激光焊接技術(shù)

              2016-03-14 13:34:00
              sawchina
              原創(chuàng)
              8656
              摘要:按焊接熔池形成的機(jī)理區(qū)分,激光焊接有兩種基本模式:熱導(dǎo)焊和深熔焊,前者所用激光功率密度較低(105~106W/cm2),工件吸收激光后,僅達(dá)到表面熔化,然后依靠熱傳導(dǎo)向工件內(nèi)部傳遞熱量形成熔池。這種焊接模式熔深淺,深寬比較小。
              1.激光焊接的工藝特點(diǎn) 

              按焊接熔池形成的機(jī)理區(qū)分,激光焊接有兩種基本模式:熱導(dǎo)焊和深熔焊,前者所用激光功率密度較低(105~106W/cm2),工件吸收激光后,僅達(dá)到表面熔化,然后依靠熱傳導(dǎo)向工件內(nèi)部傳遞熱量形成熔池。這種焊接模式熔深淺,深寬比較小。后者激光動(dòng)車密度高(106~107W/cm2),工件吸收激光后迅速熔化乃至氣化,熔化的金屬在蒸汽壓力作用下形成小孔激光束可直照孔底,使小孔不斷延伸,直至小孔內(nèi)的蒸氣壓力與液體金屬的表面張力和重力平衡為止。小孔隨著激光束沿焊接方向移動(dòng)時(shí),小孔前方熔化的金屬繞過小孔流向后方,凝固后形成焊縫(圖1)。這種焊接模式熔深大,深寬比也大。在機(jī)械制造領(lǐng)域,除了那些微薄零件之外,一般應(yīng)選用深熔焊。

              深熔焊過程產(chǎn)生的金屬蒸氣和保護(hù)氣體,在激光作用下發(fā)生電離,從而在小孔內(nèi)部和上方形成等離子體。等離子體對(duì)激光有吸收、折射和散射作用,因此一般來說熔池上方的等離子體會(huì)削弱到達(dá)工件的激光能量。并影響光束的聚焦效果、對(duì)焊接不利。通??奢o加側(cè)吹氣驅(qū)除或削弱等離子體。小孔的形成和等離子體效應(yīng),使焊接過程中伴隨著具有特征的聲、光和電荷產(chǎn)生,研究它們與焊接規(guī)范及焊縫質(zhì)量之間的關(guān)系,和利用這些特征信號(hào)對(duì)激光焊接過程及質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)控,具有十分重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值。 

              由于經(jīng)聚焦后的激光束光斑?。?.1~0.3mm),功率密度高,比電弧焊(5×102~104W/cm2)高幾個(gè)數(shù)量級(jí),因而激光焊接具有傳統(tǒng)焊接方法無法比擬的顯著優(yōu)點(diǎn):加熱范圍小,焊縫和熱影響區(qū)窄,接頭性能優(yōu)良;殘余應(yīng)力和焊接變形小,可以實(shí)現(xiàn)高精度焊接;可對(duì)高熔點(diǎn)、高熱導(dǎo)率,熱敏感材料及非金屬進(jìn)行焊接;焊接速度快,生產(chǎn)率高;具有高度柔性,易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。 

              激光焊與電子束焊有許多相似之處,但它不需要真空室,不產(chǎn)生X射線,更適合生產(chǎn)中推廣應(yīng)用。激光焊接實(shí)際上已取得了電子束焊接20年前的地位,成為高能束焊接技術(shù)發(fā)展的主流。 

              2.激光焊接設(shè)備 

              激光焊接設(shè)備主要由激光器、導(dǎo)光系統(tǒng)、焊接機(jī)和控制系統(tǒng)組成。 

              1.激光器 
              用于激光焊接的激光器主要有CO2氣體激光器和YAG固體激光器兩種。兩者優(yōu)缺點(diǎn)比較如表1所示。 

              激光器最重要的性能是輸出功率和光束質(zhì)量。從這兩方面考慮,CO2激光器比YAG激光器具有很大優(yōu)勢,是目前深熔焊接主要采用的激光器,生產(chǎn)上應(yīng)用大多數(shù)還處在1.5~6kW范圍,但現(xiàn)在世界上最大的CO2激光器已達(dá)50kW。而YAG激光器在過去相當(dāng)長一段時(shí)間內(nèi)提高功率有困難,一般功率小于1kW,用于薄小零件的微聯(lián)接。但是,近幾年來,國外在研制和生產(chǎn)大功率YAG激光器方面取得了突破性的進(jìn)展,最大功率已達(dá)5kW,并已投入市場。由于其波長短,僅為CO2激光的1/10,有利于金屬表面吸收,可以用光纖傳輸,使導(dǎo)光系統(tǒng)大為簡化??梢灶A(yù)料,大功率YAG激光焊接技術(shù)在今后一段時(shí)間內(nèi)將獲得迅速發(fā)展,成為CO2激光焊接強(qiáng)有力的競爭對(duì)手。 

              2. 導(dǎo)光和聚焦系統(tǒng) 
              導(dǎo)光聚焦系統(tǒng)由圓偏振鏡、擴(kuò)束鏡、反射鏡或光纖、聚焦鏡等組成,實(shí)現(xiàn)改變光束偏振狀態(tài)、方向,傳輸光束和聚焦的功能。這些光學(xué)零件的狀況對(duì)激光焊接質(zhì)量有極其重要的影響。在大功率激光作用下,光學(xué)部件,尤其是透鏡性能會(huì)劣化使透過率下降;會(huì)產(chǎn)生熱透鏡效應(yīng)(透鏡受熱膨脹焦距縮短);表面污染也會(huì)增加傳輸損耗。所以光學(xué)部件的質(zhì)量,維護(hù)和工作狀態(tài)監(jiān)測對(duì)保證焊接質(zhì)量至關(guān)重要。 

              3.激光焊接機(jī) 
              它的作用是實(shí)現(xiàn)光束與工件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng),完成激光焊接,分焊接專機(jī)和通用焊接機(jī)兩種。后者常采用數(shù)控系統(tǒng),有直角坐標(biāo)二維、三維焊接機(jī)或關(guān)節(jié)型激光焊接機(jī)器人。 

              3.改善和發(fā)展激光焊接的新技術(shù) 
              以下幾項(xiàng)技術(shù)有助擴(kuò)展激光焊接的應(yīng)用范圍及提高激光焊接自動(dòng)控制水平 

              l. 填充焊絲激光焊 
              激光焊接一般不填充焊絲,但對(duì)焊件裝配間隙要求很高,實(shí)際生產(chǎn)中有時(shí)很難保證,限制了其應(yīng)用范圍。采用填絲激光焊,可大大降低對(duì)裝配間隙的要求。例如板厚2mm的鋁合金板,如不采用填充焊絲,板材間隙必須為零才能獲得良好的成形,如采用φ1.6mm的焊絲做為填充金屬,即使間隙增至1.0mm,也可保證焊縫良好的成形。 

              此外,填充焊絲還可以調(diào)整化學(xué)成分或進(jìn)行厚板多層焊。 

              2. 光束旋轉(zhuǎn)激光焊 
              使激光束旋轉(zhuǎn)進(jìn)行焊接的方法,也可大大降低焊件裝配以及光束對(duì)中的要求。例如在2mm厚高強(qiáng)合金鋼板對(duì)接時(shí),容許對(duì)縫裝配間隙從0.14mm增大到0.25mm;而對(duì)4mm厚的板,則從0.23mm增大到0.30mm。光束中心與焊縫中心的對(duì)準(zhǔn)允許誤差從0.25mm增加至0.5mm。 

              3.激光焊接質(zhì)量在線檢測與控制 
              利用等離子體的光、聲、電荷信號(hào)對(duì)激光焊接過程進(jìn)行檢測,近年來已成為國內(nèi)外研究的熱點(diǎn),少數(shù)研究成果已達(dá)到了閉環(huán)控制的程度。圖1是激光焊接質(zhì)量檢測和控制系統(tǒng)的實(shí)例。 

              該系統(tǒng)所用傳感器及其功能簡單介紹如下: 

              (l)等離子體監(jiān)測傳感器 
              1)等離子體光學(xué)傳感器(PS):它的作用是采集等離子體的特征光-紫外光信。 
              2)等離子體電荷傳感器(PCS);利用噴嘴做探針檢測由于等離子體帶電粒子(正離子、電子)的不均勻擴(kuò)散而在噴嘴和工件之間形成的電位差。 

              (2)系統(tǒng)功能 
              1)識(shí)別激光焊接過程屬于何種方式。穩(wěn)定深熔焊過程,有等離子體,PS、PCS信號(hào)均很強(qiáng); 
              穩(wěn)定熱導(dǎo)焊過程,不產(chǎn)生等離子體,PS、PCS信號(hào)幾乎等于零; 
              模式不穩(wěn)定焊過程,等離子體間斷性地產(chǎn)生和消失,相應(yīng)地PS、PCS信號(hào)間斷性地上升和下降。 
              2)診斷傳輸?shù)胶附訁^(qū)的激光功率是否正常。當(dāng)其他參數(shù)一定時(shí),PS和PCS信號(hào)的強(qiáng)弱與入射到焊接區(qū)的功率大小有對(duì)應(yīng)關(guān)系。因此,監(jiān)視PS和PCS信號(hào)就可以知道導(dǎo)光系統(tǒng)是否正常,焊接區(qū)的功率是否發(fā)生了波動(dòng)。 
              3)噴嘴高度自動(dòng)跟蹤。 PCS信號(hào)隨噴嘴-工件距離的增加而減小。利用這一規(guī)律進(jìn)行閉環(huán)控制可以保證噴嘴-工作距離不變,實(shí)現(xiàn)高度方向的自動(dòng)跟蹤。 
              4)焦點(diǎn)位置自動(dòng)尋優(yōu)和閉環(huán)控制。在深熔焊范圍內(nèi),光束焦點(diǎn)位置發(fā)生波動(dòng)時(shí),PS接收到的等離子體光信號(hào)亦隨之變化,以最佳焦點(diǎn)位置處(此對(duì)小孔最深)PS信號(hào)最小。依據(jù)所發(fā)現(xiàn)的這個(gè)規(guī)律,可以實(shí)現(xiàn)焦點(diǎn)位置自動(dòng)尋優(yōu)與閉環(huán)控制,使焦點(diǎn)位置波動(dòng)小于0.2mm,熔深波動(dòng)小于0.05mm。 
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