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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 G 456. 7 文献标志码 :A Research Situation and Application of Laser Welding Technology
ZHAN G Wenyu (L uoyang Ship Material Research Instit ute , L uoyang 471039 ,China) Abstract : The laser welding is o ne of impo rtant aspect s O F laser p rocessing material p rocessing technology application. Many developed count ries such as U S , European U nion , J apan attach great impo rtance to t he develop ment and applicatio n of laser technology. They are all p utting t he laser technology into t heir natio nal develop ment plan , and invest a large amount of money. At p resent it s applicatio n domain mainly includes manufact uring , powder metallurgy , automobile indust ry , elec2 t ro nics indust ry , biomedicine , aero space indust ry , ship building indust ry and so on. The general sit uatio n of laser welding technology , t he research sit uation of do mestic and foreign laser welding technology , application of laser welding technology and t he develop ment tend of laser welding technology are summaries in t his paper. Thro ugh t his paper we get a quite co m2 p rehensive understanding to t he laser welding technology research sit uatio n and applicatio n. Key words :laser welding , applicatio n ,develop ment ,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 。

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
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
2. 1

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 ?48 ?

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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 1 kW 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 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 、 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 HA Z 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 ] 。

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 [9 ] 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 [ 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. 1 mm , 采用传 统焊接方法难以解决 , TI G 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 [ 13 ] 瓷冠桥 、 附着体等的焊接 。 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 ?49 ?

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 7 000 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

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各类金属粉雾化制作工艺

021-65147943

东建中

向你提

供雾化法制作不锈钢粉和其他金属粉末的工艺和设备,(采用五百公 斤压力的水泵时可制作注射成形粉和其它超细粉),是粉末冶金企业 的最好伴侣,可为你节省原料费用,增加产品核心竟争力,提升技术 水平。设备投资为 25 万,占地一百平方米,电力 200KW,水每天一 立方,操作工人 3 至 4 人,年产量几百吨,(可根据金属熔化能力进 行调整) 坚持用户第一,毫无保留地向用户提供全套制粉技术,是我的一 贯原则。在提供设备等硬件的同时,在软件方面,向用户传授雾化粉 末制作中各项技术诀窍,从选购原料,粉末配方,熔炼雾化, 生产过 程的工艺参数的确定和调整和产品的质量监督检查, 到合格产品出厂,

让用户完整地掌握制粉理论和工艺, 迅速入门。 同时始终以价格合理, 产品质优,品种多样,服务热情为宗旨,满足国内外广大用户的要求. 需要的设备和场地: 一中频电源和炉子,用于熔化金属用,生产的企业较多,各地都 能找到,100KVA 的,就可以使用了,五万左右。 二、高压水泵,50 至 60KW,压力在二百多公斤,价格在五万左 右,现在国内能生产的企业也很多,质量已经过关。 三、雾化装置,这是一套非标准化的设备,需要根据图纸自己加 工制作,总的造价约十二万(含技术服务的费用)。需要一个焊工、一 个钣金工老师傅及一个打下手的小工,材料市场上买,回来自己加工 制作,一个月左右能做好。通过自己制作,使投资者拥有设备制作的 技术,为今后改进创新打下基础,国内现在一些生产企业,之所以能 不断改进产品,自己拥有制作技术是一个很重要的原因。如果外购现 成的设备,其实是由别的企业给你按粉末生产系统配制,并制作其中 的雾化部分设备,你可以少花些力气。但你失去了全面掌握设备制作 技术的机会,还要多付出许多金钱。同时,你生产中使用的关键部件 如喷嘴, 对方可能会只给你一个, 让你以后需要更换新的时还得找他。 四、其它辅助设备,如水池、烘粉炉、 、气瓶、风机、真空泵、测 量仪、筛分装置、称、包装等,准备三万。 五 总的设备的投入在二十五万左右. 需要投资者具备电力 200KVA、可使用的水,每天一立方以上、 车间场地 100 平方,车间的高度在八米,生产工人三至四人。

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 [ 14 ] 。 3. 7   新材料激活激光焊接应用 激光焊接可以应用于绝大部分塑料 。塑料对近 红外线激光的吸收率也是影响激光焊接效果的重要 因素 。为克服激光焊接的局限性 , 一些塑料生产商 积极研究开发有助于改善激光透射率及吸收率的新 材料 ,并取得了可喜的进展 ,为激光焊接技术带来更 广阔的应用前景[ 15 ] 。 3. 8   航空航天工业 美国在 20 世纪 70 年代初的航空 、 航天工业中 即已利用 15 kW 的 CO2 激光器针对飞机制造业中 的各种材料 、 零部件 ,进行焊接试验及评估工艺的标 准化 。在欧盟国家中 , 意大利首先于 20 世纪 70 年 代末从美国引进 15 kW 的 CO2 激光器 ,随后由联盟 对航空发动机 、 航天工业中的各种容器及轻量级结 构立项 ,开展了长达 8 年的激光焊接应用研究 。材 料涉及钛合金 、 镍基 、 铁基高温合金等 。近年来 , 新 的应用成果是铝合金飞机机身的制造 , 用激光焊接 技术取代传统的铆钉 , 从而减轻飞机机身的重量近 20 % ,提高强度近 20 % , 此项技术计划用于空中客 车 3l8 、 380 以及一些无人驾驶飞机的制造 [ 16 ] 。 3. 9   造船工业 造船业是激光焊接应用的一个重要领域 . 造船 的主要工艺是焊接 . 采用激光焊接的优点在于可得 到高强度的焊件 ,从而在设计上可减小所用材料的 厚度 ,达到轻重量 、 高强度的目标 。美国经计算得出 航空母舰如采用激光焊接技术制造可减轻重量 200 t。 实际上当前欧洲的一些大型游轮的建造中 , 激光 焊接的应用达到 20 %左右 ,近期目标达到 50 % 。 此 外 ,海洋平台 、 潜艇的结构件还有许多激光焊接的 例子[ 17 ] 。 在其他行业中 ,激光焊接也逐渐增加 ,特别是在 特种材料焊接中 ,国内进行了许多研究 , 如对 B T20 钛合金 、 H El30 合金 [ 18 ] 、 Li - io n 电池等激光焊接 , 德国玻璃机械制造商 Glamaco Co swig 公司与 IFW 接合技术与材料试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 。

面接口要求高 ,容易产生错位 ; 容易生成气孔疏松和 裂纹 ; 焊后在母材端面之间的接口部位存在凹陷 ,焊 接过程不稳定等等[ 19 ] ,为消除或减少单热源激光焊 接的缺陷 ,人们在保持激光加热优点的基础上 ,利用 其他热源的加热特性来改善激光对工件的加热 , 从 而把激光与其他热源一起进行复合热源焊接 [ 20 ] 。 4. 2   激光焊接的控制和激光焊接的模型 在激光焊接过程熔透控制研究中 , 建立熔池形 状参数与焊接工艺之间的关系是关键问题 , 在试验 过程中 ,对熔池形状信息获知得越丰富 ,对焊接过程 熔透控制的效果越理想 。So nti 等人采用二维有限 元非线性模型进行了铝合金激光深熔焊接传输过程 的三维计算 ,得到了激光焊接的三维温度场 。刘顺 洪进行了薄板激光焊温度场的分析与数值模拟 , 建 立了有限元方程 ,并编制了相应的程序 [ 21 ] 。 4. 3   激光焊接的激光发生器及其工艺发展趋势 目前的激光焊接所使用的激光器主要为大功率 CO2 激光器和脉冲 Nd : YA G 激光器 , 激光器的发 展仍然集中于激光设备的开发研制 。在激光加工光 束质量及加工外围装置研究 , 应研究各种激光加工 工艺对激光光束的质量要求 、 激光光束和加工质量 监控技术 ,光学系统及加工头设计和研制 ,开展焊接 工艺及材料 、 焊接工艺对设备要求及焊接过程参数 监测和控制技术研究 ,从而掌握普通钢材 、 有色金属 及特殊钢材的焊接工艺 [ 22 ] 。

5

结语

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 。

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4  激光焊接技术的发展趋势
4. 1   复合焊接

械工人 ,2005 ( 3) :32236.
[ 3 ] 徐志超 . 2003 年国外舰船制造技术发展概述 [J ] . 船舶

等离子云吸收 、 反射激光 ,降低金属材料对激光 的吸收率 ,使激光的能量利用率降低 ; 对焊接母材端 ?50 ?

物资与市场 ,2004 ( 1) :24226.

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连铸连轧法生产高速电气化铁路铜银合金接触线
吴承玲1 ,王云飞1 ,赵大军2
(11 昆明冶金高等专科学校 冶金与矿业学院 ,云南 昆明 650093 ;21 云南铜业铜材有限公司 ,云南 昆明 650102)

摘  要 : 对连铸连轧法生产的 <20 mm 铜银合金杆坯 , 通过拉拔机连续拉拔成型生产铜银合金接触 线 。检测结果表明 : 产品与相同规格的纯铜线坯比较 ,抗拉强度明显提高 ,在电阻率等方面均达到新的铁 标要求 。 关键词 : 连铸连轧 ; 铜锡合金 ; 接触线 中图分类号 : T G 316. 2    文献标志码 :A Cu 2Ag Alloy Contact Wire for H igh 2Speed E lectric R ail w ay Produced B y Continuous C asting and R olling Process (SCR )
WU Chengling1 , WAN G Yunfei1 , ZHAO Dajun2 (1. Instit ute of Mining and Metallurgy , Kunming Metallurgy College , Kunming 650093 ,China ; 2. Yunnan Copper Copper Co . , L td. , Kunming 650102 ,China) Abstract : This paper describes t he application of continuo us drawing to p roduce Cu2Ag alloy contact wire f rom Cu2Ag alloy rod of < 20 mm t hat p roduced by co ntinuous casting and rolling. Test result indicates t hat t he tensile st rengt h has markedly imp roved compared wit h t he same specifications of p ure copper wire billet . Of all t he performances such as resis2 tivity are meet t he new railway requirement s standards. Key words :SCR , Cu2Ag alloy , contact wire

   接触线是电气化铁路接触网中的关键线材 , 要 求其具有良好的导电性能 ,较高的抗拉强度 ,较强的 材料硬度以及耐高温 、 耐磨损性能 。与纯铜接触线
[ 4 ] 高志国 , 吴毅雄 , 黄坚 , 等 . 船用大功率激光焊接技术 [J ] . 电焊机 ,2006 ,36 (5) :55258. [ 5 ] 彭云 , 王成 ,陈武柱 ,等 . 两种规格超细晶粒钢的激光焊

相比 ,铜银合金接触线具有高温强度高 , 耐磨性好 , 而导电率下降不大的优点 , 更适用于高速电气化铁 路 ,是各国研究开发的重点 。经过多次产业化试验 ,
bly Auto mation ,2002 ,22 ( 2) :1292135. [ 16 ] Kocak M , do s Santo s J , Riekehr S. Trends in laser beam welding technology and f ract ure assessment of weld joint s , Science and Technology of Welding & Joining ,2001 , 6 (6) :3472350. [ 17 ] 郭泽亮 . 激光焊接技术在舰船建造中的应用 [J ] . 舰船

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作者简介 : 张文毓 ( 19682) ,女 ,高级工程师 ,主要从事钛及钛 合金课题工作 ,现主要从事情报研究工作等相关 技术研究 。 收稿日期 :2008 年 8 月 10 日

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责任编辑   吕德龙 ?51 ?

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