激光密封焊接（精选9篇）
激光密封焊接 篇1
摘要：目前, 碘-125密封籽源在国外除被广泛用于前列腺癌的治疗外, 对其他部位不同类型肿瘤治疗的研究也取得了一定的成果, 例如恶性神经胶质瘤, 非小细胞肺癌等。先前我公司生产放射性碘-125密封籽源完全采用人工手动焊接方法, 成品率很低, 只有70%左右, 造成原材料的大量浪费, 且使放射性碘-125这种核素的挥发量加大, 造成的污染也较高。为克服上述生产过程中的弊端, 需要进行生产技术改造, 设计出一种“绿色环保”的“节约型”碘-125密封籽源焊接系统, 既能提高劳动生产效率, 满足密封籽源的大批量生产要求, 从而满足医院的临床使用, 又能降低可挥发性放射性物质对生产、环境的污染, 同时也能减少射线对操作人员的辐射伤害。
关键词：碘-125密封籽源,焊接系统,大批量生产
一、碘-125密封籽源的生产工艺介绍
1 碘-125密封籽源解剖图 (图1)
2 碘-125密封籽源生产工艺框图 (图2)
3 碘-125密封籽源主要的生产工序
(1) 冷钛管的激光焊接;
(2) 银丝的预处理;
(3) 放射性银丝的制备;
(4) 装载放射性银丝;
(5) 热钛管的激光焊接;
(6) 籽源清洗;
(7) 籽源剂量检测及入库。
金属钛管的焊接在碘-125密封籽源的整个生产过程中占两道工序, 如何提高生产效率及成品合格率至关重要。
二、总体设计介绍
1 碘-125密封籽源激光焊接系统的组成
碘-125密封籽源激光焊接系统由以下7部分组成:
(1) 激光焊接机;
(2) 步进马达;
(3) 金属钛管支架;
(4) 可编程控制驱动器;
(5) 气体保护装置;
(6) 视频监控装置;
(7) 精密定位装置。
2 碘-125密封籽源激光焊接系统各组成部分框图 (图3)
3 碘-125密封籽源激光焊接系统各组成部分的功能及原理
(1) 激光焊接机
完成碘-125密封籽源外包壳金属钛管的焊接密封。金属钛管是碘-125密封籽源的原料之一。进口来的钛管为管状结构, 长度为7mm~8mm, 直径为0.8mm, 两端开口。生产工序中首先需要使用激光焊接机将钛管的一端密封 (冷焊) , 当装载好带有放射性碘-125的银丝后, 再封闭另一端 (热焊) 。本身可以进行参数的设置及焊接能量的选择。
(2) 步进马达
带动金属钛管进行旋转, 步长为20000/周, 每旋转到指定角度则激光焊接机发出一次激光束进行局部焊熔。
(3) 金属钛管支架
钛管被固定在支架上, 随步进马达进行同步旋转, 以便进行激光焊接。支架采用铝质或铜质材料制成, 既容易加工又较轻便耐磨。
(4) 可编程控制驱动器
是激光焊接系统的控制部分, 并驱动步进马达按指令进行旋转运动, 同时控制激光焊接机激光束的发出及气体保护装置的启停。
(5) 气体保护装置
使用惰性气体氩气进行激光焊接时的保护, 防止被焊接钛管表面氧化而发黑, 同时使焊接熔融物迅速凝固密封。
(6) 视频监控装置
将钛管被焊接部位完全放大显示在屏幕之上, 对钛管实施准确定位;可清晰观测到每颗钛管的焊接过程, 从而及时调整焊接时的各项参数, 确保焊接密封效果;准确发现焊接的次品及时去除以防流入到下到工序。
(7) 精密定位装置
由于钛管直径很小, 要实现完好的密封, 必须实现对被焊接钛管X-Y-Z轴的准确定位, 使激光器发出的激光准确聚焦打在指定位置, 提高焊接效率和成品率;同时使钛管焊接部位完全显示于屏幕中心, 便于观察检测。
三、激光焊接系统各组成部分设计介绍
1 可编程控制驱动器
它是整个激光焊接系统的核心控制部分, 主要包括激光焊接机激光脉冲的发出或停止;控制保护气体的输出或关停;控制并驱动步进马达带动金属钛管支架旋转或停止。
(1) 内部运行软件
需要使之与计算机相连, 并通过如下编程系统进行编辑、调试、传输等获得。程序编制调试好并传入控制器后, 即可使之与计算机断开独立运行。软件操作系统及Si3540型可编程控制驱动器均来自于德国生产厂商:Applied Motion Products公司。
(2) 与各设备连接的控制接口介绍 (如图4所示)
①单项AC 110V/220V电源连接口
通过开关切换AC 110V和220V。
②步进马达连接口
A+、A-, 连接马达的一组线圈;B+、B-, 连接马达的另一组线圈。
3RS232通讯接口
程序编辑后需要进行调试或加载到可编程控制器时;需要将可编程控制器里的程序上传至P C机时, 通过此连接接口进行通讯传输。
4 输入、 输出接口 (6、4、8)
该三组接口中, 其中用于步进马达正、反转控制 (LIMITS) 的一组是悬空的, 无需使用。Outputs 1-3的输出控制口中OUT1+、OUT1-, 控制激光焊接机的启动;OUT2+、OUT2-, 控制激光焊接机的停止;OUT3+、OUT3-, 控制保护气体氩气的启、停。Inputs 1-4的控制口中只使用了IN/JOGCOM、INPUT1, 用于脚踏开关的控制输入, 其余都悬空不用。
5碘-125密封籽源激光焊接软件程序框图 (图5)
2 激光焊接机
选择国外进口YAG激光焊接机, 可同时连接三路光纤传输系统。本设计为便于焊接操作, 只采用单一的传输光纤, 其内径为0.8mm, 最大输出功率为14J/P, 脉宽5ms, 可调, 输出频率为1-25PPS。焊接时因金属钛管的壁很薄, 所使用能量控制在1.3-1.8J即可完成熔融密封。
3 步进马达
选择德国生产厂商:Applied Motion Products公司的步进马达是最佳选择。但我公司除了使用他们的产品而外, 还选择了日本三洋的产品, 使用效果也是很好, 而且国内就能买到, 也非常便宜。
4 精密定位装置
此精密定位装置我已作为第一发明人成功申请到实用新型专利, 专利号为:CN203664928U, 名称为“放射性密封籽源激光焊接精密定位装置”。本精密定位装置, 包括一底板平台、固定于底板平台上的激光出射头固定调节部件和水平位移调节部件、以及水平位移调节部件固定连接的钛管固定部件。其中激光出射头固定调节部件上设有Z轴位移粗调滑动块和Z轴位移细调调节器;水平位移调节部件上设有X轴位移调节器和Y轴位移调节器;通过以上部件的精密配合, 可用于对碘-125密封籽源的大批量生产, 提高生产效率, 降低可挥发性放射性物质对生产、环境的污染, 同时减少射线对操作人员的辐射。
5 气体保护装置
使用惰性气体氩气作为保护气体, 氩气纯度为99.99%, 气体来源于钢瓶, 通过减压阀、流量计、气嘴及管道在焊接时进行送气, 将整个被焊接的钛管笼罩在一个保护气流下, 从而使焊接部位光洁明亮, 无色斑。
6 视频监控装置
包括十字发生器和显示器。十字发生器用于在显示器上产生十字, 有利于碘-125密封籽源焊接时定位在显示器中心, 且被放大, 便于观察。
结论
目前, 我公司生产的碘-125密封籽源采用的激光焊接系统已有四套系统在同时使用, 运转正常, 效率高, 获得了经济效益和社会效益的双丰收。国内其他同类产品的生产厂家也都采用我们的焊接方式, 取得了较好的效益。
参考文献
[1]基于PLC的激光拼焊生产线控制系统设计[A].第六届全国信息获取与处理学术会议论文集 (1) [C].2008.
[2]李少华, 康蓉娣.激光焊接技术及其应用[J].舰船防化, 2011 (04) .
激光密封焊接 篇2
海洋工程结构因常年在海上工作，其工作环境极为恶劣，除受到结构的工作载荷外，还要承受风暴、波浪、潮流引起的附加载荷以及海水腐蚀、砂流的磨蚀、地震或寒冷地区冰流的侵袭。此外，石油天然气的易燃易爆性对结构也存在威胁。而且海洋结构的主要部分在水下，服役后焊接接头的检查和修补很困难，费用也高，一旦发生重大结构损伤或倾覆事故，将造成生命财产的严重损失。所以对海洋工程结构的设计制造、材料选择以及焊接施工等都有严格的质量要求。而随着海洋石油和天然气工业的发展,海洋管道工程日益向深海挺进,我国作为一个发展中的沿海大国,国民经济要持续发展,就必须把海洋的开发和保护作为一项长期的战略任务。大量的海底管道施工工程对水下焊接技术提出了新的要求。
水下焊接由于水的存在，使焊接过程变得更加复杂，并且会出现各种各样陆地焊接所未遇到的问题，目前，世界各国正在应用和研究的水下焊接方法种类繁多，应用较成熟的是电弧焊。随着水下焊接技术的发展，除了常用的湿法水下焊接、局部干法水下焊接和干法水下焊接以外，又出现了一些新的水下焊接方法。但是，从各国海洋开发的前景来看，水下焊接的研究远远不能适应形势发展的需要。因此，加强这方面的研究，无论是对现在或将来，都将是一项非常有意义的工作。
湿法水下焊接
湿法焊接中，水下焊接的基本问题表现最为突出。因此采用这类方法难以得到质量好的焊接接头，尤其在重要的应用场合，湿法焊接的质量难以令人满意。但由于湿法水下焊接具有设备简单、成本低廉、操作灵活、适应性强等优点。所以，近年来各国对这种方法仍在继续进行研究，特别是涂药焊条和手工电弧焊，在今后一段时期还会得到进一步的应用。在焊条方面，比较先进的有英国Hydroweld公司发展的Hydroweld FS水下焊条，美国的专利水下焊条7018’S 焊条，以及德国Hanover大学基于渣气联合保护对熔滴过渡的影响和保护机理所开发的双层自保护药芯焊条。美国的Stephen Liu等人在焊条药皮中加入锰、钛、硼和稀土元素，改善了焊接过程中的焊接性能，细化了焊缝微观组织。水下焊条的发展促进了湿法水下焊接技术的应用。目前，在国、内外都有采用水下湿法焊条电弧焊技术进行水下焊接施工的范例。
药芯焊丝的出现和发展适应了焊接生产向高效率、低成本、高质量、自动化和智能化方向发展的趋势。英国TWI与乌克兰巴顿研究所成功开发了一套水下湿法药芯焊丝焊接的送丝结构、控制系统及其焊接工艺。华南理工大学机电工程系刘桑、钟继光等人开发了一种药芯焊丝微型排水罩水下焊接方法，从实用经济的角度出发,完全依靠焊接时自身所产生的气体以及水汽化产生的水蒸气排开水而形成一个稳定的局部无水区域,使得电弧能在其中稳定的燃烧。微型排水罩的尺寸和结构决定了焊接过程中无水区(局部排水区)的大小和稳定程度。除此之外，他们还通过复合滤光技术和水下CCD摄像系统，采集出了药芯焊丝水下焊接电弧区域图像，从而为水下湿法焊接电弧的机理分析及水下焊接过程控制奠定了基础。
炉顶密封内护板焊接分析与实践 篇3
HG2008t/h锅炉炉顶为保证密封性,设计顶棚内护板的二次密封形式。顶棚内护板运行过程直接与高温,具有强烈腐蚀的烟气相接触,在与高温介质接触过程中将会产生腐蚀现象,因此护板采用Cor-TA钢为主要密封件,Cor-Ten A钢板的焊接性能差,且厚度小(=3mm)因此选用合适的焊接工艺来保证密封性能良好是必要的。
2 Cor-Ten A钢化学成分及机械性能分析
2.1Cor-Ten A钢化学成分如表1所示。与一般代合金热轧钢比较,采用Cu-P-Cr-Ni合金体系,这种合金体系可以增强钢材的腐蚀效果。由于P在钢材中含量较高,焊接时增加了焊接金属的冷脆性,即冲击韧性降低,脆性转变温度升高。若焊缝含碳量高时,磷促进结晶裂纹产生。因此应限制焊缝的含P量。铜元素增加金属流动性不利于焊接。
根据公式计算Cor-Ten A钢的碳当量:
Ceq=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15=0.12+0.50/6+1.25/5+(0.65+0.55)/5=0.533
可以认为Cor-Ten A焊接性较好,具有一定的淬硬性
考虑Cor-Ten A钢焊接时易产生热裂纹,引入下面公式:
H.C.S=C(S+P+Si/25+Ni/100)×103/(3Mn+Cr+Mo+V)
=0.12(0.05+0.15+0.75/25+0.65/100)×103/(3×0.5+1.25)=10.32>3.36
所以Cor-Ten A钢焊接时易产生热裂纹
2.2 Cor-Ten A钢机械性能如表2,一般的熔敷金属机械性能均可满足母材要求
3实际安装焊接中主要存在以下情况对接材质:
Cor-Ten A+Cor-Ten A;20+Cor-Ten A;12Cr1Mo V+Cor-Ten A。
3.1异种钢焊接接头的特征
异类接头与同类接头的本质差别在于均匀与均衡性。以焊接接头熔敷金属为中心,其两侧母材和焊接热影响区所成连续体,各区材质都保持均匀一致者属于同类接头,若各区材质发生偏差则为异类材质。
异类接头的非均质性表现在如下几方面:一是化学成分的不均匀性。在两种不同钢材焊接时,由于焊缝两侧的金属和焊缝熔敷金属的合金成分有明显的差异,随着焊缝形状、母材厚度、焊条药皮或焊剂、保护气体种类、焊接电源、电弧电压、焊接速度、焊接位置等不同,焊接熔池的行为就大不一样,母材的熔化量也随之而发生差异,熔敷金属与母材熔化区化学成分的浓度相互稀释的作用也将发生变化。由此可见,异种钢焊接接头各区域化学成分的不均匀程度,不仅取决于焊件和填充材料各自原始成分的差异,同时随着焊接工艺过程的实施而发生变化,通常都会加剧接头形成化学成分布均匀性。
二是金相组织的不均匀性。两种材质不同的母材,在经过焊接热循环作用后,由于化学成分的差异,将在焊接接头各区域出现不同的金相组织,局部的地方往往出现相当复杂的组织结构。
三是性能的不均匀性。一方面是沿着焊接接头各区域力学性能的差异,如室温下的强度、硬度、塑性、韧性等都有很大的差别,有时在几个晶粒的微小区域内显微硬度将出现成倍的差值。在焊缝两侧的热影响区,往往两侧的冲击值就有几倍的差异。在高温蠕变极限和持久强度也会因成分和组织不同,相差极为悬殊。另一方面是焊接各区域物理性能的不均匀性,影响最大的是膨胀系数和导热系数不均匀。
四是应力场分布的不均匀性。异类接头各区具有不同的塑性,它的不均匀程度决定着焊接接头中应力场分布不均匀的状况,即焊接残余应力场的变化将随着各区金属性能的变化而变化。此外,焊接接头各区金属导热性的差异,将引起焊接热循环温度场的变化,这也是焊接残余应力分布不均匀的因素
3.2在平常均采用E5515B2焊条焊接,焊接过程中出现焊缝开裂,为防止P的影响采用低磷,具有耐热抗腐蚀性能的低合金焊条:E5515B2、Cr-Mo珠光体耐热钢焊条。
3.3坡口角度
异种钢焊接坡口角度除和厚度有关还与焊缝金属熔合比有关,熔合比越小焊缝金属的化学成分和性能比较稳定,波动较小
3.4焊接规范参数的选择
控制电流线能量,和焊接速度。
4考虑炉顶内护板的密封作用,根据锅炉厂技术要求,施工的护板与护板、护板与受压元件间焊接接头采用搭接的形式。
4.1板与板之间的平面搭接,搭接长度为30mm;搭接间距≤1mm;
4.2护板局部切割后,采用Cor-Ten A钢板作搭接形式密封,不得直接对接焊;
4.3焊缝局部间隙过大,应设法修整到规定尺寸,一般不得添加异物,无法修整应加Cor-Ten A钢板条密封。
4.4搭接焊缝焊角尺寸k=3mm,如图1。
5为保证焊接质量,焊缝附近内外壁油液、锈清理干净。焊条存放干燥处,用前烘干,三种焊条烘干温度310℃,保温1h。
6从以上分析可以看出Cor-Ten A钢焊接性不好,且壁厚=3mm,工作量大,焊接位置多样,制定以下焊接方法、规范。
6.1采用手工电弧焊。
6.2焊前可不预热,焊后不热处理,因壁薄,焊接冷却速度不大。
6.3焊前点固。点固要牢且点均匀,防止焊点裂开。由于焊缝较长防止变形和焊缝残余应力,注意焊接顺序,采用中间向两端焊和跳焊法,尽量使焊缝自由收缩如图2,3,4。
6.4焊接过程中防止烧穿和控制焊缝的熔敷金属稀释率尽可能采用较小焊接线能量,使用直流反接形式。参数如表3。
焊接注意采用短弧操作,注意熔池排气。
7工程结束,进行风压实验密封性较好。
8分析整个焊接工程,存在以下几个问题:
8.1异种钢焊接注意焊接工艺
8.2焊接过程,不严格按照焊接顺序焊接,使点固点应力大而开裂。经改变焊接顺序解决。
8.3焊接电流、电压参数、选择,并不能达到最好的焊接效率和质量。应通过工艺评定取得最佳参数。
摘要：通过对Cor-TenA钢材分析,选择合格的焊接材料,施工中制定合理的焊接工艺并提出问题。
关键词：炉顶密封,Cor-TenA钢,焊接
参考文献
[1]焊接冶金与金属焊接性[M].北京:机械工业出版社
[2]焊接结构[M].北京:机械工业出版社.
[3]控制大面积薄板焊接工程焊接变形的有效途径-焊接技术.
激光焊接技术的应用及发展 篇4
题目：激光焊接技术的应用及发展班级：姓名：学号：
激光焊接技术的应用及发展
高伟
（沈阳工业大学 材料科学与工程学院 辽宁 沈阳）
摘 要：激光焊接作为一种新型的焊接方法，已经在越来越多的领域得到广泛的应用。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等方面进行了综述。希望对激光焊接技术的应用和发展有一个比较全面的了解。
关键字：激光焊接技术 应用领域 发展
Abstract: As a new technology, laser welding is widely applied in mangy fields.The general situation of laser welding technology, the research situation of domestic and foreign laser welding technology, application of laser welding technology and the development tend of laser welding technology are summaries in this paper.Through this paper we get a quite comprehensive understanding to the laser welding technology application and development.Key words: laser welding, application fields, development 引 言
激光焊接作为一种新型的焊接技术已被广泛的应用于IT、医疗、电子、汽车、机械和航天等行业，为优质、高效、无污染和低成本的现代加工生产开辟了广阔的前景。由于具有很高的适应性、很强的加工能力以及更加先进的质量检测手段，激光焊接在许多行业已经逐步取代了一些传统的焊接技术。
1激光焊接技术的概况
目前激光焊接是激光工艺技术应用的核心内容,同样是目前大力发展的一种焊接技术。一些国外发达国家早已将激光焊接技术应用于工业生产方面,而国内在开发激光焊接技术的时候,州门还要拟定起一个匹配于我国工业的发展规划书。随着工业制造的持续发展,高效的加工技术将会是未来工业发展的必然趋势,而激光焊接则符合这一发展趋势。通过长期实践我们总结出,激光焊接在加工业的应用面非常宽,激光焊接术较之常规焊接技术其焊接品质更高,月加工更有效率。
激光焊接的特点是被焊接工件变形极小,焊接深度/宽度比高,热影响区小,因此焊接质量比传统焊接方法高,它们在工业上的应用越来越广泛。激光焊接还具有不受磁场的影响,不局限于导电材料,不需要真空的工作条件并且焊接过程中不产生X射线等优点。随着制造部门把自动化技术应用到焊接过程,激光和计算机控制的结合能够更好更精确地控制焊接过程,从而提高产品质量。保证激光焊接的质量,也就是激光焊接过程监测与质量控制也已成为激光利用领域的重要内容,包括利用电感、电容、声波、光电等各种传感器,通过电子计算机处理,针对不同焊接对象和要求,实现诸如焊缝跟踪、缺陷检测、焊缝质量监测等项目,通过反馈控制调节焊接工艺参数,从而实现自动化激光焊接。激光可以用于对很多材料的焊接,碳钢、低合金高强度钢、不锈钢、铝合金和钛合金等都可以用激光进行焊接。一般来说,激光焊接的速度跟激光功率成正比,也受到工件的材料类型和厚度的影响。激光焊接的应用也随着激光焊接技术的发展而日趋广泛,目前已涉及航空航天、武器制造、船舶制造、汽车制造、压力容器制造、民用及医用等多个领域。2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YAG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、MAG焊接进行了比较。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HAZ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。
相关资料显示,激光的高能量密度不但可以融化金属,且还能够将金属完全汽化,而金属在气化后与激光束接触,就会出现等离子体。等离子体可以吸收激光束,同时还能够将激光进行反射,这样就会导致光斑聚焦发生偏移,这在很大程度上都影响着激光的焊接质量。因此控制等离子体,尉罢在激光焊接技术的主要问题。近年来国外开发了激光摆动法,其理论为将光束沿悍接方向反复摆动,时间在匙孔出现后和等离子体出现前,这样有效的防止了等离子体的出现。而相关资料显示,等离子体的内质密度为影响激光束传输的核心要素,其可以经磁场辐射遏制等离子体对激光束的屏蔽效应。
另外,我们还进行了一些难熔金属的焊接,如钨、钥、祖等,这些金属的熔点都在2600℃以上,用传统的焊接方法成品率低且质量不能保证,用激光焊接不仅工艺简单,而且成品率均在98%以上。对熔点温度相差很大的两种不同的金属进行激光焊接,例如铜和铁、钢和金、铬和钦、铁和钥、镍和铂等,都可收到很好的效果。激光焊接作为一种特殊的焊接工艺,正逐渐被人们所认识和使用,随着我国改革开放的不断深入,激光焊接技术一定会得到瞩目的发展。
3激光焊接技术的应用
伴随工业激光器的研发以及相关学者对焊接技术的研究,目前此技术已被广泛应用。不过因成本问题,应用激光焊接的基本都是量产焊接的行业,七以口造船业以及汽车制造业等等,同时很多投资较大的特殊行业也会应尾激光焊接技术。在欧美地区,激光焊接已被汽车业以及金属加工业所广泛应用二而在中国,激光焊接术还仅仅被应用在电气等工业。现阶段很多发达国家的主要绍齐来源都要依附于汽车工业,很多发达国家平均每年的汽车出产量少则数千万计,所以,制造技术的完善及发展,始全绪日是相关学者的主要研究课题。利用激光焊接技术,能够有效的控制车体的质量,而且还在很大程度上提高了车身的强度,最主要的是降低了汽车的生产成本。
近年来激光焊接技术已应用于造船领域,一般的船用板材都需要达到一定的厚度,且焊缝较长,所以焊接后的翘曲以及变形为造船业的一大问题。相关资料显示,通过普通焊接工艺,大概有四分之一的工作量都应尾到了船板的整型中。因为激光焊接有较高的能量密度,同时光斑范围较小,热影响范围较常规的弧焊要小很多,焊后无显著的变形从而激卿旱接技术十分适用于造船业。通过激光对塑料施焊,在发达国家已是非常成熟的技术,而此技术在国内正处于发展中。常规塑料焊接基本都是以高频焊、热熔焊以及振动摩擦焊为主,上述焊接技术难以达到那些结构繁琐、加工精度高领域白舫目关要求。3.1激光焊接技术在汽车制造上的应用
工业上的激光焊接技术是目前激光工业中的第三大领域,在当今社会中已有大幅度的增长和广泛的应用。特别是在制造业的汽车产亚上,车身的部件大部分采用了激光的焊接技术,已取代我国传统的电阻电焊技术。激光焊接技术在国内外都有广泛的应用。例如日本本田汽车车门框和各种材料上的激光焊接。美国的福特汽车的中央门柱焊接技术。通过几个案例可以表明激户己焊接技术在汽车车身的制造上是非常可取的。激光技术不断随着社会改革发展而增加扩大范围,激光在工业上的用途也有了大幅度的提升。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。
在电子工业中对激光焊接技术需求也是必不可少的。主要应用在显像管的电子枪,且在这方面上获得不错成绩,在日本的东芝公司中已成功的将焊接显像电子枪装配到线上。我国有几个厂家也应用了,华中理工大学所研发出来的激光焊接电子枪设备。另外,激光的焊接在续电器、电路引线、计算机配件中获得较大成功。3.2塑料激光焊接的应用
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。
塑料激光焊接技术是一种变革性的短流程、数字化、知识化、绿色环保、先进的近净成形新技术，正在成为激光焊接领域的一个热点；它具有成本低、速度快、加工方便、原材料适用范围广、实现精密数控容易、结合性和工艺性好等许多优点$并且以其十分独特的技术和经济优势弥补了常规塑料连接方法的不足。在未来几年，中国将有可能成为全球最大的塑料产品市场要使激光焊接技术在塑料材料高品质，高附加值的加工领域获得应有的地位，这样塑料激光焊接技术所带来的巨大经济效益和社会效益是毋庸置疑的。3.3激光焊接在船舶制造上的应用
船舶制造中，钢板从储存、运输到下料切割、装配焊接等一直是增加变形的过程，特别是焊接，钢板变形影响很大。很多船厂花费大量人力物力用于焊接变形的火工校正工作。据统计，单船焊接费用占到整个船体制造费用的30%以上。现在船东、船检对船舶的质量要求提高，特别是豪华游船，船体外观要求很光顺，而船厂为达此要求花费很高。而使用激光焊接，速度快，变形小，焊缝窄，光顺美观，节省了大量后续校正工作。激光焊接不仅是制造工艺上的变化，而且也带来了船体结构上的创新和变化。例如，美国在最新建造的新型船舶上广泛使用高强度、低合金钢的T形构件，通过激光焊接技术的采用，令船舶的重量大幅降低。船用复杂结构如“三明治”板、T型和I型结构等，传统焊接方法的热输人量大，易引起工件严重变形、热影响区性能下降等问题;此外“三明治”结构是在两层薄板间加不同形式的撑板来实现整体结构的强度提升和重量减轻，弧焊方法难以完成。采用激光焊接技术这些问题都可解决.激光焊接技术可改进船舶设计的理念、减轻船舶的重量、降低船舶制造成本等。在欧洲，激光焊接已应用于护卫舰、轻型巡洋舰、大型游艇的焊接，它能够提高板的有效载荷，满足轻型设计要求，同时具有较高焊接速度。3.4其他领域
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方面，我国进行了许多研究，如对BT20钛合金、HE130合金、Li-ion电池等激光焊接。德国玻璃机械制造商Glamaco Coswig公司与IFW接合技术与材料实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。
4激光焊接技术的发展
目前,在激光焊接技术研究与应用方面处于世界领先水平的国家有德国、日本、瑞士和美国等国。横流连续CO2激光加工设备的输出功率可达20kW,脉冲N d∶YAG激光器的最大平均输出功率也已达到4kW,并且实现了纳秒级的脉冲宽度。激光焊接能够实现的材料厚度最大已达80mm,最小为0.05mm,大部分材料的激光焊接质量均超过传统焊接工艺。激光焊接技术正朝着低成本、高质量的方向发展,具有很大的发展潜力和发展前景。可以预料,激光焊接工艺将逐步占据焊接领域的主要位置,并取代一些传统落后的焊接方法。5结束语
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。
随着技术和工艺方法的不断进步,激光作为非接触柔性制造工具的特性将体现得更为明显。激光制造必然成为便捷高效、绿色环保、节能降耗的先进制造技术,促进我国工业领域的技术进步和产品技术改造,满足国民经济尤其是制造业的发展需要。
参考文献
激光焊接造就完美车身 篇5
激光加工是利用高辐射强度的激光束, 经过光学系统聚焦 (功率密度可达104～1011W/c m2) , 对工件加工部位施加高温进行热加工的技术。与传统的焊接方法相比, 激光焊接生产效率高和易实现自动控制的特点使其非常适于大规模生产线和柔性化制造。其中, 激光焊接在工程车辆制造领域中的成功应用可大大提高生产效率和产品质量, 已经凸显出激光焊接的巨大优势。
激光焊接的优点首先是被焊接工件变形极小, 几乎没有连接间隙, 焊接深度/宽度比高, 在高功率器件焊接时, 深宽比可达5∶1, 最高时可达10∶1, 焊接质量比传统焊接方法好;其次是焊缝强度高, 焊接速度快, 焊缝窄, 且通常表面状态好, 免去了焊后清理等工作, 外观比传统焊接要美观;另外, 激光焊接可焊接难以接近的部位, 实施非接触远程焊接, 具有很大的灵活性。尤其是近几年来, 在光纤激光加工技术中, 由于光纤传输技术的优势, 激光焊接技术获得了更为广泛的推广和应用。
鉴于这些特点, 在汽车工业, 激光焊接通常被应用于车身焊接的关键工位以及对工艺有特殊要求的部位, 如用于车顶与侧围外板焊接能解决焊接强度、效率、外观及密封性的问题;用于后盖焊接可解决直角搭接问题;应用在车门总成的激光拼焊可有效提高焊接质量和效率。
激光焊接在白车身制造中的应用主要有普通激光焊接、激光钎焊、激光远程焊接等。
激光焊接
普通激光焊接工艺主要被用于车顶焊接, 可以降噪和适应新的车身结构设计。欧洲各大汽车厂的激光器绝大多数被用于车顶焊接。目前, 德国大众已在AudiA6、AudiA4、Golf和Passat等车顶采用了此项技术, 宝马的5系、欧宝的Vectra车型以及瑞典沃尔沃的一些车型生产中, 对激光焊接更是趋之若鹜。
在我国, 上海大众已经在众多车型上采用了激光技术来焊接车顶和侧围外板, 如帕萨特、途安等;上海通用的新君威、君越平台上也应用了激光焊接工艺。上海通用新君威的车顶与侧围焊接装置, 采用了4k W泵浦激光器, 同时, 焊缝识别、跟踪系统以及焊缝质量实时监测系统等都集成于激光焊接头上。焊接新君威车顶只需十几秒, 与传统点焊相比, 焊接质量和效率都大大提高, 焊接完毕后, 无需增加车顶饰条, 提高了整车的美观度。
与传统电阻点焊接头相比, 采用激光焊接方式可大幅降低接头凹槽宽度 (由20m m降低到10m m左右) , 从而可以减少车重。在设计连接方式时, 可采用重叠方式和搭接方式两种。从图1可以看出, 二者所焊接的位置有所差别。重叠方式对激光焦点的定位要求较低, 只需聚焦在板材重叠范围内即可, 不需要专门的焊缝跟踪系统, 但缺点是当焊接镀锌板时, 被激光气化的锌蒸汽无法溢出, 会导致焊缝可能出现气孔等缺陷。搭接方式对激光焦点的定位要求较高, 需聚焦在搭接缝上, 故需要专门的焊缝跟踪系统, 增加了设备成本, 但它可以避免焊接镀锌板时的焊缝气孔等缺陷问题, 锌蒸汽可从搭接头边缘缝隙中排出。
使用激光焊接的优点很明显, 焊接速度快 (以5～6m/min的焊接速度, 焊接1.5m车顶只需十几秒) , 焊缝质量好, 连接强度高 (激光焊缝强度是常规电阻点焊的1.5倍) 且具有较高的密封性;缺点是设备投资成本较高, 如两台4k W N D∶Y A G泵浦激光器加上附属焊接系统的成本约为250万美元, 远远高于电阻点焊设备的投资。
激光钎焊
激光钎焊与传统的M I G钎焊类似, 其区别在于它采用激光源来熔化焊丝, 填充焊缝, 以形成焊接接头。图2所示为激光钎焊的工艺及应用。
汽车生产厂家通常采用的激光钎焊钎料是CuSi3, 熔点950℃左右, 远低于钢的熔点 (约1500℃) , 故激光钎焊所需的激光器功率较低 (约为普通激光焊接的一半) , 能够大大节省昂贵激光器的投资成本。CuSi3浸润后强度可达350MPa左右, 高于普通低碳钢, 故激光钎焊能够达到很高的强度。
激光钎焊过程中, 钎料被填入到接头缝隙中, 无需在焊后涂胶及添加饰条, 能够节省大量工艺成本。目前激光钎焊已在车顶与侧围外板、后盖焊接上得到广泛应用。激光钎焊在焊接车顶与侧围外板时的缺点是, 它对夹具定位的要求较高, 每种车型均需要专门的夹具 (见图3) 来对车顶侧围进行夹持, 以保证焊缝的精度, 获得稳定的焊接质量。因此, 激光钎焊夹具的柔性较差。
远程激光焊接
远程激光焊接 (见图4) 已经正在成为可替代传统汽车白车身电阻点焊的一种新手段。根据行业调查, 业界已安装的远程激光焊接设备超过60套, 主要集中在欧洲和北美地区。
远程激光焊接为非接触式焊接, 采用专门的镜头将激光聚焦在1～2m远的焊接工件上, 镜头由机器人驱动, 通过机器人移动和激光聚焦点的变化, 灵活地实现各个部位的焊接。激光远程焊接技术发挥了单侧、非接触式激光焊接带来的技术和经济优势, 并将其与高速扫描镜片带来的优势相结合, 大大缩短了焊接时间, 在整个焊接工艺流程中提高了总生产效率。
对于传统激光、机器人焊接, 20mm的缝焊需0.2～0.4s完成, 重复定位时间约3s。而对于远程激光焊接来说, 焊接时间相同, 重复定位时间仅为0.2s。由此可见, 远程激光焊接的关键优势在于定位时间大大缩短, 这是由于它装备了高速的光束扫描装置。
C o m a u P i c o公司很早就曾为推动远程激光焊接技术的发展而努力, 他们曾和RofinSinar等公司合作, 采用一台基于CO2激光器的远程焊接设备, 利用扫描镜片以高速反射光束, 焊接车身件的多个焊接位置。
在FiatMarea车型的一个典型部件上, 远程CO2激光焊接也被用来替代电阻点焊, 以消除在车后部尾门上采用胶粘剂带来的成本。在这一应用中, 总的激光缝焊时间是5s。在对该车型门框的焊接上, 43条激光焊缝仅需30s就能完成, 替代了传统的电阻点焊。在这项应用中, 重复定位时间的降幅高达94%。
Renault公司采用一套Agilaser焊接C85的前门部件, 替代了原先使用的需要12台机器人电阻焊的系统。原系统需要占地1050m2, 而采用五台机器人工作站的Agilaser仅占地808m2。
两台Agilasers以66s的周期生产部件, 焊接93条右侧及左侧激光焊缝, 而以前则需要电阻点焊130个右侧和左侧焊点。在Renault公司, 一台Agilaser在C65车型的前门焊接38条激光焊缝, 仅用两套夹具。激光远程焊接的优点在于更经济、占用空间更少, 相比要使用6～8套夹具的电阻点焊来说, 远程焊接仅需一套夹具。另一方面, 远程激光焊接的缺点在于其对工件匹配要求很高, 这使得设计和制作夹具非常复杂。
结语
目前普通激光焊接和激光钎焊技术已比较成熟, 被普遍用在车顶及后盖的焊接中;远程激光焊接仍然在不断发展中, 是一种高效率、灵活的焊接方式。
汽车车身的激光焊接 篇6
焊接的方式有多种, 目前一般汽车的车身焊接都是用点焊、缝焊、电弧焊等方式。点焊是通过施加在点焊电极汇的电流将零件的接触表面熔化, 然后在压力作用下将零件的接触表面熔结在一起, 主要用于车身构件及车架的焊接。缝焊是用滚轮电极传递焊接电流与压力, 通过滚轮与零件表面相对移动进行连续的焊接, 主要进行密封性焊接, 例如油箱及车顶盖。电弧焊是将零件表面局部施以高温熔化和连接零件, 不需要施压的一种焊接方式, 例如CO2焊, 主要用于车身蒙皮的焊接。
激光焊接是21世纪汽车工业上应用的新技术。它采用偏光镜反射激光产生的光束, 使其集中在聚焦装置中产生巨大能量的光束, 例如激光束在聚焦点上的直径为0.3~0.5m m, 可得到超过106~108W/c m2的光强, 如果焦点接近工件, 工件表面会产生极高温度, 在几毫秒内熔化, 达到熔化结合的物理变化, 也就是起到了点焊的作用, 但是焊接的牢固性超过普通的点焊。点焊是将两块钢块结合在一起, 但钢板之间有缝隙, 在受到一定外力的冲击下, 钢板之间会同焊点的强度不够而断裂, 而激光焊接是将两块钢板的分子熔合在一起, 也就是说将两块钢块“合二为一”, 焊接后的两块钢板强度相当于一块钢板。
激光焊接工艺及特点
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, 通过激光截剪和拼装技术完成车身某一部位的制造。经过十余年的发展, 激光焊接从最开始仅用于车顶连接, 到现在已经遍布白车身的各个部分。
激光焊与电子束焊有许多相似之处, 但它不需要真空室, 不产生X射线, 更适合在生产中推广应用。因此, 激光焊接实际上已取代了电子束焊接20年前的地位, 成为高能束焊接技术发展的主流。
1.激光器
激光焊接设备的关键是大功率激光器, 主要有两大类, 一类是固体激光器, 又称N d:Y A G激光器。N d (钕) 是一种稀土族元素, Y A G代表钇铝柘榴石, 晶体结构与红宝石相似。N d:Y A G激光器波长为1.06μm, 优点是产生的光束可以通过光纤传送, 因此可以省去复杂的光束传送系统, 适用于柔性制造系统, 通常用于焊接精度要求比较高的工件。汽车工业常用输出功率为3~4k W的N d∶Y A G激光器。另一类是气体激光器, 又称C O2激光器, 分子气体作为工作介质, 产生平均波长为10.6μm的红外激光, 可以连续工作并输出很高的功率, 激光功率在2~5k W之间。
2.特点
激光焊接的特点是被焊接工件变形极小, 几乎没有连接间隙, 焊接深宽比高, 例如焊缝宽1m m, 深为5m m, 因此焊接极为牢固, 表面焊缝宽度很小, 连接间隙实际为零, 焊接质量比传统方法高。所以在一些用激光焊接的汽车顶壳是不用装饰条遮蔽焊接线的, 例如上海大众的帕萨特和波罗。在汽车制造中, 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点焊已经逐渐被激光焊接所取代。用激光焊接技术, 既提高了工件表面的美观, 又降低了板材使用量;由于零件焊接部位几乎没有变形, 不需要焊后热处理, 还提高了车身的刚度。
3.辅助设备
由于激光熔焊、激光-M I G复合焊接技术方法的不同以及焊接接头形式的不同, 所以对焊接接头的装配精度要求也不同。搭接焊缝的激光熔焊和角焊缝的激光钎焊可以采用普通的焊接机器人。对接焊缝的激光钎焊和激光焊必须采用区别于常规机器人的绞臂式焊接机器人, 通常设计焊缝自动跟踪矫正系统。
焊接夹具可以保证激光焊接时所连接板材或总成的精确定位, 保证焊缝间隙, 防止焊接变形, 从而提高激光焊接接头的质量。激光焊接控制系统主要包括焊接过程的视频监视系统、机器人的焊缝自动跟踪系统和矫正系统、送丝控制系统等。对于不同的激光焊接方式, 控制系统的组成也有所相同。激光熔焊无需送丝系统、焊缝自动跟踪系统和运行轨迹矫正系统。对于激光切割技术, 往往还需要与激光在线检测系统协同使用。
在开发激光焊接新技术方面, 激光技术在车身制造过程中的发展经历了不等厚钢板激光拼接技术、车身激光焊接技术和激光复合焊接技术的发展历程。与单一的激光熔焊技术相比, 激光复合焊接技术具有显著的优点:高速焊接时电弧有较高的稳定性、更大的熔深、较大缝隙的焊连能力, 焊缝的韧性更好, 通过焊丝可以影响焊缝组织结构, 以及无焊缝背面下垂现象等。
激光焊接发展趋势
随着时代的进步, 激光焊接的技术也在不断发展中, 以下几项技术有助扩展激光焊接的应用范围及提高激光焊接自动控制水平。
1.填充焊丝激光焊
激光焊接一般不填充焊丝, 但对焊件装配间隙要求很高, 实际生产中有时很难保证, 限制了其应用范围。采用填丝激光焊, 可大大降低对装配间隙的要求。例如板厚2m m的铝合金板, 如不采用填充焊丝, 板材间隙必须为零才能获得良好的成形, 如采用φ1.6mm的焊丝做为填充金属, 即使间隙增至1.0mm, 也可保证焊缝良好的成形。此外, 填充焊丝还可以调整化学成分或进行厚板多层焊。
2.光束旋转激光焊
使激光束旋转进行焊接的方法, 也可大大降低焊件装配以及光束对中的要求。例如在2m m厚高强合金钢板对接时, 允许对缝装配间隙从0.14m m增大到0.25m m;而对4m m厚的板, 则从0.23m m增大到0.30m m。光束中心与焊缝中心的对准允许误差从0.25mm增加至0.5mm。
3.激光焊接质量在线检测与控制
利用等离子体的光、声、电荷信号对激光焊接过程进行检测, 近年来已成为国内外研究的热点, 少数研究成果已达到了闭环控制的程度。
结语
目前, 德国大众汽车公司在奥迪A6、高尔夫A4、帕萨特等品牌的车顶均采用激光焊接, 宝马、通用公司在车架顶部也采用激光焊接, 德国奔驰公司则采用激光焊接传动部件。
除了激光焊接, 其他激光技术也得到了广泛应用:大众、通用、奔驰、日产公司应用了激光技术切割覆盖件, 菲亚特和丰田公司应用激光涂覆发动机排气阀, 大众公司则对发动机凸轮轴进行激光表面硬化处理。
激光密封焊接 篇7
随着激光器制造技术的发展, 不断推进高科技的研发和应用, 激光焊接将是一门21世纪发展迅速的新制造技术, 是对我国传统工业的技术改造新兴工业领域以及制造业的现代化提供先进的技术设备, 在现有的激光焊接技术基础上, 以及传统工艺上进行改造更新, 使激光焊接可以发挥出更好的优势。在激光焊接过程中, 掌握好参数的一些变化规律, 就可以根据不同要求来调整参数, 通过控制激光焊接参数来获得最好的焊接质量, 来保证焊接质量的可靠性和稳定性。
1 激光焊接的原理和特点
1.1 激光焊接的原理
激光焊接工作是应用高能脉冲激光来实现, 脉冲氙灯作为泵浦源, 激光电源把脉冲氙灯点着, 通过激光电源对氙灯放电, 形成一定频率的光波, 光波经过激光聚光腔照射到激光晶体上, 使晶体受激辐射, 再经过谐振腔之后发出波长的脉冲激光, 该脉冲激光经过扩束, 反射聚焦于所要焊接的物体, 在控制器的控制下, 移动工作台面完成焊接。
1.2 激光焊接的特点
激光焊接具有高的深宽比, 热影响区小, 变形小, 速度快, 焊缝平整, 美观, 焊后无需微小处理, 焊后质量高, 可细化组织, 焊缝强度韧性高, 精细控制, 光点小, 易实现自动化。
2 影响焊接质量的参数
2.1 激光功率
确保足够的功率, 便得到好的焊接效果, 激光焊接的首要参数是功率的大小, 根据焊接厚度速度, 确定输出功率的数值, 再加上气体保护, 可得好的焊接效果。激光功率小时, 产生小孔效应, 但效果不好, 焊缝内有气孔, 焊接功率大时, 焊缝内气孔消失, 会引起材料成分吸收, 使小孔内气体喷溅或者焊缝产生疤痕, 甚至使工件焊穿。为使焊缝平整光滑, 激光功率在开始和结束时都设计有渐变过程, 启动时激光功率由小变大到预定值, 结束焊接时激光功率由大到小, 焊缝才没有凹坑或斑痕, 图1为激光输出功率与熔深的关系。
2.2 激光脉冲波形
激光脉冲波形由斩波电路获得, 不考虑氙灯放电光波形前后沿的变化于激光波形的区别时, 激光脉冲波形基本是一个矩形脉冲, 矩形的宽度由斩波电路的开通时间决定, 一般脉冲重复频率是的100Hz至于200Hz, 图2为斩波电路示意图。
2.3 激光脉冲宽度
脉宽根据熔深的要求来确定, 最大的熔深是表面的吸收激光功率密度的函数, 也与材料热力学特性有关, 即
设脉冲终止时刻材料表面达到沸点, 根据公式得, 其功率密度qc2为
式中, T1为激光脉冲宽度, T1取不同的值, 求得不同的qc2之值, 则可获得最大熔深和T1的关系为
可见, 若获得较大的熔深, 脉冲宽度应该加长, 且熔深的增加随脉宽的二分之一次方增加。
2.4 离焦量
激光器发出高斯光束, 在光学系统中按照高斯光束传播变换的规律行进, 激光束通过聚焦镜后, 会出现束腰。其焊接工艺是使焦平面离工件表面一小段距离, 即为离焦量, 焦平面深入工件的称为负离焦, 在工件之外的称为正离焦, 所需熔深较大时, 应用负离焦, 对熔深要求不高时, 用正离焦来获得牢固美观的焊缝, 在激光器的各参数设置完后, 通过微调离焦量来达到完美的焊接效果。
离焦量的选择和聚焦镜的焦距数字大小有关, 焦平面处的光斑尺寸D与聚焦镜的焦距F, 以及激光束的发散角ɑ有关, 即
当激光器工作条件确定后, 发散角是一个确定值, 最小光斑的尺寸, 正比与焦距F焊接0.5至少1mm厚板时, 焦距通常是的100至200mm, 离焦量也有较大的选择范围。
2.5 焊接速度
熔深与焊接速度成反比, 功率可以焊接一定厚度范围的材料, 其焊接速度范围, 随板厚增加而减小, 焊接速度由脉冲频率上限及满足要求的熔斑重叠率共同决定, 即焊接速度必须保证后续脉冲熔斑有一定程度的重和。图3是焊接速度与熔深的关系。
2.6 电流和频率
电流大小决定激光功率的大小, 电流越大, 功率越大, 每个脉冲形成一个熔斑, 改变激光频率, 改变熔斑数, 焊件与激光束移动速度决定熔斑的重叠率, 激光密封焊接是单点重叠方式进行的, 为了实现密封焊接, 对光斑的重复频率有一定的要求, 一般重叠率在70%以上。
3 各参数对焊接质量的影响
3.1 焊接质量重要参数控制树
在激光焊接过程中, 对所需的参数进行设置, 来达到焊接所要的完美焊缝。各参数形成了焊接重要度控制树, 如图4。
3.2 各参数对焊接质量的影响
在生产中, 压力膜片是一个厚度仅为0.06mm的不锈钢膜片, 孔径在50mm左右, 将膜片固定在一个不锈钢架子上, 采用激光焊接, 不仅焊缝美观, 而且密封效果好。用激光焊接薄金属片, 首选参数适宜, 激光平均功率不能过大, 否则金属蒸发, 金属薄片被打穿。将薄片与被焊框架压紧, 使其紧密接触, 在热传导方式的焊接中, 上层吸收激光能的薄片, 才能通过紧密接触传导到下层被焊零件上, 在激光束的作用下, 上层薄片和下层被焊接金属框架同时熔化, 冷却凝固后, 熔接到一起, 不仅焊接牢固, 而且密封不漏气, 完全能够满足压力传感器的技术要求。
压力薄片激光焊接装置通过大的压力, 迫使薄片与框架紧密接触, 以保证焊接过程达到充分热传导效果。通过压力使两者紧密接触成一体, 使热量充分传导扩散, 就不会产生打孔、烧穿等缺陷。凡是薄片的焊接, 都可以根据热传导原理设计工装, 使焊接零件紧密接触, 保证良好的热传导过程, 完成高质量的激光焊接。在激光焊接中各参数焊接对应表如表1。
一般选用瞬时功率在105-107W/cm2, 平均功率在50-80W之间, 重复频率10-35Hz, 脉冲宽度在3-7ms之间, 焊接速度在5mm/s焊缝质量较好, 焊接时不需要添加如何焊剂和焊料, 焊接完成后, 零件变形小, 热影响区小, 一般熔深在0.3-0.5mm左右, 焊缝的金相组织为马氏体, 测试硬度, 抗拉强度均达到标准要求。
4 结论
激光功率、激光脉冲波形、激光脉冲宽度、离焦量、工作电流、频率和焊接速度等参数是决定焊接能力的重要因素, 直接影响着激光焊接的焊接质量。在连续激光焊接过程中, 控制好焊接的技术参数以及一些变化规律, 就可以对技术参数进行设置, 通过微调离焦量来获得牢固美观的焊接效果, 保证焊接质量的可靠性和稳定性。激光焊接在汽车制造业中, 焊接技术在微小压力薄片上的应用, 是一种低成本、高效率的加工技术, 针对不同的加工材料分别设定不同的激光焊接参数, 选择适当的焊接参数, 发展激光焊接过程实时监测与控制, 以优化参数, 到达工件的激光功率和离焦量的变化, 实现闭环控制, 提高激光焊接质量的可靠性和稳定性。
摘要：文章分析了激光焊接的工作原理和特点, 以及激光焊接在汽车工业中的应用和发展前景, 着重研究焊接参数如激光焊接, 激光脉冲波形, 激光脉冲宽度, 离焦量, 焊接速度, 电流和频率对焊接质量的影响。
关键词：激光焊接,焊接参数,焊接质量
参考文献
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铝合金激光焊接工艺分析 篇8
1 铝合金及其焊接的概述
铝和铝合金都具有非常优良的性能, 比如比强度高、耐腐蚀性强, 在许多的产业中都具有非常广泛的应用, 尤其在国防工业、机械等产业, 并且铝合金属于有色金属, 在应用的过程中需要进行焊接, 所以随着科学技术的飞速发展, 铝合金的焊接技术的研究也越来越深入, 因此, 激光焊接技术是科学技术的一大进步。
激光焊接技术的概述:激光焊接作为一种新型的焊接技术, 焊接热源直接是激光, 既可以避免能源的浪费, 又可以大大地提高焊接的效率, 同时, 激光焊接把机器人或者是数控机床作为运动系统, 减少人员的参与, 可以减少劳动力的浪费, 提高焊接的效率。激光热源除了具有可再生性和清洁无污染的优点之外, 还可以高度的聚焦和良好性能的传输, 因此可以将能量全部汇聚集中于一点, 避免热量的散失和浪费, 所以, 激光焊接能够提高焊接的效率和速度以及焊接的质量。因为激光焊接的光束是通过脉冲或者连续的激光束来实现的, 因此当激光束直接照射铝合金的表面时, 能够把金属表面的热量迅速扩散到铝合金的内部, 使铝合金快速的熔化形成一条焊缝, 同时在融化后的金属上形成一种反作用力, 最终将熔化的铝合金表面向下凹陷形成小孔。这个小孔具有强大的功效, 可以全部吸收激光光束照射时产生的能量, 并同时产生高温蒸汽, 蒸汽压力与壁层表面的张力形成一种动态的平衡。
1.1 激光焊接的功率
激光焊接具有一定的功率, 只有当焊接功率达到一定的高度时, 才能让焊接得以稳定、持续的进行, 否则焊接只能在铝合金的表面进行工作, 使得铝合金表面发生熔化, 从而焊接不能成功的进行。激光焊接的功率可以达到将铝合金表面以及内部全部焊接的高度, 甚至比此还要高, 所以激光焊接铝合金级可以提高效率和速度以及质量。
1.2 激光焊接的速度
因激光焊接功率高, 所以焊接时速度也相应得到提高, 焊接的速度不断提高能够使得熔深不断减小, 相反, 如果速度减慢, 就会使铝合金被过度的焊接甚至被焊接穿透, 因此, 选择激光焊接可以降低焊接失败的比例从而大大降低焊接成本。
1.3 激光焊接的优势
提高能量密度、提高焊接质量、增加焊接的精度和密度、焊接的效率速度高、焊接成本较低、可以在特殊条件下进行焊接、焊接时对铝合金其他部位影响小。
2 激光焊接在各个领域中的应用
2.1 在石油管道中的应用
在石油管道中, 应用铝合金管道可以增加管道的口径、增厚石油管道的管道壁, 让管道能够在一定时间内运输更多的石油。石油的运输具有非常高的危险性, 如石油发生泄漏, 会造成难以估计的财产损失、人员伤亡以及环境的污染和地下水的污染, 因此铝合金管道在焊接时一定要特别注意, 提高焊接的质量, 激光焊接在此时就可以发挥巨大作用, 通过激光焊接, 可以控制符合焊接的工艺, 可以在不用开坡口的前提下进行焊接的操作, 焊接时一次成型, 焊缝的质量高, 充分的避免了石油泄漏的风险, 提高了石油运输的安全性。
2.2 在汽车制造业中的应用
随着时代的高速发展和人们生活水平的日益高速化, 出门乘坐汽车已经习以为常了, 并且人们对于汽车的质量要求也越来越高, 因此汽车工业也在不断地寻找新型的材料和技术手段提高汽车的质量, 激光焊接技术在汽车工业中的到了越来越广泛地应用。美国最先将激光焊接铝合金技术引入到汽车制造业当中来, 经过一系列的实验, 激光焊接的铝合金制造出来的汽车, 将薄铝合金激光焊接之后制造成型, 不仅大大减轻了车身的重量, 而且减少了制造汽车的工序, 提高了制作效率, 得到了广大汽车制造业的欢迎与青睐。
2.3 在航空航天工业中的应用
众所周知, 航空航天工业需要高度精准高度精确的材料进行制造飞机等一系列航天器, 并且对于机器本身的重量要求也是非常的严苛, 用激光焊接的铝合金制造飞机等机器, 能够使得机身比平时可减轻20%左右, 制造成本也得到了大大降低。比如, 德国共管的部件生产厂运用激光焊接铝合金技术生产出的A350系列飞机的零件取得了巨大的成功。
3 激光焊接铝合金技术的难点
3.1 铝合金表面对激光具有反射性
因为铝合金是一种有色金属, 对各种光线都具有很强烈的反射性, 激光作为一种更加激烈的光束, 在铝合金的表面更加容易造成反射, 换句话说, 铝合金这种有色金属对于激光具有高反射率和较小的吸收率。除此之外, 金属都具有导热性, 因此铝合金也具有很强的导热性, 容易在用激光焊接的时候, 反射激光或者是将激光的热量迅速导移出去, 最终导致铝合金的焊接失败。因此, 在激光焊接铝合金的时候, 要严格注意并且迅速提高激光的功率密度, 防止被反射或者被传导, 争取在极端的时间用极高的密度对铝合金进行焊接, 这样就可以避免反射性等问题的出现。
3.2 在激光焊接铝合金时要做好充分的准备
因为铝合金有活泼、易被氧化等特性, 在其表面容易附着大量的灰尘水分等, 因此在焊接的过程中, 如果没有做好充足的准备, 表面附着的东西容易随着激光的快速焊接留在铝合金表面, 从而影响铝合金的质量和焊接的效果。因此, 在对铝合金进行焊接之前, 需要对铝合金表面进行清洁, 将表面的油污等清理掉。同时防止在焊接时发生氧化作用造成爆炸等安全威胁, 也需要对金属表面的氧化膜进行彻底的清洁, 彻底除去氧化膜。
4 铝合金的激光焊接存在的缺陷
尽管激光焊接有高效率、高速度并且能够大量降低成本, 激光焊接也存在着许多的缺点, 只有将这些缺陷全部弄清楚并且解决了, 才能够使得激光焊接铝合金技术得到更加广泛的应用。
4.1 气孔的缺陷
在上文中提出, 适度的气孔能够保持铝合金的内外平衡, 但是, 过量的气泡就会存在大量的缺陷, 避免出现大量气孔比较困难, 出现大量气孔时气孔不稳定, 在铝合金内部乱窜, 容易使得焊接部位出现裂缝, 所以清除气孔将是铝合金激光焊接技术需要突破的一大重要缺陷。
4.2 热裂纹缺陷
应用激光技术时, 需要提高温度和密度以达到快速焊接的目的, 这样容易在铝合金表面出现特裂纹, 从而使得焊接失败, 为了应对热裂纹, 科学家们已经想出应对的办法, 即在激光焊接时运用填充材料, 但是这种方法容易导致资源的浪费和劳动力的大量耗费。采取更加简便的办法应对热裂纹也是该技术即将解决的一项重大问题。
5 结束语
铝合金的激光焊接速度存在大量的优点, 在多种制造领域得到了广泛的应用, 也提高了机器本身的质量和制造速度, 但是激光焊接技术同样也存在许多的缺陷, 导致焊接的失败, 相信在科学家们的不断努力下, 该焊接技术会越来越成熟, 应用也越来越广泛。
摘要：铝合金作为一种轻金属材料, 在工业生产和制造中起到了非常重要的作用, 许多产业都需要使用铝合金, 但是铝合金的焊接却是工业生产中的一道难题。将高能量高密度激光技术应用于焊接铝合金, 对于铝合金来说是一项质的飞跃, 不仅解决了铝合金的焊接问题, 而且焊接出来的铝合金不易变形, 并且激光技术在焊接过程中, 速度非常快, 光束的质量非常好。但是, 激光焊接铝合金也存在一定的缺点, 导致铝合金在焊接时接口处容易出现裂缝, 所以, 文章结合铝合金激光焊接工艺对该技术进行分析, 从而将激光焊接优点发扬光大同时克服焊接时的缺点。
关键词：铝合金,激光焊接,硬度,复合焊接
参考文献
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激光密封焊接 篇9
激光-电弧热源作为一种新型复合焊接热源具有焊接效率高、焊接质量好以及能源消耗低的特性, 因此成为国内外焊接领域研究的热点[1,2,3]。近年来, 研究者围绕激光-电弧复合热源焊接技术开展了大量的研究工作。然而, 目前较多的工作集中在焊接装置设计和焊接工艺开发方面, 而对于焊接热源的物理状态和物理机制的研究相对较少[4,5]。从已有的研究结果来看, 激光和电弧在焊接过程中的耦合效应已经得到了广泛的认同。耦合效应认为:电弧对材料的预热效应可以大幅提升激光的吸收率;激光等离子体对电弧的吸引和压缩作用既稳定了电弧的放电过程, 又提高了电弧的能量密度。这些相互增强作用提高了复合热源整体的热穿透能力和焊接稳定性[6,7,8]。
然而, 不同类型的电弧等离子体其放电特性不尽相同, 在焊接过程中其与激光之间的相互作用的差异较大[9]。如激光-TIG电弧复合热源和激光-MAG电弧复合热源是较为常见的两种复合焊接热源[10], 而TIG电弧和MAG电弧在焊接时放电极性完全相反[11], 同时在电弧成分、温度和质量传递等方面差异巨大, 而已有机制难以对此进行分析。这一结果导致不同类型的电弧与激光复合构建的复合热源在进行焊接时的指导机制不清楚、无法统一, 甚至出现混乱。解决此问题的有效、可靠方法是对不同类型的复合热源的物理机制分别进行研究, 并提取相关物理过程和物理机制的共性特征, 进而得到适用于不同类型激光-电弧复合热源的通用型物理机制。
本论文主要针对激光-交流TIG电弧复合热源焊接过程中物理过程和物理机制进行研究, 通过考察激光作用时电弧的形态特征、光辐射特性、焊缝表面成型以及焊缝熔化深度, 以及着重分析激光作用于交流电弧正、负半波期间与电弧相互作用的物理过程。在本研究中, 交流电弧的负半波与MIG/MAG电弧的放电特性相同, 因此本研究结果也可以为激光-MIG/MAG电弧复合热源焊接的相关物理机制研究提供现象参考。
1 实验材料与方法
如图1所示, 本研究采用脉冲式Nd:YAG激光与交流TIG电弧复合, 构建脉冲式激光-TIG电弧复合热源。复合方式为旁轴复合, 且在焊接方向上电弧在前、激光在后。激光束垂直照射板材, 电弧焊枪与板材表面呈45°角。激光束轴线与钨极间断的水平距离定义为激光-电弧间距, 且实验中可调。采用激光脉冲-交流电弧波形匹配控制系统, 实现激光脉冲作用于交流电弧放电的不同阶段的控制。交流电弧放电的周期为76ms, 放电波形如图2所示。实验材料为6mm厚AZ31B镁合金板, 采用平板堆焊的焊接方式, 焊接速度为600mm/min。焊接过程中采用高速摄像机对复合热源等离子体动态行为进行观察, 采集方向垂直于焊接方向以获得焊接等离子体的侧面图像。高速摄像机的采集速度为2000帧/秒, 曝光时间0.5ms。采用光谱分析仪对等离子体中镁原子的光辐射强度进行采集和分析, 采用的分光光栅为300 groove/mm。焊后, 观察焊缝的表面形貌, 并对焊缝进行切割取样, 经过抛光、腐蚀 (HCl浓度为5%的酒精溶液) , 观察焊缝的横截面状态, 以确定热源的熔化深度。实验所用的主要参数见表1。
2 实验结果
2.1 焊缝特征
2.1.1 焊缝表面粉末
控制激光脉冲作用于交流电弧的波形的不同位置, 并进行焊接。焊接结束后不清理试板, 直接对焊后焊接试板的表面状态进行观察, 结果如图3所示。从图中可以看出, 焊后的焊缝表面有一层粉末覆盖, 但是激光作用于交流电弧的正、负半波时, 表面覆盖粉末的状态不同。激光作用于电弧正半波时, 焊后焊缝表面粉末呈黑色, 且粉末覆盖致密;激光作用于电弧负半波时, 焊缝表面颜色略浅, 呈灰色。X-射线衍射分析结果表明粉末为纳米级氧化镁和纯镁颗粒。
2.1.2 焊缝形貌
采用钢丝刷将焊接过后的焊缝表面粉末进行清理, 对比观察激光脉冲作用于电弧正、负半波时焊缝表面形貌, 结果如图4所示。从图中可以看出, 在同样的焊接参数下, 激光脉冲作用于电弧正半波时, 焊缝表面存在均匀细致的鱼鳞纹;而激光脉冲作用于电弧放电负半波时, 焊缝表面纹路不规则, 表面起伏较大, 且略显粗糙。
2.1.3 焊接熔深
本研究对不同焊接参数下, 激光脉冲作用于电弧放电波形正、负半波时的熔化深度进行采集, 结果如图5所示。由图中可以看出, 激光脉冲作用于电弧正、负半波时的焊缝熔深略有不同。激光脉冲作用于电弧放电负半波时的熔化深度略大于正半波。从结果可以看出, 相对于激光脉冲作用于电弧放电波形的位置, 激光束与电弧在空间上的相对位置对焊接熔化深度的影响更大。
2.2 电弧形态
采用高速摄像机对焊接过程激光脉冲与电弧不同匹配条件下的复合电弧形态进行观察, 期间采用中心波长为518nm的窄带滤光片, 观察到的为电弧中镁原子的发光状态, 结果如图6所示。从图6中可以看出, 激光脉冲作用于电弧放电波形不同位置时, 电弧形态均发生变化。激光脉冲作用于电弧放电正半波期间, 电弧体积发生膨胀, 但电弧外形轮廓较规则。激光脉冲作用于电弧放电负半波时, 电弧体积剧烈膨胀, 形状不规则。同时, 在实验中还发现, 激光脉冲对放电电流较小的电弧形状影响较大, 这可能与电弧弧柱区宽度以及电弧自身的挺度有关。当电弧电流较大时, 电弧弧柱直径较大, 同时电弧自身挺度也较大。激光脉冲穿过电弧等离子体作用于材料上以后形成的高速等离子体蒸汽对电弧的冲击作用相对较弱。
2.3 光谱特征
采用直读电弧光谱分析仪对激光-TIG电弧复合焊接过程中激光脉冲作用时电弧等离子体的光辐射进行分析。光谱采集位置为电弧轴线上钨极附近区域。首先对激光作用于电弧正、负半波时复合等离子体光谱进行采集, 实验结果如图8所示, 从图中可以看出, 激光作用于电弧正负半波时在200~1000nm波长范围内光辐射谱线位置基本相同, 表明两种焊接过程的电弧等离子体中粒子的种类区别不大, 均主要由氩原子、氩离子、镁原子和镁离子组成。
激光脉冲作用于材料上时, 板材元素 (以镁元素为主) 迅速熔化、蒸发, 并进入到电弧等离子体中。镁元素在电弧中的含量会以镁原子辐射谱线的强度定性反映出来。因此, 考察电弧中镁原子谱线518.362nm的辐射强度可以定性说明激光对电弧放电状态的影响程度。在实验中, 采用等同有效值的直流正、反接来分别近似电弧放电正、负半波的情形, 且只考察激光脉冲作用后谱线强度的变化值, 结果为5组重复实验结果的平均值。实验中发现, 激光脉冲作用于后电弧放电正、负半波时镁原子谱线强度均增加, 但增加的程度不同, 如图8所示。激光脉冲作用于电弧正半波时谱线强度增加程度高于作用于负半波时。该结果表明, 激光脉冲作用于电弧放电正半波时有大量的镁原子进入到电弧中, 电弧中镁原子浓度大幅提升, 而激光脉冲作用于负半波时电弧中镁原子浓度变化不大。
3 分析与讨论
在焊接过程中, 激光束穿过电弧等离子体放电空间的过程中激光与电弧之间的相互作用极其微弱, 二者的相互作用主要发生在激光束作用于材料上之后的过程。激光束对材料的剧烈加热使得材料瞬间被熔化、蒸发、电离, 形成的激光等离子体蒸汽高速冲入电弧等离子体的放电空间。而两种等离子体之间的相互作用是激光与电弧相互作用的本质。
由于电弧放电极性和放电强度的周期性改变, 电弧放电空间的电学特性完全不同。当电弧放电处于正半波时, 钨极作为等离子体的阴极发射电子, 而板材作为阳极接收电弧弧柱中的电子。此时, 从板材向上方冲入电弧放电空间的激光等离子体中的电子立刻收到电场力的减速作用, 并向板材运动。相反, 激光等离子体中的正离子在电弧放电空间向钨极移动。电弧等离子体中能量的载体主要是电子。激光等离子体中的电子在离开板材表面很小的距离内就减速至零并被重新加速向板材运动。因此其从电场中获得的能量较少, 返回板材时携带的能量也较少。在电弧放电负半波时, 电弧电场方向的改变导致粒子的反向运动。激光等离子体中的电子在电场的加速作用下向钨极运动, 期间获得的能量通过碰撞最终传递给钨极。从这个角度来看, 激光脉冲作用于电弧正、负半波时粒子对材料的能量输入差异不大。但是, 在激光脉冲作用于电弧放电负半波期间, 板材作为发射电子的阴极。激光作用点高密度的电子群将成为电弧放电的电子发射源, 因此电弧放电的位置集中于板材上的激光作用点, 此处具有极大的电流密度。而激光作用于电弧放电正半波时, 这种对电弧放电点的固定和放电电流的汇聚作用较弱。因此, 在实验中我们发现激光脉冲作用于电弧放电负半波时焊缝的熔化深度略大于正半波。
在激光脉冲作用于电弧正半波期间, 激光等离子体中的正离子 (以镁离子为主) 在电场作用下大量进入到电弧中, 因此电弧等离子体中的镁元素含量急剧增加, 表现为光谱中Mg原子的辐射强度大幅提高。同时, 从电弧中扩散出去的镁原子数量增加, 导致焊后焊缝周围存在大量的呈部分团聚状态的纳米镁粉。而当激光脉冲作用于电弧负半波时, 电场的作用导致镁离子向电弧空间扩散的难度较大, 因此, 镁原子辐射强度较低, 焊后焊缝周围的镁粉末较少。
4 结论
本论文研究了在激光-电弧复合焊接镁合金过程中, 激光脉冲作用于交流电弧放电正、负半波时焊接特性的差异, 并分析了其机制。通过本论文的研究, 得到如下结论:
1) 与激光脉冲作用于电弧放电的正半波相比, 激光脉冲作用于交流电弧放电的负半波时, 复合热源对焊缝的熔化深度较大, 焊缝附近的黑色镁粉末较少, 电弧等离子体体积剧烈膨胀, 且电弧中镁原子的光谱辐射强度较小。
2) 激光脉冲作用于电弧放电正、负半波时的差异主要来自电弧等离子体电场对激光等离子体作用的差异。激光脉冲作用于电弧正、负半波时, 激光等离子体中带电粒子对材料的熔化贡献均不大。但是, 激光脉冲作用于电弧放电负半波时, 激光等离子体的存在可以提高电弧等离子体的能量密度, 有利于提高热源的热穿透能力。
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