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【焊接小课堂】激光焊接机焊接工艺的研究现状与展望

时间:2019-12-23     作者:迈捷克【原创】

  激光技术在制造业中的应用是目前各国的研究重点,随着工业发展对高效、环保、自动化的需要,激光技术的应用迅速普及制造业的许多领域。在此基础上,激光焊接工艺将成为激光应用的重要方面之一。


激光焊接


  激光焊接是激光加工技术应用的重要内容,更是21世纪最受瞩目、最有发展前景的焊接技术。

  早在上世纪末,欧美各国就已把激光焊接充分应用到工业生产中,我国在加快对激光焊接技术的研究与开发的同时,逐步建立起一个“产、学、研”相结合的发展体制,并在个别领域有了较大的突破。

  随着工业制造的发展,高效、敏捷、环保的加工技术将倍受青睐。激光焊接以其高能束的聚焦方式,在焊接过程中能实现深熔焊、快速焊等其他焊接工艺较难实现的形式,特别是激光焊接设备搭配灵活,实时在线检测技术成熟,使其能够在大批量生产中实现高度自动化,目前已有大量的激光焊接生产线投入工业生产。

  实践证明,激光焊接在加工业的应用范围十分广泛,基本上传统焊接工艺可以使用的领域,激光焊接都能胜任,并且焊接质量更高,加工效率更快。


  采用激光技术的焊接工艺

  激光焊接是利用激光的辐射能量来实现有效焊接的工艺,其工作原理是:通过特定的方式来激励激光活性介质(如CO2和其他气体的混合气体、YAG钇铝石榴石晶体等),使其在谐振腔中往复振荡,从而形成受激辐射光束,当光束与工件接触时,其能量被工件吸取,在温度达到材料熔点时便可进行焊接。


  1、激光焊接的模式

  激光焊接可分为热传导焊和深熔焊,前者的热量通过热传递向工件内部扩散,只在焊缝表面产生熔化现象,工件内部没有完全熔透,基本不产生汽化现象,多用于低速薄壁材料的焊接;后者不但完全熔透材料,还使材料汽化,形成大量等离子体,由于热量较大,熔池前端会出现匙孔现象。

  深熔焊能够彻底焊透工件,且输入能量大、焊接速度快,是目前使用最广泛的激光焊接模式。


激光焊接


  2、激光焊接的焊缝形状及组织性能

  由于激光器产生的聚焦光斑面积较小,其作用在焊缝周围的热影响区也比普通焊接工艺的小得多,且激光焊接一般不需填充金属,因此焊缝表面连续均匀、成形美观,无气孔、裂纹等表面缺陷,非常适合于对焊缝外形要求严格的场合。虽然聚焦的面积比较小,但激光束的能量密度大(普遍达103~108W/cm2)。

  焊接过程中,金属被加热和冷却的速度非常快,熔池周围温度梯度比较大,使其接头强度往往高于母材,相反地接头塑性则相对较低。目前,已经可以通过双焦点技术或复合焊接技术来改善接头质量。


  3、激光焊接的优缺点

  激光焊接之所以受到如此高的重视,在于其特有的诸多优点:

  ①采用激光焊接可以获得高质量的接头强度和较大的深宽比,且焊接速度比较快。

  ②由于激光焊接不需真空环境,因此通过透镜及光纤,可以实现远程控制与自动化生产。

  ③激光具有较大的功率密度,对难焊材料如钛、石英等有较好的焊接效果,并能对不同性能材料施焊。


  当然,激光焊接也存在不足之处:

  ①激光器及焊接系统各配件的价格较为昂贵,因此初期投资及维护成本比传统焊接工艺高,经济效益较差。

  ②由于固体材料对激光的吸取率较低,特别是在出现等离子体后(等离子体对激光具有吸取作用),因此激光焊接的转化效率普遍较低(通常为5%~30%)。

  ③由于激光焊接的聚焦光斑较小,对工件接头的装备精度要求较高,很小的装备偏差就会产生较大的加工误差。


激光焊接


  随着激光焊接的普及应用和激光器的商品化生产,激光设备的价格明显下降。而大功率激光器的发展和新型复合焊接方式的研发与运用,使激光焊接转化效率低的缺点也得到改善,相信不久的将来,激光焊接将逐步代替传统焊接工艺(如电弧焊和电阻焊),成为工业焊接的主要方式。

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