激光測試技術(shù)論文(2)
激光焊接技術(shù)論文篇二
激光焊接技術(shù)的工藝與方法
摘要：激光拼焊是采用激光能源，將若干不同材質(zhì)、不同厚度、不同涂層的鋼材、不銹鋼材、鋁合金材等進行自動拼合和焊接而形成一塊整體板材、型材，央芯板等，以滿足零部件對材料性能的不同要求，用最輕的重量、最優(yōu)結(jié)構(gòu)和最佳性能實現(xiàn)裝備輕量化。在歐美等發(fā)達國家，激光拼焊不僅在交通運輸裝備制造業(yè)中被使用，還在建筑業(yè)、橋梁、家電板材焊接生產(chǎn)、軋鋼線鋼板焊接(連續(xù)軋制中的鋼板連接)等領(lǐng)域中被大量使用。激光焊接在汽車制造領(lǐng)域中的許多成功應用已經(jīng)凸現(xiàn)出激光焊接不同于傳統(tǒng)焊接方法的特點和優(yōu)勢，也為許多大功率激光器制造商和激光焊接設備制造商提供了更為誘人的經(jīng)濟效益前景。
關(guān)鍵詞：激光焊接 工藝 質(zhì)量
激光是輻射的受激發(fā)射光放大的簡稱，由于其獨有的高亮度、高方向性、高單色性、高相干性，自誕生以來，其在工業(yè)加工中的應用十分廣泛，成為未來制造系統(tǒng)共同的加工手段。用激光焊接加工是利用高輻射強度的激光束，激光束經(jīng)過光學系統(tǒng)聚焦后，其激光焦點的功率密度為104～107W/cm2，加工工件置于激光焦點附近進行加熱熔化，熔化現(xiàn)象能否產(chǎn)生和產(chǎn)生的強弱程度主要取決于激光作用材料表面的時間、功率密度和峰值功率?？刂粕鲜龈鲄?shù)就可利用激光進行各種不同的焊接加工。這種焊接工藝在未來工業(yè)事業(yè)中將會得到廣泛的應用與研究。
一、激光焊接的一般特點
激光焊接是利用激光束作為熱源的一種熱加工工藝，它與電子束等離子束和一般機械加工相比較，具有許多優(yōu)點：(1)激光束的激光焦點光斑小。功率密度高，能焊接一些高熔點、高強度的合金材料;(2)激光焊接是無接觸加工，沒有工具損耗和工具調(diào)換等問題。激光束能量可調(diào)，移動速度可調(diào)，可以多種焊接加工;(3)激光焊接自動化程度高，可以用計算機進行控制，焊接速度快，功效高，可方便的進行任何復雜形狀的焊接;(4)激光焊接熱影響區(qū)小，材料變形小，無需后續(xù)工序處理;(5)激光可通過玻璃焊接處于真空容器內(nèi)的工件及處于復雜結(jié)構(gòu)內(nèi)部位置的工件;(6)激光束易于導向、聚焦。實現(xiàn)各方向變換;(7)激光焊接與電子束加工相比較，不需要嚴格的真空設備系統(tǒng)，操作方便，(8)激光焊接生產(chǎn)效率高，加工質(zhì)量穩(wěn)定可靠，經(jīng)濟效益和社會效益好。
二、激光焊接工藝與方法
1、雙/多光束焊接
雙/多光束焊接的提出最初是為了獲得更大的熔深和更穩(wěn)定的焊接過程和更好的焊縫成形質(zhì)量，其基本方法是同時將兩臺或兩臺以上的激光器輸出的光束聚焦在同一位置，以提高總的激光能量。后來。隨著激光焊接技術(shù)應用范圍的擴大，為減小在厚板焊接，特別是鋁合金焊接時容易出現(xiàn)氣孔傾向，采用以前后排列或平行排列的兩束激光實施焊接，這樣可以適當提高焊接小孔的穩(wěn)定性，減少焊接缺陷的產(chǎn)生幾率。
2、激光-電弧復合焊
激光-電弧復合焊是近年激光焊接領(lǐng)域的研究熱點之一。該方法的提出是由于隨著工業(yè)生產(chǎn)對激光焊接的要求，激光焊接本身存在的間隙適應性差，即極小的激光聚焦光斑對焊前工件的加工裝配要求過高，此外，激光焊接作為一種以自熔性焊接為主的焊接方法，一般不采用填充金屬，因此在焊接一些高性能材料時對焊縫的成分和組織控制困難。而激光-電弧復合焊集合了激光焊接大熔深、高速度、小變形的優(yōu)點，又具有間隙敏感性低、焊接適應性好的特點，是一種優(yōu)質(zhì)高效焊接方法。其特點在于：
可降低工件裝配要求，間隙適應性好。
有利于減小氣孔傾向。
可以實現(xiàn)在較低激光功率下獲得更大的熔深和焊接速度，有利于降低成本。
電弧對等離子體有稀釋作用，可減小對激光的屏蔽效應，同時激光對電弧有引導和聚焦作用，使焊接過程穩(wěn)定性提高。
利用電弧焊的填絲可改善焊縫成分和性能，對焊接特種材料或異種材料有重要意義。
激光與電弧復合焊的方法包括兩種，即旁軸復合焊和同軸復合焊。旁軸激光一電弧復合焊方法實現(xiàn)較為簡單，但最大缺點是熱源為非對稱性，焊接質(zhì)量受焊接方向影響很大，難以用于曲線或三維焊接。而激光和電弧同軸的焊接方法則可以形成一種同軸對稱的復合熱源，大大提高焊接過程穩(wěn)定性，并可方便地實現(xiàn)二維和三維焊接。
三、激光焊接過程監(jiān)測與質(zhì)量控制
激光焊接過程監(jiān)測與質(zhì)量控制一直是激光焊接領(lǐng)域研究和發(fā)展的一個重要內(nèi)容，利用電感、電容、聲波、光電、視覺等各種傳感器，通過人工智能和計算機處理方法，針對不同的激光焊接過程和要求，實現(xiàn)諸如焊縫跟蹤、缺陷檢測、焊縫成形質(zhì)量監(jiān)測等，并通過反饋控制調(diào)節(jié)焊接工藝參數(shù)，從而實現(xiàn)高質(zhì)量的自動化激光焊接過程。
(1)激光焊接過程監(jiān)測
利用各種傳感器對激光焊接過程中產(chǎn)生的等離子體進行檢測是常用和有效的方法，如圖1所示。根據(jù)檢測信號的不同，激光焊接質(zhì)量檢測主要包括以下幾種方式：
?、俟庑盘枡z測。檢測對象為激光焊接過程中的等離子體(包括工件上方和小孔內(nèi)部)光輻射和熔池光輻射等。從檢測裝置的安裝來看，主要包括與激光束同軸的直視檢測、側(cè)面檢測和背面檢測。使用的傳感器主要有光電二極管、光電池、CCD和高速攝像機，以及光譜分析儀等。
?、诼曇粜盘枡z測。檢測對象主要為焊接過程中等離子體的聲振蕩和聲發(fā)射。
③等離子體電荷信號。檢測對象為焊接噴嘴和工件表面等離子體的電荷。
利用光電傳感器檢測激光焊接過程中等離子體光輻射強度的變化是激光焊接過程監(jiān)測與控制的重要方法之一。國內(nèi)外研究工作表明。利用光電傳感器可以自動檢測出焊接過程中因激光功率、焊接速度，焦點位置、噴嘴至工件表面距離、對接間隙等工藝條件的波動引起的焊縫熔深和成形質(zhì)量的變化，不僅可以診斷出諸如咬邊、燒穿、駝峰等焊縫成形缺陷，而且在一定工藝條件下還可以檢測焊縫內(nèi)部質(zhì)量，例如，氣孔傾向的嚴重程度。
(2)激光焊接過程控制
激光焊接過程控制的主要內(nèi)容就是對焊接工藝參數(shù)的控制。在激光焊接時，光束焦點位置是影響激光深熔焊質(zhì)量最關(guān)鍵而又最難監(jiān)測和控制的工藝參數(shù)之一。在一定激光功率和焊接速度下，只有焦點處于最佳焦點位置范圍時，才可獲得最大熔深和良好的焊縫成形。偏離這個范圍，熔深則下降，甚至破壞穩(wěn)定的深熔焊過程，變?yōu)槟Ｊ讲环€(wěn)定焊接或熱導焊。但實際激光焊接時，存在多種因素影響焦點位置的穩(wěn)定性，包括因非平面工件和焊接變形引起的焊接噴嘴一工件距離變化，激光器窗口、聚焦鏡等元件熱透鏡效應引起焦點位置的變化，以及光束在飛行光路中不同位置引起焦點位置的變化等。如何迅速確定激光焦點位置并將其控制在合適的范圍，一直是激光焊接迫切要求解決而又難度很大的課題。
激光焊接技術(shù)是一種高新技術(shù)，由于其獨有的特點，特別適合在傳感器密封焊中使用，目前國外許多生產(chǎn)傳感器的廠家均利用激光焊接工藝生產(chǎn)傳感器，而國內(nèi)采用此工藝的廠家不多，主要是一些生產(chǎn)軍用傳感器產(chǎn)品的廠家和部分科研機構(gòu)在采用此種工藝。且采用國外激光焊接機的較多。為提高國內(nèi)傳感器整體水平以及發(fā)展民族激光產(chǎn)業(yè)，我國的傳感器生產(chǎn)廠家應盡快采用國產(chǎn)激光焊接機來生產(chǎn)加工傳感器，以增加產(chǎn)品競爭力，開拓國際市場。
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