激光焊的应用与发展讲解

激光焊的工业应用与发展趋势

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摘要：激光焊因其具有高能量密度、深穿透、高精度、适应性强等优点而受到各发达国家的高度重视,目前在很多高新技术领域中都得到了广泛的应用,尤其是激光焊接技术已在多种制造业中如电气电子工业、汽车、钢铁、重工业、建筑机械及维修技术等方面得到应用.文章主要分析了激光焊的原理及其在实际生产中的应用与发展.激光焊接作为一种高质量、高精度和高速度的先进焊接法,已引起了广泛关注.

关键词：激光焊特点工业应用发展趋势

1 引言

激光焊是利用高能量密度的激光束作为源进行焊接的一种高效精密的焊接方法.激光焊具有高能量密度、深穿透、高精度、适应性强等优点而受到各发达国家的重视.激光焊对于一些特殊的材料及结构的焊接具有非常重要的作用,这种焊接方法在航天航空、电子、汽车制造、核动力等高新技术领域中得到应用,并日益受到工业发达国家的重视.

2 激光焊的原理

激光焊接时,激光照射到被焊接材料的表面,与其发生作用,一部分被反射,一部分进入材料的内部.

激光焊接的原理: 光子轰击金属表面形成蒸汽,蒸发的金属可防止剩余能量被金属反射掉.如果被焊金属有良好的导热性能,则会得到较大的熔深.激光在材料表面的反射、透射和吸收,本质上是光波的电磁场与材料相互作用的结果.激光的光波入射材料时,材料中的带电粒子依着光波电矢量的步调振动,使光子的辐射变成了电子的动能.物质吸收激光后,首先产生的是某些质点的过量能量,如自由电子的动能、束缚电子的激发能或者还有过量的声子.这些原始激发能经过一定的过程再转化为热能.激光加工时,材料吸收的光能转换是在极短的时间(约为10～9s)内完成的.在这个时间内,热能仅仅局限于材料的激光辐照区,而后通过热传导,热能由高温区传向低温区[1].

3 激光焊的特点

（1）热量输入很小,焊缝深宽比大,热影响区小,工件收缩和变形很小,无需焊后矫形.

（2）焊缝强度高,焊接速度快,焊缝窄且通常表面状态好,免去焊后清理等工作.

（3）焊接一致性、稳定性好,一般不加填充金属和焊剂,并能实现部分异种材料焊接.

（4）光束易于控制,焊接定位精确,易于实现自动化.

（5）与其他焊接工艺方法比较,激光焊接的前期投资较大.

（6）被焊工件装配精度高,相对而言对光束操控的精确性也有较高的要求.

4 激光焊接在工业中的应用情况

激光焊接与其它传统焊接工艺相比,有着许多优点.其最主要的优势之一就是能够将激光束集中于非常狭小的区域,从而产生高能量密度的热源,随后,该集中热源快速扫过被焊接缝,在这方面,激光束焊接可与电子束焊接相比拟,但激光焊接却有着优于电子束焊接的特点,即激光焊接可在大气压下进行,而无需真空室.通过视窗、透镜及光纤,可以实现远程位置与多工

作台的激光焊接,而且,激光焊接还可以在焊条和电子束无法达到的三维构件内部细微区域中实施.与电子束焊接类似,激光焊接可以实现单面焊接双面成形,复层结构也可采取单面激光焊接,所以,对于那些用其它方法需从双面焊接的接头,如果采用激光焊接工艺,则可从单面施焊.这种灵活性开辟了接头设计的许多新思想,特别是针对某些包含不可接触表面的构件.

4.1 激光焊接在国外汽车工业中的应用

4.1.1 白车身激光焊接

汽车工业中的在线激光焊接大量用在白车身冲压零件的装配和连接上.主要应用包括车顶盖激光焊、行李箱盖激光钎焊及车架激光焊接.

另一项比较重要的车身激光焊接应用,是车身结构件（包括车门、车身侧围框架及立柱等）的激光焊接.采用激光焊的原因是可提高车身强度,并可解决一些部位难以实施常规电阻点焊的难题.

4.1.2 不等厚激光拼焊板

车身制造采用不等厚激光拼焊板可减轻车身重量、减少零件数量、提高安全可靠性及降低成本.此项应用最早源于1985年Audi100的底板拼焊,目前已推广到世界几乎各大汽车公司.

采用激光拼焊板所带来的好处也显而易见.如某车型的侧围门内板采用三块板拼焊在一起,在原材料成本不增加的前提下,较采用单张普通板材单车可节省用材16kg,提高了材料利用率；如果在不影响整车强度及耐蚀性的前提下,根据需要将不同部位的材料做局部替换（如用裸板代替镀锌板或用薄钢板代替较厚板）,然后激光拼焊到一起单车可降成本13美元. 4.1.3 齿轮及传动部件焊接

20世纪80年代末,克莱斯勒公司的Kokomo分公司购进九台6kWCO2激光器,用于齿轮激光焊接,生产能力提高40%.90年代初,美国三大汽车公司投入40多台激光器用于传动部件焊接.奔驰公司经研究利用激光焊接代替电子束焊接,因为前者焊缝热影响区小.美国福特汽车公司用4.7kWCO2激光器焊接车轮钢圈,钢圈厚1mm,焊接速度为2.5m/min.该公司还采用带有视觉系统的激光焊接机,将六根轴与锻压出来的齿轮焊在一起,成为轿车自动变速器的齿轮架部件,生产率为200件/h[2].

4.2 光纤激光焊在造船及海洋工程方面的应用

目前,许多轮船都是先制造出许多独立的局部组件结构单元,再在水中的船台上一个个进行组装.采用激光焊技术制造海洋建筑物局部组件非常合适,因为它结合了焊接切割自动化技术与激光技术.与弧焊方法相比,采用该技术可以大大提高生产率.

造船中,采用光纤激光技术,可以无需进行焊接边缘预处理和焊前或焊后热处理就能将部件焊接在一起.与弧焊相比,激光焊的焊接接头窄,热影响区小,而且没有传统弧焊方法中出现的由于弧吹或电极磨损引起的焊接缺陷.所以,接头采用光纤激光焊,可以实现新的焊接结构设计,这在以前是不可能实焊接接头比弧焊焊接接头更加经济, 质量更好[3].

4.3 激光焊在飞机制造中的应用

激光束焊具有能量密度高,热影响区小,空间位置转换灵活,可在大气环境下焊接,焊接变形极小等优点.它主要应用于飞机大蒙皮的拼接以及蒙皮与长桁的焊接,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,而是应用了先进的钣金成形技术后,采闲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.

近年来激光焊也多见于薄壁零件的制造中,如进气道、波纹管、输油管道、变截面导管