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激光焊接(3)
双击自动滚屏 发布者:chianweld 发布时间:2/27/2007 阅读:14165

 

         

 

(三)

 

 

6.4  激光焊接时常见的几种效应

1)小孔效应

激光焊是以细聚焦的高能激光束作为热源,它与金属焊件的作用可以产生一小孔,该小孔是形成焊缝的前提。如图35所示为激光焊接时,激光束被聚焦到工件的表面或表面以下的位置,在与焊件作用时,有大部分能量被金属表面反射掉,焊件只能吸收很少一部分。随着表面温度升高,材料吸收激光的能力增强,使金属发生熔化,形成熔池。激光的继续辐射将会使金属液体发生汽化,在熔池中心形成一小孔,金属的持续汽化维持小孔稳定,金属蒸气产生的压力可使金属液体沿小孔壁向上流动。

小孔的形成,使激光可以直接辐射至小孔深处,加强了熔池对激光能量的吸收,使原有小孔的深度进一步增加(图36),直接进入小孔内部的激光将在小孔内发生反复折射。

进入小孔的激光功率密度可以表示为:

                        II01Anexp〔-α(χ1+χ2+…)〕                             30

式中    I0──进入小孔前的功率密度;

        A──孔壁对激光的吸收率;

        n──激光在小孔内的折射次数;

       α──吸收系数;

χ1+χ2…──两次反射间的激光行程。

激光在小孔内反复折射有利于熔池对激光能量的吸收。若连续辐射的激光相对工件进行移动,则小孔也随之移动,激光束始终与熔池前沿相互作用,熔化金属的汽化使小孔得以维持,并造成熔池金属流动,形成一个深宽比很大的连续焊缝。如果使用的是激光脉冲,情况就不一样了,小孔中的熔化金属在激光停止辐射以后会汇聚到中心,发生凝固。激光与工件相对运动时,熔化金属靠表面张力的支持在小孔的前沿形成,一个很小的波纹,随着激光束向前移动,波纹向前发展,焊缝表面光洁且美观。若激光的功率密度小于103W/cm2时,形成的孔不但浅且很宽。孔的形成机制以热传导为主。当激光功率密度过大,超过107W/cm2时,激光对金属的辐射可能会引起熔化金属的过量喷溅和蒸发,使熔池金属大量损失,造成焊缝下陷以及产生气孔等缺陷,不利于获得高质量焊缝,应引起注意。

2)等离子体屏蔽效应

激光深熔焊的功率密度可达107W/cm2左右,如此高的功率密度足以使熔池金属发生汽化,产生蒸气如图37

由图37(a)可见,金属蒸气位于激光辐射区上方,激光对金属蒸气的进一步辐射会使其中的电子动能增加,运动速度加快,电离更多的粒子,从而造成电子密度增加,形成等离子体云。如图37(b)所示,等离子体云靠近焊件表面的激光作用区,位于激光源与焊件之间。等离子体云吸收激光能量,对入射激光有散射作用,它可以使入射激光光斑尺寸变大、功率密度下降。因此,焊件前部的等离子体云对激光能量有屏蔽效应。在入射激光能量不变的前提下,焊件上方的等离子体密度的大小取决于蒸气量的多少。蒸气量少,则产生的等离子体密度小;反之,产生的等离子体密度大。等离子体密度的变化使进入熔池的激光能量发生变化,导致焊缝熔化深度不均匀,影响接头强度。

3)等离子体的负面效应

激光焊接时,被焊材料不仅熔化、蒸发,而且还会和保护气体一起被电离,在熔池上方形成等离子体云。所以,激光焊接过程实质上也是入射激光、保护气体、等离子体以及被焊材料四者之间相互作用的过程。

等离子体的折射率小于1。它是比真空还要稀疏的物质,激光入射到等离子体云上时,会产生折射、反射、吸收,极端情况下甚至会产生全反射。

等离子体对CO2激光的折射角为:

式中    Ne──等离子体的电子密度;

         L──激光通过等离子体的长度;

         R──等离子体柱的半径。

采用CO2激光焊接钢材料时,等离子体对激光的吸收系数

式中    Ne──电子密度;

        Te──电子温度。

等离子体由电子、离子、原子或分子组成,在库仑力的作用下,会形成电子和离子的集体振荡,其电子振荡角频率

式中    Ne──电子密度;

         e──电子电量;

        me──电子质量;

ε0──真空介电常数。

随着Ne增加,ωpc亦增加,当入射激光的角频率ω≤ωpc时,则产生全反射。显然,熔池上方产生的等离子体云就像带通滤波器那样,只有角频率高于等离子体电子振荡角频率的激光才能通过。

4)对焊缝金属的净化效应

金属中往往含有SPON等非金属杂质,它们或者独立存在于金属基体中,或者固溶在金属基体中。受到激光照射时,由于非金属的吸收率远远大于金属,故独立存在于金属基体中的杂质随温度的迅速上升而逸出熔池;而固溶在金属基体中的杂质也由于其沸点低,蒸气压高而很容易地从熔池中逸出,结果是减少了焊缝中的有害元素和杂质,提高了焊缝的塑性和韧性。

7  典型材料的激光焊接

7.1  材料激光焊接的焊接性

1)激光焊的焊缝形式及特点

激光传热焊焊缝类似于某些常规焊接方法的特点。对激光焊的熔池的研究发现,熔池周期性的变化,主要原因是激光与物质作用过程中的自振荡效应。

熔池的周期性变化,会在焊缝中产生特有的现象,充满金属蒸气的小孔,发生周期性变化,同时熔化的金属又在它的周围从前沿向后沿流动,加上金属蒸发造成的扰动,可能使蒸气留在焊缝中凝固之后形成气孔。

2)金属的激光焊接性

激光焊接具有一些其他焊接方式所不能比拟的性能,这就是接头良好的抗热裂能力和抗冷裂能力。

① 抗热裂能力  激光焊与TIG焊相比,焊接低合金高强钢时,热裂纹敏感性较低。激光焊虽然有较高的焊接速度,但其热裂纹敏感性却低于TIG焊。这是因为激光焊焊缝祖宗晶粒较细,可有效的防止热裂纹的产生。如果焊接参数选择不当,也会产生热裂纹。热裂纹产生的同时也会促使冷裂纹形成和扩展。

② 抗冷裂能力  冷裂纹的评定指标是24h在试样中心不产生裂纹所加的最大载荷所产生的应力,即临界应力。对于低合金高强钢,激光焊的临界应力大于TIG焊,这就是说激光焊的抗冷裂纹能力大于TIG焊。焊接低碳钢时两种焊接方法的临界应力几乎相同。

③ 残余应力及变形  激光焊加热光斑小,热输入小,使得焊接焊头的残余应力和变形比普通焊接方法小得多。激光焊虽有较陡的温度梯度,但焊缝中最大残余拉应力仍然要比TIG焊时略小一些,而且激光焊焊接参数的变化几乎不影响最大残余应力的幅值。用TIG焊焊接薄板时,常常会因为残余应力的存在而发生波浪变形,但用激光焊焊接薄板时,变形大大减小,一般不会产生波浪变形。激光焊残余应力和变形小,使它成为一种精密的焊接方法。

④ 冲击韧性  经过研究发现,激光焊焊接接头的冲击吸收功大于母材吸收金属的冲击吸收功。激光焊焊接接头冲击功提高的主要原因之一是焊缝金属的净化效应。

7.2  金属材料的激光焊接 

7.2.1  铝合金的激光焊接

铝及其铝合金激光焊接的主要困难是它对10.6μm波长的CO2激光束的反射率高。铝是热和电的良导体,高密度的自由电子使它成为光的良好反射体,起始表面反射率超过90%,也就是说,深熔焊必须在小于10%的输入能量开始,这就要求很高的输入功率以保证焊接开始时必需的功率密度,而一旦小孔生成,它对光束的吸收率迅速提高,甚至可达到90%,从而使焊接过程顺利进行。铝及其合金焊接时,随着温度的升高,氢在铝中的溶解度急剧增大,溶解于其中的氢成为焊缝的缺陷源。焊缝中多存在气孔,深熔焊时根部可能出现空洞,焊道成形较差。

最近,汽车用铝合金的激光焊接受到关注,进行了许多探讨,已对铝合金车A2进行了YAG激光焊。通常采用高SiAl焊丝进行YAG激光焊接。利用3kW光纤传送YAG激光对6×××系列的合金进行焊接,尤其探讨了激光束的匹配问题,以及间隙许允度及重力的影响,向上、向下及横向焊接都可以。其他,还进行了各种合金YAG激光的对接、搭接及T形接头焊接试验,比较了其焊接性及各种保护气体下接头的抗拉强度,进行了铸造材和挤出材的YAG激光焊接,探讨了气孔生成及各种焊接条件的影响。

7.2.2  镁合金的激光焊接

Mg合金密度比Al36%,作为高比强材料受到关注。因此进行了脉冲YAG激光和连续CO2激光焊接试验,对于板厚1.8mmAZ31B-H244合金(3.27Al0.79Zn)各种缺陷较少的最佳焊接条件为平均功率0.8kW5ms120Hz300mm/s,焦点尺寸0.42mm,连续CO2激光焊接获得了良好的熔透焊缝。还测定了YAG激光焊接区的硬度分布,发现HAZ组织窄,几乎没有软化。

7.2.3  钢的激光焊接

1)低合金高强度钢

低合金高强度钢的激光焊接,只要所选择的焊接参数适当,就可以得到与母材力学性能相当的接头。HY-130钢是一种典型的低合金高强度钢,经过调质处理,它具有很高的强度和较高的抗裂性。用常规焊接方法焊,其焊缝和HAZ组织是粗晶、部分细晶及原始组织的混合体,接头的韧性和抗裂性与母材相比要差得多,而且焊态下焊缝和HAZ金属组织对冷裂纹特别敏感。激光焊焊接接头不仅具有高的强度,而且具有良好的韧性和良好的抗裂性。具有以下原因。

① 激光焊焊缝细、HAZ组织窄。在冲击试验时,裂纹并不沿焊缝或HAZ组织扩展,常常是扩展进母材。冲击断口的扫描电镜观察充分说明了这一点,断口上大部分区域是未受热影响的母材,因此整个接头的抗裂性,实际上很大一部分是由母材所提供的。

② 从接头的硬度和显微硬度的分布来看,激光焊具有较高的硬度和较陡的硬度梯度,这表明可能有较大的应力集中出现。但是,在硬度较高的区域,正对应于细小的组织。高的硬度和细小的组织的共生效应使得接头既有高的强度,又有足够的韧性。

③ 激光焊焊缝HAZ组织主要为马氏体,这是由于它的焊接速度高、热输入小所造成的。HY-130钢中碳的质量分数很小(约0.1%),焊接过程中由于冷却速度快,形成低碳马氏体,这种组织的综合性能优于焊条电弧焊和熔化极气体保护焊中产生的针状铁素体和马氏体的混合物,再加上晶粒细小得多,接头性能无疑是优良的。

HY-130激光焊时,焊缝中的有害元素大大减少,产生了净化效应,提高了接头的韧性。

2)不锈钢

奥氏体不锈钢由于具有良好的抗腐蚀性,以及高温和低温韧性而获得广泛的应用。这类不锈钢的特点是合金元素含量高,热导性仅为低碳钢的1/3,线膨胀系数大,为低碳钢的1.5倍。

Ni-Cr系不锈钢进行焊接时,材料具有很高的能量吸收率和熔化效率。用激光焊焊接时,由于焊接速度快,减轻了不锈钢焊接时的过热现象和线膨胀系数大的不良影响,焊缝无气孔、夹杂等缺陷,接头强度和母材相当。用小功率激光焊焊接薄板,可以获得外观上成形良好、焊缝平滑美观的接头。

不锈钢的激光焊,可用于核电站中不锈钢、核燃料包等的焊接,也可以用于化工等其他行业。

3)碳素钢

由于激光焊时的加热速度和冷却速度非常快,所以在焊接碳素钢时,随着含碳量的增加,焊接裂纹和缺口敏感性也会增加。

4)硅钢

硅钢片是一种应用广泛的电磁材料,在轧制过程中为了保证生产线运行的连续性,需要对硅钢薄片进行焊接,但硅钢中Si的质量分数高(约3%),Si对α-Fe具有强烈的固深强化作用,使硅钢的硬度、强度增加,塑性、韧性急剧下降,而且冷轧造成的加工硬化,使强度、硬度进一步增加。硅钢的热导率仅为纯铁的50%,热敏性大,易发生过热使晶粒长大,而且晶粒一旦长大,就很难通过热处理使之细化。目前,工业中采用TIG焊,存在的主要问题是接头脆化,焊态下接头的反复弯曲次数低或者不能弯曲,因而不得不在焊后增加一道火焰退火工序。这样既增加了工艺流程复杂性,也降低了生产效率。

7.2.4  铜及铜合金的焊接

铜及铜合金具有优良的导电、导热性能,冷、热加工性良好,具有高的抗氧化性和较高的强度。在电气、电子、动力、化工等工业部门中应用较广。

1)铜及铜合金的分类

铜及铜合金可分为紫铜、黄铜、青铜及白铜等。紫铜为铜含量不小于99.5%的工业纯铜;普通黄铜是铜和锌的二元合金,表面呈淡黄色;凡不以锌、镍为主要组成而以锡、铝、硅等元素为主要组成的铜合金,称为青铜;白铜为含镍量50%的铜镍合金。

2)铜及铜合金的焊接性

焊接铜和铜合金易产生未熔合与未焊透,故应采用能量集中、大功率的热源并配合预热措施;在工件厚度较薄或结构刚度较小,又无防止变形措施时,焊后很容易产生较大的变形,而当焊接接头受到较大的刚性约束时,易产生焊接应力;焊接铜及铜合金时还易产生热裂纹;气孔是铜及铜合金焊接时的常见缺陷,紫铜焊缝中的气孔主要是氢气孔。总的来讲铜及其合金焊接具有如下特点。

① 铜的导热性和热容量大,焊接输入热量宜大,必要时作适当预热。

② 铜及铜合金的线膨胀系数大,凝固时收缩率也较大,因此,焊接变形大,焊件刚度大时易产生裂纹。应采用窄焊道,焊后立即轻轻敲击可细化晶粒,减小残余应力及变形。一些铜合金如黄铜,焊后有时需经270560℃退火处理,以消除应力,防止“自裂”现象。

③ 铜在液态时易氧化,生成的氧化亚铜(Cu2O)和铜形成低熔点共晶体,分布在晶界,已引起裂纹。用于焊接的紫铜含氧量,一般应≤0.03%,重要件应≤0.01%。

④ 铜在液戊时能溶解大量的氢,在凝固冷却过程中,溶解度大大减小,氢还能和氧化亚铜反应,生成水蒸气,因而引起气孔。

由于铜的热导率高(超过铁的热导率3倍以上),线膨胀系数大(比钢的线膨胀系数大30%),凝固收缩率值大(比钢大1倍),液态时对氧的活性高,氢在其中的溶解度大等原因,铜的焊接是相当困难的。铜的性质决定了它在焊接过程中产生强烈的应力和变形、焊缝形成气孔和裂纹的倾向高。由于其导热率高,所以铜焊接时必须要用集中的强热源(如激光、电子束、离子束等)。此外,同在高温时的塑性低和热导率高要求采用预热。铜的焊缝具有显著的多孔的特点,这是由于在金属冷却和结晶过程中有气体从其中析出而造成的,铜的熔点比较低而热导率高,大大地加速了焊接时冷却和结晶过程,这妨碍了在常规下的电弧焊。弧柱中卷入的或溶解的气体从焊缝金属或近缝区析出。残留在金属中的气体可能在金属中造成气体的过饱和熔液或造成气孔。过饱和熔液的形成会导致裂纹,因为铜在高温下的塑性低,气体从过饱和熔液吸出时的压力可能使铜产生破坏。合金元素对气体在液态铜中的溶解度有影响。研究表明,AlSiZn可以减少黄铜焊缝中的多孔性,而Mn则反而增加多孔性。前苏联的科学家研究表明ZrTiBeCr也能降低铜焊缝中的多孔性。电阻焊时由于黄铜的电阻率低、热导率高,因而很难形成稳定的焊接熔池而实现理想焊缝,甚至无法焊接,激光焊时由于铜及铜合金对激光具有其强烈的反射作用,一般情况下也较难实现连续深熔焊。

7.2.5  耐热合金的激光焊接

许多镍基和铁基耐热合金都可以进行脉冲和连续激光焊接,且都可以获得好的激光焊缝。通过对铁基合金M-152和航空发动机中使用的三种镍基耐热合金(PK33C263N75)的激光焊接表明,接头力学性能与母材几乎相当。

Dop-14合金和Gop-26合金是两种宇航用铱基耐热合金,它们具有很高的熔点,具有优良的高温强度和抗氧化性,用激光对其进行焊接时,缝晶粒很细,可以消除金属钍在晶界偏析所产生的热裂现象,获得无裂纹的焊缝,而用常规的钨极氩弧焊则是难以办到的。

Nd:YAG激光对厚4mm的镍基高温合金进行连续激光焊的一组工艺参数,见表8

8  Nd:YAG激光对Inconel镍基高温合金的焊接参数

脉冲能量/J

脉冲宽度/ms

脉冲频率/Hz

焦点位置/mm

焊接速度/mm·min-1

氦气保护/L·min-1

29.5

29.5

29.5

29.5

29.5

6

6

6

6

6

30

30

30

30

30

+0.5

+0.5

+1.0

+1.0

+0.5

120

110

160

145

145

5

5

5

5

5

用大功率(814kWCO2激光器对厚度为6.4mmInconel-718镍基高温合金组件进行焊接,其接头的力学性能实验数据见表9

9  Inconel-718合金激光焊接头的力学性能

试验部位

伸长率/

抗拉强度/MPa

断裂强度

屈服强度

母材-横向

母材-横向

母材-纵向

母材-纵向

母材-纵向

母材-纵向

母材-纵向

母材-横向

母材-横向

母材-横向

16.4

16.4

17.0

20.0

5.2

10.5

6.0

3.9

2.2

3.2

1372

1372

1391

1391

1372

1372

1362

1362

1342

1342

1195

1215

1215

1225

1195

1185

1166

1225

1235

1235

 

    7.2.6  异种金属的激光焊接

异种金属的激光焊接是指两种不同金属的激光熔焊。异种金属是否可焊及接头的强度,取决于两种金属的物理性质,如熔点、沸点等。若两种材料的熔、沸点接近,能形成较为牢固连接激光焊接的参数范围较大,熔区可以形成良好的合金结构,激光焊接的参数范围较大。依据这些性质可以把它们分成两种情况,如图38所示。

如图所示,设金属A的熔点为A,沸点为A;金属B的熔点为B,沸点为B;且BABABA,则金属表面温度可以在AB之间调节。AB之间差距越大,激光焊接参数范围越大。如图38(a)所示金属B的沸点高于金属A的熔点,两温度构成了一个重叠区,在焊接过程中若能使焊缝材料的温度保持在重叠区范围内,则两金属能发生熔化或汽化,实现焊接。重叠区所代表的温度范围越大,两金属焊接参数的可选范围越宽。反之,当一种金属熔点比另一种金属沸点还高,即ABB时,则两种金属形成牢固熔焊的范围很窄,甚至不可能。如图38(b)所示金属A的熔点和金属B的沸点相差较远,该两种金属很难焊接,其原因是两金属不能同时发生熔化,从而无法形成牢固的接头。针对这种情况,可以采用在两金属中间加入第三种金属的方法(焊接材料),所选的第三种金属作为焊接材料,既能与金属A结合,也能与金属B结合,即它们的熔点、沸点应符合图38(a)所示。

激光焊接可以在许多类异种金属之间进行,研究表明,铜-镍、镍-钛、钛-钼、低碳钢-铜等异种金属在一定条件下均可以进行激光焊接。

10给出了异种材料脉冲激光点焊参考规范。

10  异种材料脉冲激光点焊参考规范

   

厚度(直径)/mm

脉冲能量/J

脉冲宽度/mm

  

 镀金磷青铜(上)

铝箔(下)

0.3

0.2

3.5

4.3

 钕玻璃激光器

 钨(上)

 铼(下)

0.1

0.1

1.12

3

 Ar保护激光点焊

钨(上)

 铼(下)

0.35

0.35

5.2

0

Ar保护激光点焊

 不锈钢(上)

 紫铜箔(下)

0.145

0.08

2.2

3.6

 红宝石激光器

 镍铬丝(上)

   片(下)

0.1

0.145

1

3.4

 钕玻璃激光器

镍铬丝(上)

 不锈钢(下)

0.1

0.145

0.5

4

钕玻璃激光器

不锈钢(上)

镍铬丝(下)

0.145

0.1

1.4

3.2

红宝石激光器

 硅铝丝(上)

 不锈钢(下)

0.1

0.145

1.4

3.2

红宝石激光器

 

7.3  非金属材料的激光焊接

激光不仅可以焊接金属,还可以用于焊接陶瓷、玻璃、复合材料及金属基复合材料等非金属。

硅酸盐及氧化物对CO2激光和YAG激光的吸收率很高,不需要很高的功率就能够xAi2O3Y2O3ZrO2等。但在焊接陶瓷等非金属材料时,要注意的是:焊缝及热影响区可能会产生裂纹和气孔;熔化区和热影响区有晶粒长大的倾向;要将结晶控制为所希望的晶粒。焊前预热能防止出现上面所说的缺陷,在图39中使用电炉预热到1500℃,然后在空气中在千瓦级激光束照射下进行焊接,通常采用长焦距的聚焦透镜。为了提高接头强度,焊接时也可以增加填充焊丝,并在室温至700℃工况下性能不会变坏,其接头抗热冲击性与基材一样高。

金属基复合材料(Metal Matrix Composites,MMCs)广泛应用于航空航天和汽车工业领域。焊接MMCs的难点是脆性相的产生,以及这些脆性相导致的裂纹和接头强度低。虽然在一定条件下可以获得满意的接头,但目前仍处于研究阶段。

8  激光焊接在工业中的应用

早期的激光应用大都是采用脉冲固体激光器,进行小型零部件的点焊和由焊点搭接而成的缝焊。这种焊接过程多属传导型热焊。20世纪70年代,大功率CO2激光器的出现,开辟了激光应用于焊接及工业领域的新纪元。激光焊在汽车、钢铁、船舶、航空、轻工等行业得到了日益广泛的应用。实践证明,采用激光焊,不仅生产率高于传统的焊接方法,而且焊接质量也得到了显著的提高。

近年来,高功率YAG激光器有突破性进展,出现了平均功率4kW左右的连续或高重复频率输出的YAG激光器,可以用其进行深熔焊,且因为其波长短,金属对这种激光的吸收率大,焊接过程中受等离子体的干扰少,因而有良好的应用前景。

8.1  激光焊接在汽车工业中的应用

在汽车工业中,传统焊接有电阻焊、CO2电弧焊、手工焊等焊接工艺。但传统的焊接方法存在焊接后变形量大、焊缝质量较差、容易产生气孔、热影响区大等焊接缺陷,不宜于尺寸要求高、变形量小的薄板焊接和变速箱齿轮轴类焊接。而自从20世纪60年代以来,随着激光技术的不断发展,由最初的红宝石激光器到大功率CO2激光出现,使汽车工业在内的加工行业得到迅速发展,出现了激光焊接工艺:激光焊接不仅能很好焊接各类金属,而且能焊接非金属、半导体、陶瓷等,并具有焊后热变形量小、焊缝质量好等特点。

汽车工业中,激光技术主要用于车身拼焊、焊接和零件焊接。激光拼焊是在车身设计制造中,根据车身不同的设计和性能要求,选择不同规格的钢板,通过激光裁剪和拼装技术完成车身某一部位的制造,例如前挡风玻璃框架、车门内板、车身底板、中立柱等。激光拼焊具有减少零件和模具数量、减少点焊数目、优化材料用量、降低零件重量、降低成本和提高尺寸精度等好处,目前已经被许多大汽车制造商和配件供应商所采用。激光焊接主要用于车身框架结构的焊接,例如顶盖与侧面车身的焊接,传统焊接方法的电阻焊已经逐渐被激光焊接所代替。用激光焊接技术,工件连接之间的接合面宽度可以减少,既降低了板材使用量,也提高了车体的刚度。激光焊接零部件,零件焊接部位几乎没有变形,焊接速度快,而且不需要焊后热处理,目前激光焊接零部件已经广泛采用,常见于变速器齿轮、气门挺杆、车门铰链等。

1)激光焊接在汽车工业中的应用现状

激光焊接在1966年始用于汽车工业,但主要是用来焊接机械传动部件(如变速器)。进入20世纪80年代后,激光焊接在汽车工业中的应用逐步形成规模,激光焊接已成为除电阻焊和电弧焊之外的又一种低成本、高效率的加工技术。高能激光和光束控制系统的研制,已使激光系统成为汽车工业及其供应商的灵活制造工具。如今日本汽车工业应用激光加工技术的程度在世界各国中领先,其激光设备拥有量占全世界的42%,美国居第二位,占27%左右。

日本汽车制造业应用激光技术最活跃的领域是激光焊接加工技术,利用激光对薄钢板对接焊缝仍能进行冲压成形加工的特点,日本的各大汽车制造公司将激光焊接技术应用于汽车车体制造。

如日本丰田公司生产凌志和可罗牌轿车采用5种不同厚度和3种不同表面镀层的拼焊侧框件,将模具数量由29副减到4副,材料利用率由40%增加到65%。从1985年到1993年,该公司建立了8条生产线,年产160万件大中小尺寸的部件。过去内门板用0.8mm的钢板冲击,为了铰接和安装反光镜的需要,必须焊上加强件,现在根据不同的部位对强度的要求不同,用2mm的坯板和0.8mm的坯板焊在一起,然后冲压成形,这样每扇门重可减轻至1.33kg

美国公司在应用LBW和激光切割生产车身方面比欧洲和日本起步晚,但近几年的发展却相当迅速。VIL公司提供的价值700万美元的车身覆盖件全自动激光焊接生产线已在加拿大安大略省的通用汽车公司北方冲压厂投入生产,该公司还准备向通用汽车公司在美国的生产厂提供同样的生产线。使用这样的生产线,可使钢板的损失降低30%~40%,尤其能降低高成本的镀锌板消耗。

中国在20世纪70年代初就开始了激光焊接方面的研究,是最早能用激光焊接集成电路的国家之一。在低功率连续CO2激光器的焊接应用方面,我车首先进行的是薄壁件的焊接,经过二十几年的努力,有了大批有水平的科研成果,0.310kWCO2激光器和30400WYAG激光器已经形成系列产品样机,特别是现已有了基模轴流CO2激光器,这就为我国开展激光焊接创造了条件,激光切割、焊接、打孔、热处理在汽车工业中均有广泛的应用。国内外成功的应用是对汽车变速箱的同步环与齿轮的焊接,南京汽车厂引进意大利依维柯车的变速箱,指定采用了激光焊。1993年以来,华中理工大学与武汉钢铁公司联合开展了汽车用镀锌板和深冲板的激光拼焊和可靠性专项研究,实验结果表明,在适当的激光焊工艺条件下,接头强度和疲劳性能都不低于母材,弯曲性能与母材相差不大。这些情况说明我国激光焊接在汽车工业的应用方面做了大量的工作,也取得了一定成果,但应看到,与日本、美国、欧洲等激光焊接应用于汽车工业的发达国家相比,差距还很大。随着我国国民经济的发展和改革开放的深入,汽车工业已成为我国支柱产业,激光界一定要抓住机遇,提高自己的技术,在竞争中寻找自身的位置,尽早跨入激光焊接的先进工业大国之列。

2)激光焊接技术在汽车工业中的发展前景

激光焊接技术在国外已对传统的汽车制造工艺产生并将继续产生冲击性的影响,尽管目前电阻焊仍是车身焊接的这样手段,但由于使用LBW能减少法兰的宽度和一些加强件,提高车身质量,充分利用LBW这些特点,可对汽车进行重新设计,因此LBW被认为是最具竞争性的焊接方法。

焊接用激光器的发展前景:在激光器方面,Nd:YAG激光器正向着大功率、多路式方向发展,英国研究所的研究人员正在进行用于汽车工业的3000W Nd:YAG激光焊机的研究。

激光光源的发展前景:西方汽车工业还致力于开展和应用新的激光源。在欧洲,实验室进行的液态基态复合物激光器的研究已使其输出功率增加至千瓦级,其前景是:

① 以低的成本产生激光束;

② 激光器和焊接工位可远距250m以上;

LBW与机械加工一体化。

8.2  激光灶接在钢铁行业中的应用

CO2激光焊在钢铁行业中主要用于以下几个方面。

1)硅钢板上的焊接

生产中半成品硅钢板,一般厚为0.20.7mm,幅宽为50500mm,常用的焊接方法是TIG焊,但焊后接头脆性大,用1kWCO2激光焊焊接这类硅钢薄板,最大焊接速度可达10m/min,投资成本仅为闪光对焊的2/3

3)酸洗线用CO2激光焊机

酸洗线上板材最大厚度为6mm,最大板宽为1880mm,材料种类多,从低碳钢到高碳钢、硅钢、低合金钢等,一般采用闪光对焊。焊高碳钢时不稳定的闪光及硬化,造成接头性能不良。用激光焊可以焊最大厚度为6mm的各种钢板,接头塑性、韧性比闪光对焊有较大改进,可顺利通过焊后的酸洗、轧制和热处理工艺而不断裂。

4)钢管的激光焊接

当采用激光焊接技术焊接钢管时,金属的熔化深度几何形状与所焊金属的热物理性能、激光辐射的吸收及反射能的数量、激光束的总功率及单位功率、焊接速度、气体保护方法和保护气体的成分都有关。焊缝区的气体保护可采用3种送气方式:①与激光束轴心线呈一定夹角;②平行于焊接件表面;③与激光束同轴。方式②可使所焊金属的熔化状态更为稳定;方式①可使金属达到最大的熔化深度,但却不能保证金属熔化的稳定性;方式③适用于焊接厚度小于3mm的金属。

激光焊接钢管的工艺流程:先将带钢成管坯,再将管坯边部卷制出比激光束焦点直径还小的间隙值,激光束的焦点均匀地落在所焊管坯的边部上。由于激光束的单位密度很高,因而在保护气氛中无论是否采用焊丝,都能以较高的速度完成焊接过程。

完成整个激光焊接钢管工艺流程的设备包括:成形机、焊接机(立式二辊式焊缝导向机架和立式二辊式焊接机架)、激光发射源、激光聚焦头、激光枪对准系统和激光枪相对管坯边部位置的随动系统。

5)镀锡板罐身的激光焊

镀锡板俗称马口铁,其主要特点是表层有锡和涂料,是制作小型喷雾罐身的常用材料。用高频电阻焊工艺,设备投资成本高,并且电阻焊焊缝是搭接,耗材也多。小型喷雾罐身,由约0.2mm厚的镀锡板制成,用1.5kW激光器,焊接速度可达26m/min

0.25mm厚镀锡板制作的食品罐身,用700W的激光进行焊接,焊接速度为8m/min以上,接头的强度不低于母材,没有脆化倾向,具有良好的韧性。这主要是因为激光焊焊缝窄,HAZ组织也小,焊缝组织晶粒细小。另外,由于净化效应,使焊缝含锡量得到控制,不影响接头性能。焊后的翻边及密封性检验表明,无开裂及泄漏现象。

在船舰制造业,激光焊焊接大厚板(可加填充金属),接头性能优于通常的电弧焊,能降低产品成本,提高构件的可靠性,有利于延长船舰的使用寿命。

激光焊在航空航天领域也得到了成功的应用。如美国PW公司配备了6台大功率CO2激光器(其中最大功率为15kW),用于发动机燃烧室的焊接。

激光焊还应用于电动机定子铁心的焊接,发动机壳体、机翼隔架等飞机零件的生产,航空涡轮叶片的修复等。

激光焊接还有其他形式的应用,如激光钎焊、激光-电弧焊、激光填丝焊、激光压焊等几种。激光钎焊主要应用于印刷电路板的焊接,激光压焊主要用于薄板或薄钢带的焊接。其他两种方法适合于厚板的焊接。

8.3  脉冲激光焊接的应用

脉冲激光焊已成功地用于焊接不锈钢、铁镍合金、铂、铌、钼、铜及各类铜合金等。

激光脉冲焊实际应用的成功事例之一就是显像管电子枪的组装。电子枪由数十个小而薄的零件组成,传统的电子枪组装方法是用电阻焊。电阻焊时,零件受压畸变,使精度下降,并且因为电子枪尺寸日益小型化,焊接设备的设计制造越来越困难。采用脉冲YAG激光焊,光能通过光纤传输,自动化程度高,易实现多点同时焊,且焊接质量稳定,所焊接的阴极芯装管后,在阴极成像均匀性与亮度均匀性方面,都优于电阻焊。每个组件的焊接过程仅需几毫秒,每个组件焊接全过程为2.5s,而原用电阻焊需5.5s

脉冲激光焊还可用于核反应堆零件的焊接、仪表游丝的焊接、混合电路薄膜元件的导线连接等。用脉冲激光封装焊接继电器外壳、集成电路等都是很有效的方式。下面就脉冲激光焊接在集成电路制造中的应用作一简单介绍。

1)集成电路引出线的焊接

集成电路引出线的焊接分内引线和外引线焊接。集成电路内引线的焊接往往就是在硅片基底上蒸镀一层几微米厚的铝膜,因此,对焊接质量的要求比较高。不仅要求焊点处强度好,而且还要求焊接的光斑尺寸大于150μm,熔深控制在50μm内。在焊接过程中,还不容许有金属飞溅,以免损坏集成电路的管芯。在集成电路外引线的焊接中,实际上是薄的铝箔与薄的镀金磷青铜片两种不同金属的片与片之间的焊接。由于结构的限制,只能采用中心穿透熔化焊。考虑到铝箔比镀金磷青铜厚度小得多,且扩散率大,所以采用铝箔作为上片的脉冲焊。

除了集成电路的内外引线的焊接外,还可以采用脉冲激光焊接集成电路的扁平引线以及梁式引出线。即采用脉冲激光将直径为0.025mm的铝丝或金线分别与管内的接线柱及硅征连接起来,方法是用一块柱面透镜将激光聚集成直线,把引出线同时焊接在硅片四周的梁式引线接点上。

用脉冲激光焊接印刷电路的引出线时无需使用焊剂,从而可减少热冲击,不会对电路管芯造成影响,保证了集成电路管芯的产品质量。

2)集成电路的密封焊接

集成电路的封装是集成电路整个制造过程中的一个非常关键的环节。它不仅关系到电路性能的可靠性和稳定性,而且对电路的电性能和热性能,以及对整机的小型化和集成化均有重要的作用。为了长期保持集成电路高的可靠性和稳定性,采用气密性封装是最好的方案。要求压力强度在24.51MPa以上,采用一般的焊接方法难以满足这样的要求。而利用激光进行密封焊接,则具有气密性高、强度大、成品率高及易于实现自动化等优点。目前脉冲激光密封焊接通常以单点重叠方式进行,常用脉冲重复YAG激光器,但也有采用脉冲CO2激光器的。已用于密封焊接的YAG激光器,其平均功率达500W,脉冲重复率达300Hz,焊接速度最高达3.8m/min

3)集成电路的激光修补

电子工业中元器件的修补是脉冲激光的另一个愈来愈重要的应用。集成电路的激光修补有着很大的意义,它不仅可以提高产品的成品率,而且还可以提高产品的使用可靠性。在集成电路制作的常规方法中,常常需要高电压、大电流,因此制作电路时容易损伤邻近的元件或电路,而使整个集成电路块报废。为此,美国机器公司SE休斯等人利用脉冲激光在集成电路上形成电连接方法,对有缺陷的集成电路块进行了成功修补,此外还可将集成电路上的铝布线通导中断开的地方重新连接起来。最近,美国桑迪亚国家实验室采用小型真空室,反应气体和低功率密度的脉冲激光,研究出另一种激光修补集成电路的新技术。而日本电气公司则用Ar激光,并配合使用CVD(化学气相沉积)技术,成功地修整了集成电路中4000门电路阵列的误配线。

在大规模和超大规模集成电路制造中,掩模缺陷修补是一项重要内容。由于掩模材料、抗蚀剂、制作工艺、化学清洗和灰尘等方面的原因,都可能在光掩模上产生各种缺陷。这些缺陷可分为两类:①光掩模亮场表面的掩模涂层有“刻蚀不足”、“凸起”、“连接”、“短路”等形式的缺陷;②光掩模亮场有孔眼,如“穿孔”、“破裂”、“凹坑”等。随着大规模集成电路制作技术和工艺的发展,集成电路特征尺寸设计向亚微米、亚半微米:甚至1/4μm发展,图形特征尺寸越来越细,越来越密集。

由于缺陷出现在掩模上,经过曝光,就复制到芯片上,造成集成电路短路、断路、漏电等故障,使集成电路成品率降低,可靠性下降。从20世纪60年代中期开始,国外很多厂家争先研究和开发掩模修补仪产品,目前已有多种产品。

9  激光焊接技术的发展及其前景

9.1  激光-电弧复合焊接及激光加丝焊

由于激光的价格功率比太大,当对厚板进行深熔、高速焊接时,为了避免使用价格昂贵的大功率激光器,可将小功率的激光器与常规的TIG焊或MIG焊结合起来进行复合焊接。图40和图41分别是激光-TIG和激光-MIG复合焊接示意。

 

进行这种焊接的主要目的如下。

1)有效地利用激光能量

通常,母材处于固态时对激光的吸收率很低,而熔化后可达50%~100%,因此,采用复合焊接时,TIG电弧或MIG电弧先将母材熔化,紧接着用激光照射,从而提高母材对激光的吸收率。

2)增加熔深

在电弧使用下,母材熔化形成熔池,而激光束又作用在电弧形成熔池的底部,加之液体金属对激光束的吸收率高,因而复合焊接较单纯激光焊接的熔深大。

3)稳定电弧

单独采用电弧焊时,焊接有时不稳定,特别是小电流情况下,当焊接速度提高到一定值时会引起电弧漂移,使焊接无法进行。而进行激光-电弧复合焊接时,激光使气体电离产生的等离子体有助于电弧稳定。

42为单纯焊接和激光-TIG复合焊接时电弧电压和电弧电流的波形。图(a)为焊接速度为135cm/minTIG焊接电流为100A时得到的结果。可以看出,复合焊接时电弧电压明显下降,焊接电流明显上升。图(b)为焊接速度为270cm/minTIG焊接电流为70A时的试验结果。可以看出,单纯TIG焊接时,电弧电压及焊接电流均不稳定,很难进行焊接,而与激光进行复合焊接时,电弧电压和电弧电流均变得很稳定,可顺利进行焊接。

激光加丝焊接是指在进行激光焊接的同时,向焊缝填充焊丝。添加焊丝的主要出发点有两个:一是在接头间隙准备不很理想的情况下,仍可进行正常焊接,使焊缝外观良好;二是改变焊缝的成分和组织,使焊缝满足一定的性能。

采用加丝深熔焊接是地,应注意不要使焊丝加得太快,以免使熔池小孔受到破坏。

试验表明,采用加丝焊接时,在其他条件均不变的前提下,其焊缝宽度比不加焊丝时的窄,这是由于在同样的线能量作用下,填充焊丝的熔化消耗了部分光能,而用来熔化母材的能量相应减少的缘故。

9.2  激光-高频焊管与激光焊管

高频感应焊管现在已经在全车推广使用,不锈钢管高频焊因参数要求太严,目前国内外使用氩弧焊的仍较多,因此对将激光应用于焊管十分关切。直缝高频焊管主要是利用高频电流在尖劈形管缝口所形成的电路上的集肤效应与邻近效应,使管缝口迅速加热至接近熔化并经加压辊挤压而完成焊接过程。而尖劈形的两侧面恰又形成对激光的多次反射面而有利于激光的集聚和吸收。

1986年日本钢铁公司的K.Minamida等正是根据上述原理而提出了在高频焊管时加一道激光束,成为激光-高频焊管。并认为高频加热,其厚度在棱角外深,中部浅,如在中部用激光束加以补充,可以使得全厚度上加热更加均匀(如图43所示)。以两个板条为焊件的激光-高频焊示意图44Minamida所用高频设备参数:频率300kHz,输出功率400kV·A,最大焊接速度6.7m/min,管壁厚度520mm,挤压力最大为20tf,开口角3°~10°。激光器为横流CO2激光器,输出功率:A最大4kWB最大15kW。光路系统中反射镜均为Cu镜镀金,M1为凸面,焦距ƒ1725mmM2为凹面,焦距ƒ21300mm,焦斑直径312mm。采用这样的系统可以使焊管的产量和质量都有所提高。

 

1988年前联邦德国的K.Behler等提出利用偏振光进行直缝焊管。直边劈形角遇激光多次反射到一定路程后会要折返,而弯曲的两边才能把激光反射集聚到顶点(见图45)。焊管时的劈形区两边正是弯曲的,但对与壁面平行的P偏振光,吸收激光的部位过早。用与劈面垂直的s偏振光,前部不吸收激光,而将激光聚焦到焊接点(见图46)。一般焊管是将激光垂直照射到焊缝会合点形成匙孔焊接。新法s偏振光在劈面内导入,要比匙孔焊接方法快10倍。

 

9.3  激光焊接缺陷诊断

1)缺陷诊断的意义

激光焊接质量受激光焊接工艺参数的影响很大,影响焊接质量的激光工艺参数有:激光的功率密度、激光焦点位置、激光焊接时保护气体、激光焊接时等离子体。激光焊接过程包含许多复杂而又相互影响的物理过程,如材料的熔化和蒸发,小孔的形成以及激光诱导等离子体的出现。由于小孔壁对激光入射度的改变而造成菲涅耳吸收,使得工件对激光吸收率大大提高。等离子体对激光可产生折射、反射、吸收和散焦作用,即改变激光的聚焦状态。激光-物质-等离子体之间的相互作用更将这一加工过程复杂化。激光焊接质量的控制受到了普遍的关注,也是激光焊接技术研究中最为活跃的方向。

由于环境因素的改变,特别是光学器件长时间受热后性能的变化以及材料成分和表面状态的不均匀性,激光焊接过程是一个多参数的变化过程。为了提高生产效率,保证加工质量,对激光焊接过程实时诊断和控制是必不可少的。

在激光焊接的质量监控中,主要是控制熔深,保证焊透。不出现未焊透、切穿,在对焊时不出现错边、间隙过大等缺陷。上述激光焊接过程中出现的那些复杂现象为我们诊断其质量提供了相当多的信息。

2)激光焊焊接缺陷的诊断方法

① 双限比较法  这种方法主要依据以下结论:在未焊透时,等离子体光子强度或声压较低;当小孔稳定存在时,焊接质量良好,光子强度和声压基本维持在一个稳定水平上;当出现烧穿等情况时,光子强度和声压会在短时间内急剧上升。这种监测系统只对信号作简单的放大、滤波、比较处理,对罐身、汽车板激光焊中的未焊透、烧穿等缺陷可进行较好监测,不过系统响应较慢。

② 信号数字化处理和频谱分析法  该方法认为,目前普遍认为等离子体经历产生、从小孔喷出、熄灭、再一次产生的动态周期过程。等离子体受到熔池凝固、吹气气流的影响。因此激光焊接过程中的光声信号属于动态信号。要了解动态信号规律,必须对信号时域以外的频率分析方法。最常用的就是快速傅里叶变换。这种分析方法可加深对信号物理本质的认识,同时又可提高诊断系统的精度和灵敏度。

典型的分析系统主要包括一套由计算机控制的模拟信号采集器和数字信号处理器,可对信号快速进行采样、保持、模数转换、快速傅里叶频谱分析(FFT)等处理。采样速度最高达40kHz,然后对数字信号进行傅里叶变换,分析信号的频谱特征。在不出现缺陷时,可找出信号在频域上的特征,从而提高缺陷诊断的精度。

③ 人工神经网络  人工神经网络法是基于神经科学、计算机科学、哲学和心理学等领域的最新研究成果发展起来的新型边缘学科。一个神经网络通常是由很多种经元组成,表现为一高维非线性动力系统,使得单个神经元特征的畸变并不至于造成人工神经网络整体特性的严重损失。人工神经网络能够根据环境不断修正权值和阈值,表现出自适应、自组织和自学习的能力,适合处理具有多种变化的信息。光致等离子体辐射的光声信号是一种频谱庞杂的动态信号,而进行频谱分析,并由此诊断出不同的缺陷,人工神经网络是一种理想的工具。

3)激光焊接质量的在线检测和控制

利用等离子体的光、声、电荷信号对激光焊接进行检测,近年来已成为国内外研究的热点,少数研究成果已达到闭环控制的程度。图47是激光焊接质量检测和控制系统的实例。

该系统所用传感器及其功能简单介绍如下。

① 等离子体监测传感器

a.等离子体光学传感器(PS  它的作用是采集等离子体的特征光-紫外光信。

b.等离子体电荷传感器(PCS  利用喷嘴做探针检测由于等离子体带电粒子(正离子、电子)的不均匀扩散而在喷嘴和工件之间形成的电位差。

② 系统功能

a.识别激光焊接过程属于何种方式。稳定深熔焊过程,有等离子体,PSPCS信号均很强。

稳定热导焊过程,不产生等离子体,PSPCS信号几乎等于零。

模式不稳定焊过程,等离子体间断性地产生和消失,相应地PSPCS信号间断性地上升和下降。

b.诊断传输到焊接区的激光功率是否正常。当其他参数一定时,PSPCS信号的强弱与入射到焊接区的功率大小有对应关系。因此,监视PSPCS信号就可以知道导光系统是否正常,焊接区的功率是否发生了波动。

c.喷嘴高度自动跟踪。PCS信号随喷嘴-工件距离的增加而减少。利用这一规律进行闭环控制可以保证喷嘴-工件距离不变,实现高度方向的自动跟踪。

d.焦点位置自动寻优和闭环控制。在深熔焊范围内,光束焦点位置发生波动时,PS接收到的等离子体光信号亦随之变化,以最佳焦点位置处(此对小孔最深)PS信号最小。依据所发现的这个规律,可以实现焦点位置自动寻优与闭环控制,使焦点位置波动小于0.2mm,熔深波动小于0.05mm

 

 
 
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