过程。

温度不断升高将导致表面熔化，随着热影响区向内部扩散，熔池也将向内部发展。

4.气化过程。

具有相当强度密度的激光束可产生气化和等离子体辐射，随着激光照射的持续，熔池的表面将产生气化，并开始生成等离子体，形成表面烧蚀。

5.复合过程。

气化物和等离子体的溅射和反向辐射对入射光产生屏蔽现象，如果照射持续进行，并满足一定条件，则屏蔽作用开始减弱并形成自动调节的菲涅尔(Feneil)吸收，即自持调整状态。

3.1.2作用过程的物理描述
激光束与材料相互作用可形成多种加工工艺，例如，有的要求激光对材料加热并去除材料，如打孔、切割和表面清洗等；有的要求将一种或多种材料加热到
熔化程度而不要求去除材料，如焊接和合金化等连接过程。

有的则要求加热到一定温度使材料产生改性(金属组织相变)，如表面强化和硬化等。

但是无论哪种加工工艺，它们所涉及的激光与物质(材料)相互作用的原理都是一样的。

2.1.2.1 激光能量的吸收
当一束激光照射到材料表面时，除一部分光子从材料表面反射外，其余部分能量渗入材料内部而被材料所吸收，渗入材料内部的光通量主要对材料起加热作用。

不同材料对不同波长入射光的吸收与反射有着很大差别，这里假设金属表面为理想平面，如果设材料表面的反射率为R，则吸收率为A=1－R。

对于大部分金属，根据实验，其反射率R约在70％～90％之间，当材料表面与空气分界且光波正入射时，R可由下式估算[41-42]
式中，n和k是复数折射率的实数和虚数部分。

对于非金属材料k=0。

一般而言，导电率高的金属材料对光波的反射率也高，表面光洁的材料反射率也高，表面粗糙、具有人为涂层的表面、加工中金属表面形成的液相和气相等都有利于提高材料对光能的吸收。

2.1.2.2 材料的熔化和汽化
材料的加热是光能转变为热能的过程。

设入射激光的功率密度为q1，材料表面的光吸收功率密度为q0，则有[43]：
q0=q1(1-R)
式中R为材料表面的反射率。

被金属表面吸收的光功率密度会深入材料内部，其规律可由朗泊定律确定：
q(z)=q0e-az
式中：q(z)—沿光束轴线方向，距金属表面深度z处的光功率密度；
a—光在材料中的吸收系数；
z—从材料表面算起的深度。

多数金属的吸收系数a=105～106cm-1。

吸收过程仅发生在被照射金属材料厚度为0.01～0.1μm的范围内，被称为金属的趋肤效应。

激光束在很薄的金属表面层内被吸收，使金属中自由电子的热运动能增加，并在与晶格碰撞的很短时间(10-11～10-10s)内把电子的能量转化为晶格的热振动能。

结果引起材料温度的升高，然后按热传导的机理向周围和内部传播，从而改变材料表面及内部各加热点的温度。

激光波长较长时，光能可以直接被材料的晶格吸收而使热振荡加剧;激光波长较短时，光能激励原子外层电子，这种激励通过碰撞而传播到晶格上（其中包括金属掺杂的影响），使光能转换成热能。

由激光照射引起材料的破坏过程，是指在足够高的功率密度的激光束照射下，被加工材料表面达到熔化和汽化温度，从而材料汽化蒸发或熔融溅出，与此同时材料内部的微裂纹与缺陷由于受材料熔凝和其它场强变化而进一步萌生和扩展，从而导致周围材料的疲劳和破坏的动力学过程。

激光功率密度过高时，材料在表面上汽化，而不再深层熔化。

如果功率密度过低，则能量就会扩散分布并加热较大体积，这时焦点处熔化深度会很小。

就材料对激光的吸收而言，材料的汽化是一个分界线[44]。

表面没有汽化，不论材料处于固相还是液相，其对激光的吸收仅随表面温度的升高而有较慢的变化；而一旦材料出现汽化并形成等离子体和小孔，材料对激光的吸收会发生突变，其吸收率决定于等离子体与激光的相互作用和小孔效应等因素。

金属材料在系列脉冲激光束的作用下，当第一个脉冲到达材料表面并被吸收时，由于材料表层的温度梯度很陡，表面上先产生熔化区域，接着产生汽化区域。

当下一个脉冲来临时，光束能量在熔融状材料的一定厚度内被吸收，此时较里层材料就能达到比表层汽化更高的温度，使材料内部汽化压力加大，促使材料外喷，把熔融状材料也一起喷出去[45-47]。

所以在一般情况下，材料是以蒸气和熔融状两种形式被去除的。

如果功率密度更高而脉宽更窄，在很短时间内多次将汽化能量输给材料，这就会在局部产生过热现象，从而引起爆炸性汽化，此时材料完全以汽化的形式被去除而几乎不出现熔融状态。

3.2 焊接性分析
(1)激光焊的焊接热循环分析。