激光焊接技术的研究现状与应用

激光焊接技术的研究现状与应用

张文毓

(河南省洛阳船舶材料研究所,河南洛阳471039)

摘　要:激光焊接是激光加工材料加工技术应用的重要方面之一。以美国、欧盟、日本为首的工业发达国家非常重视激光技术的发展与应用,都将激光技术列入国家发展计划中,投以巨资。目前激光焊应用领域主要有:制造业、粉末冶金、汽车工业、电子工业、生物医学、航空航天工业、造船工业等。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趋势等方面进行了综述。希望对激光焊接技术的研究现状与应用有一个比较全面的了解。

关键词:激光焊接;应用;发展;趋势

中图分类号:T G456.7文献标志码:A

R esearch Situation and Application of Laser Welding T echnology

ZHAN G Wenyu

(L uoyang Ship Material Research Institute,L uoyang471039,China)

Abstract:The laser welding is one of important aspects OF laser processing material processing technology application. Many developed countries such as US,European Union,J apan attach great importance to the development and application of laser technology.They are all putting the laser technology into their national development plan,and invest a large amount of money.At present its application domain mainly includes manufacturing,powder metallurgy,automobile industry,elec2 tronics industry,biomedicine,aerospace industry,shipbuilding industry and so on.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 com2 prehensive understanding to the laser welding technology research situation and application.

K ey w ords:laser welding,application,development,tend

激光焊接技术的发展历经了固体受激物质→气体受激物质→固体受激物质、脉冲激光焊接→连续激光焊接、低功率→高功率、薄板→厚件、低速→高速、低频→高频及低效→高效的历史。20世纪70年代主要用于焊接薄壁材料和低速焊接,焊接过程属于热传导型,即激光辐射加热工件表面,表面热量通过热传导向内部扩散,通过控制激光脉冲的宽度、能量、峰值功率和重复频率等参数,使工件熔化,形成特定的熔池。由于激光焊接作为1种高质量、高精度、低变形、高效率和高速度的焊接方法,随着高功率CO2和高功率的YA G激光器以及光纤传输技术的完善、金属钼焊接聚束物镜等的研制成功,使其在机械制造、航空航天、汽车工业、造船工业、粉末冶金、生物医学、微电子行业等领域的应用越来越广。

1　激光焊接技术概况

与其他传统焊接技术相比,激光焊接的主要优点是速度快、深度大、变形小;能在室温或特殊条件下进行焊接,焊接设备装置简单;可焊接难熔材料如钛、石英等,并能对异性材料施焊,效果良好等。同时,激光焊接也存在着一定的局限性,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。激光器及其相关系统的成本较高,一次性投资较大[1]。

2　国内外激光焊接技术的研究现状

2.1国外焊接技术的研究现状

以美国、欧盟、日本为首的工业发达国家非常重视激光技术的发展与应用,都将激光技术列入国家发展计划中,投以巨资。仅就激光焊接这一加工技术,先后将其与航空工业、航天工业、核能设备、国防武器工业、造船工业、汽车工业、铁路车辆工业、机械零部件、电子工业、建材业及家电业等分别组合,利用集成和系统的工程方法进行经费资助,研究开发。目前激光焊接技术已达到与传统产业相融合,将其制订为行业技术标准或工艺,成为一项成熟的技术[2]。

激光焊接技术的进展主要是美国在bender造修船有限公司成功完成了激光焊接系统焊接船体平面分段的试验。该项目是在美国国家造船先进连接工艺计划、综合激光光学控制焊接项目计划和海军研究局小企业创新研究项目计划的共同支持下完成的[3]。

美国海军已采用激光技术用于军船制造,德国已大量采用大功率激光用于潜艇结构件或零部件连

・

8

4

・《新技术新工艺》・热加工工艺技术与材料研究　2009年　第1期

接,因此大力推广大功率激光造船技术是一项亟待解决的问题[4]。

2.2　国内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1kW以下的固体YA G 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400M Pa和800M Pa2种超细晶粒钢的激光焊接试验,并与等离子弧焊接、MA G焊接进行了比较[5]。

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[6]。

3　激光焊接技术的应用

目前激光焊应用领域的扩大,主要应用于:制造业应用、粉末冶金领域、汽车工业、电子工业、生物医学、塑料激光焊接应用、新材料激活激光焊接应用、航空航天工业、造船工业、其他领域如对B T20钛合金、H El30合金、Li-io n电池等激光焊接。

3.1　制造业应用

激光拼焊(Tailored Bland Laser Welding)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。日本在世界上首次成功开发了将YA G激光焊用于核反应堆中蒸汽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[7]。

3.2　粉末冶金领域

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,它与其他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20世纪80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,采用激光焊接可以提高焊接强度以及耐高温性能[8]。

3.3　汽车工业

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。[9]

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[10]。

3.4　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。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[11]。

3.5　生物医学

生物组织的激光焊接始于20世纪70年代, Klink等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目前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[12]。激光焊接作为一种焊接牙科合金的新技术,经过十余年的设备改进,技术更新,在口腔修复领域的应用逐步增多,日趋成熟。主要应用于钛合金,金合金和镍铬,钴铬合金的焊接,适用于铸造支架、烤瓷冠桥、附着体等的焊接[13]。

3.6　塑料激光焊接应用

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

・

9

4

・

《新技术新工艺》・热加工工艺技术与材料研究　2009年　第1期