激光焊接機(jī)的發(fā)展及應(yīng)用

1、激光焊接機(jī)技術(shù)原理

激光焊接可以采用連續(xù)或脈沖激光束加以實(shí)現(xiàn)，激光焊接的原理可分為熱傳導(dǎo)型焊接和激光深熔焊接。功率密度小于104~105 W/cm2為熱傳導(dǎo)焊，此時(shí)熔深淺、焊接速度慢；功率密度大于105~107 W/cm2時(shí)，金屬表面受熱作用下凹成“孔穴”，形成深熔焊，具有焊接速度快、深寬比大的特點(diǎn)。

其中熱傳導(dǎo)型激光焊接原理為：激光輻射加熱待加工表面，表面熱量通過熱傳導(dǎo)向內(nèi)部擴(kuò)散，通過控制激光脈沖的寬度、能量、峰功率和重復(fù)頻率等激光參數(shù)，使工件熔化，形成特定的熔池。

用于齒輪焊接和冶金薄板焊接用的激光焊接機(jī)主要涉及激光深熔焊接。

激光深熔焊接一般采用連續(xù)激光光束完成材料的連接，其冶金物理過程與電子束焊接極為相似，即能量轉(zhuǎn)換機(jī)制是通過“小孔”（Key-hole）結(jié)構(gòu)來完成的。在足夠高的功率密度激光照射下，材料產(chǎn)生蒸發(fā)并形成小孔。這個(gè)充滿蒸氣的小孔猶如一個(gè)黑體，幾乎吸收全部的入射光束能量，孔腔內(nèi)平衡溫度達(dá)2500 0C左右，熱量從這個(gè)高溫孔腔外壁傳遞出來，使包圍著這個(gè)孔腔四周的金屬熔化。小孔內(nèi)充滿在光束照射下壁體材料連續(xù)蒸發(fā)產(chǎn)生的高溫蒸汽，小孔四壁包圍著熔融金屬，液態(tài)金屬四周包圍著固體材料（而在大多數(shù)常規(guī)焊接過程和激光傳導(dǎo)焊接中，能量首先沉積于工件表面，然后靠傳遞輸送到內(nèi)部）。孔壁外液體流動和壁層表面張力與孔腔內(nèi)連續(xù)產(chǎn)生的蒸汽壓力相持并保持著動態(tài)平衡。光束不斷進(jìn)入小孔，小孔外的材料在連續(xù)流動，隨著光束移動，小孔始終處于流動的穩(wěn)定狀態(tài)。就是說，小孔和圍著孔壁的熔融金屬隨著前導(dǎo)光束前進(jìn)速度向前移動，熔融金屬充填著小孔移開后留下的空隙并隨之冷凝，焊縫于是形成。上述過程的所有這一切發(fā)生得如此快，使焊接速度很容易達(dá)到每分鐘數(shù)米。

 

2、激光焊接機(jī)分類

用于焊接的主要有兩種激光, 即CO2激光和Nd:YAG激光。CO2激光和Nd: YAG激光都是肉眼不可見紅外光。Nd: YAG激光產(chǎn)生的光束主要是近紅外光,波長為1.06Lm, 熱導(dǎo)體對這種波長的光吸收率較高,對于大部分金屬, 它的反射率為20% ~ 30%。只要使用標(biāo)準(zhǔn)的光鏡就能使近紅外波段的光束聚焦為直徑0. 25 mm。CO2 激光的光束為遠(yuǎn)紅外光, 波長為10. 6Lm, 大部分金屬對這種光的反射率達(dá)到80% ~ 90%,需要特別的光鏡把光束聚焦成直徑為0.75 - 0.1mm。Nd: YAG激光功率一般能達(dá)到4000~ 6000W左右, 現(xiàn)在最大功率已達(dá)到10000W。而CO2激光功率卻能輕易達(dá)到20000W甚至更大。

大功率的CO2激光通過小孔效應(yīng)來解決高反射率的問題, 當(dāng)光斑照射的材料表面熔化時(shí)形成小孔, 這個(gè)充滿蒸氣的小孔猶如一個(gè)黑體, 幾乎全部吸收入射光線的能量, 孔腔內(nèi)平衡溫度達(dá)25000e左右, 在幾微秒的時(shí)間內(nèi), 反射率迅速下降。CO2激光器的發(fā)展重點(diǎn)雖然仍集中于設(shè)備的開發(fā)研制, 但已不在于提高最大的輸出功率, 而在于如何提高光束質(zhì)量及其聚焦性能。另外, CO2激光10kW以上大功率焊接時(shí), 若使用氬氣保護(hù)氣體, 常誘發(fā)很強(qiáng)的等離子體, 使熔深變淺。因此,CO2激光大功率焊接時(shí), 常使用不產(chǎn)生等離子體的氦氣作為保護(hù)氣體。

用于激發(fā)高功率Nd: YAG晶體的二極管激光組合的應(yīng)用是一項(xiàng)重要的發(fā)展課題, 必將大大提高激光束的質(zhì)量, 并形成更加有效的激光加工。采用直接二極管陣列激發(fā)輸出波長在近紅外區(qū)域的激光, 其平均功率已達(dá)1kW, 光電轉(zhuǎn)換效率接近50%。二極管還具有更長的使用壽命(10 000h), 有利于降低激光設(shè)備的維護(hù)成本。二極管泵浦固體激光設(shè)備(DPSSL)的開發(fā)。

 

3、激光焊接機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域

制造業(yè)

激光拼焊(TailoredBlandLaserWelding)技術(shù)在國外轎車制造中得到廣泛的應(yīng)用，據(jù)統(tǒng)計(jì)，2000年全球范圍內(nèi)剪裁坯板激光拼焊生產(chǎn)線超過100條，年產(chǎn)轎車構(gòu)件拼焊坯板7000萬件，并繼續(xù)以較高速度增長。國內(nèi)生產(chǎn)的引進(jìn)車型Passat，Buick，Audi等也采用了一些剪裁坯板結(jié)構(gòu)。日本以CO2激光焊代替了閃光對焊進(jìn)行制鋼業(yè)軋鋼卷材的連接，在超薄板焊接的研究，如板厚100微米以下的箔片，無法熔焊，但通過有特殊輸出功率波形的YAG激光焊得以成功，顯示了激光焊的廣闊前途。日本還在世界上首次成功開發(fā)了將YAG激光焊用于核反應(yīng)堆中蒸氣發(fā)生器細(xì)管的維修等，在國內(nèi)蘇寶蓉等還進(jìn)行了齒輪的激光焊接技術(shù)。

 

粉末冶金

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，許多工業(yè)技術(shù)上對材料特殊要求，應(yīng)用冶鑄方法制造的材料已不能滿足需要。由于粉末冶金材料具有特殊的性能和制造優(yōu)點(diǎn)，在某些領(lǐng)域如汽車、飛機(jī)、工具刃具制造業(yè)中正在取代傳統(tǒng)的冶鑄材料，隨著粉末冶金材料的日益發(fā)展，它與其它零件的連接問題顯得日益突出，使粉末冶金材料的應(yīng)用受到限制。在八十年代初期，激光焊以其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)入粉末冶金材料加工領(lǐng)域，為粉末冶金材料的應(yīng)用開辟了新的前景，如采用粉末冶金材料連接中常用的釬焊的方法焊接金剛石，由于結(jié)合強(qiáng)度低，熱影響區(qū)寬特別是不能適應(yīng)高溫及強(qiáng)度要求高而引起釬料熔化脫落，采用激光焊接可以提高焊接強(qiáng)度以及耐高溫性能。

 

汽車工業(yè)

20世紀(jì)80年代后期，千瓦級激光成功應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)，而今激光焊接生產(chǎn)線已大規(guī)模出現(xiàn)在汽車制造業(yè)，成為汽車制造業(yè)突出的成就之一。德國奧迪、奔馳、大眾、瑞典的沃爾沃等歐洲的汽車制造廠早在20世紀(jì)80年代就率先采用激光焊接車頂、車身、側(cè)框等鈑金焊接，90年代美國通用、福特和克萊斯勒公司竟相將激光焊接引入汽車制造，盡管起步較晚，但發(fā)展很快。意大利菲亞特在大多數(shù)鋼板組件的焊接裝配中采用了激光焊接，日本的日產(chǎn)、本田和豐田汽車公司在制造車身覆蓋件中都使用了激光焊接和切割工藝，高強(qiáng)鋼激光焊接裝配件因其性能優(yōu)良在汽車車身制造中使用得越來越多，根據(jù)美國金屬市場統(tǒng)計(jì)，至2002年底，激光焊接鋼結(jié)構(gòu)的消耗將達(dá)到70000t比1998年增加3倍。根據(jù)汽車工業(yè)批量大、自動化程度高的特點(diǎn)，激光焊接設(shè)備向大功率、多路式方向發(fā)展。在工藝方面美國Sandia國家實(shí)驗(yàn)室與PrattWitney聯(lián)合進(jìn)行在激光焊接過程中添加粉末金屬和金屬絲的研究，德國不萊梅應(yīng)用光束技術(shù)研究所在使用激光焊接鋁合金車身骨架方面進(jìn)行了大量的研究，認(rèn)為在焊縫中添加填充金屬有助于消除熱裂紋，提高焊接速度，解決公差問題，開發(fā)的生產(chǎn)線已在奔馳公司的工廠投入生產(chǎn)。

 

電子工業(yè)

激光焊接在電子工業(yè)中，特別是微電子工業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。由于激光焊接熱影響區(qū)小、加熱集中迅速、熱應(yīng)力低，因而正在集成電路和半導(dǎo)體器件殼體的封裝中，顯示出獨(dú)特的優(yōu)越性，在真空器件研制中，激光焊接也得到了應(yīng)用，如鉬聚焦極與不銹鋼支持環(huán)、快熱陰極燈絲組件等。傳感器或溫控器中的彈性薄壁波紋片其厚度在0.05-0.1mm，采用傳統(tǒng)焊接方法難以解決，TIG焊容易焊穿，等離子穩(wěn)定性差，影響因素多而采用激光焊接效果很好，得到廣泛的應(yīng)用。

近年來激光焊接又逐漸應(yīng)用到印制電路板的裝聯(lián)過程中。隨著電路的集成度越來越高，零件尺寸越來越小，引腳間距也變得更小，以往的工具已經(jīng)很難在細(xì)小的空間操作。激光由于不需要接觸到零件即可實(shí)現(xiàn)焊接，很好的解決了這個(gè)問題，受到電路板制造商的重視。

 

生物醫(yī)學(xué)

生物組織的激光焊接始于20世紀(jì)70年代，Klink等及jain[13]用激光焊接輸卵管和血管的成功焊接及顯示出來的優(yōu)越性，使更多研究者嘗試焊接各種生物組織，并推廣到其他組織的焊接。有關(guān)激光焊接神經(jīng)方面國內(nèi)外的研究主要集中在激光波長、劑量及其對功能恢復(fù)以及激光焊料的選擇等方面的研究，劉銅軍進(jìn)行了激光焊接小血管及皮膚等基礎(chǔ)研究的基礎(chǔ)上又對大白鼠膽總管進(jìn)行了焊接研究。激光焊接方法與傳統(tǒng)的縫合方法比較，激光焊接具有吻合速度快，愈合過程中沒有異物反應(yīng)，保持焊接部位的機(jī)械性質(zhì)，被修復(fù)組織按其原生物力學(xué)性狀生長等優(yōu)點(diǎn)將在以后的生物醫(yī)學(xué)中得到更廣泛的應(yīng)用。

 

其他

在其他行業(yè)中，激光焊接也逐漸增加特別是在特種材料焊接中國內(nèi)進(jìn)行了許多研究，如對BT20鈦合金、HEl30合金、Li-ion電池等激光焊接，德國玻璃機(jī)械制造商GlamacoCoswig公司與IFW接合技術(shù)與材料實(shí)驗(yàn)研究院合作開發(fā)出了一種用于平板玻璃的激光焊接新技術(shù)。