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1、第十二次全国焊接学术会议论文集激光焊接工艺的现状与进展上海交通大学上海市激光制造与材料改性重点实验室(200240)陆斌锋芦凤桂唐新华姚舜摘要激光焊接作为一种高质量、高精度、低变形、高效率和高速度的焊接方法,在工业中的应用越来越广泛。为了对激光焊接技术进行回顾和展望,概括介绍了常用激光焊接设备及新型二极管泵浦固体激光设备的特性,激光焊接的机理,常用材料激光焊接工艺及其存在的问题,各种改善焊缝质量的工艺,塑料的激光焊接及其数学建模,以及大型激光焊接平台和双光束激光焊接技术的特点,并对国际上激光焊接技术发展的动向作出展望。关键词:激光焊接设备激光焊接激光焊接工
2、艺中图分类号:TG456.7YAG激光。CO2激光和Nd:YAG激光都是肉眼不可见0前言红外光。Nd:YAG激光产生的光束主要是近红外光,波长为1.06μm,热导体对这种波长的光吸收率较高,激光焊接是一种现代的焊接方法。激光焊接的特对于大部分金属,它的反射率为20%～30%。只要使点是被焊接工件变形极小,焊接深度/宽度比高,热影用标准的光镜就能使近红外波段的光束聚焦为直径响区小,因此焊接质量比传统焊接方法高,它们在工业0.25mm。CO2激光的光束为远红外光,波长为10.6上的应用越来越广泛。激光焊接还具有不受磁场的影μm,大部分金属对这种光的反射率达到8
3、0%～90%,响,不局限于导电材料,不需要真空的工作条件并且焊需要特别的光镜把光束聚焦成直径为0.75-0.1接过程中不产生X射线等优点。随着制造部门把自动[3]mm。Nd:YAG激光功率一般能达到4000～6000W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[1]。左右,现在最大功率已达到10000W。而CO2激光功率却能轻易达到20000W甚至更大。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,包括利用大功率的CO2激光通过小孔效应来解决高反射率电感、电容、声波、光电
4、等各种传感器,通过电子计算机的问题,当光斑照射的材料表面熔化时形成小孔,这个处理,针对不同焊接对象和要求,实现诸如焊缝跟踪、充满蒸气的小孔犹如一个黑体,几乎全部吸收入射光缺陷检测、焊缝质量监测等项目,通过反馈控制调节焊线的能量,孔腔内平衡温度达25000℃左右,在几微秒接工艺参数,从而实现自动化激光焊接。的时间内,反射率迅速下降。CO2激光器的发展重点激光可以用于对很多材料的焊接,碳钢、低合金高虽然仍集中于设备的开发研制,但已不在于提高最大强度钢、不锈钢、铝合金和钛合金等都可以用激光进行的输出功率,而在于如何提高光束质量及其聚焦性能。焊接。一般来说,激光焊
5、接的速度跟激光功率成正比,另外,CO2激光10kW以上大功率焊接时,若使用氩气也受到工件的材料类型和厚度的影响。激光焊接的应保护气体,常诱发很强的等离子体,使熔深变浅。因此,用也随着激光焊接技术的发展而日趋广泛,目前已涉CO2激光大功率焊接时,常使用不产生等离子体的氦[4]及航空航天、武器制造、船舶制造、汽车制造、压力容器气作为保护气体。[2]制造、民用及医用等多个领域。作者概括介绍激光用于激发高功率Nd:YAG晶体的二极管激光组合焊接的原理,追踪介绍最新的焊接工艺及方法。的应用是一项重要的发展课题,必将大大提高激光束[5]的质量,并形成更加有效的激光加工
6、。采用直接二1激光焊接原理及工艺极管阵列激发输出波长在近红外区域的激光,其平均1.1激光器分类功率已达1kW,光电转换效率接近50%。二极管还具用于焊接的主要有两种激光,即CO2激光和Nd:有更长的使用寿命(10000h),有利于降低激光设备的收稿日期:2007-12-30维护成本。二极管泵浦固体激光设备(DPSSL)的开发2008年第4期53ProceedingsoftheTwelfthNationalWeldingConferenceofChina研究在世界上很活跃。美国已研究开发出了3kWLD有穿透被焊材料,所以在传导焊过程中焊缝不易被气泵浦Slab
7、型固体激光设备(图1a),可获得20～30mm体侵入;而深熔焊时,小孔的不断关闭能导致气孔。传的大熔深焊缝[6]。现在德国开发的LD泵浦薄圆盘固导焊和深熔焊方式也可以在同一焊接过程中相互转换,由传导方式向小孔方式的转变取决于施加于工件体激光器具有体积小、质量好、效率高和可大功率化等的峰值激光能量密度和激光脉冲持续时间。激光脉冲特点(图1b)。目前,许多公司正在研制大功率的半导能量密度的时间依赖性能够使激光焊接在激光与材料体激光设备,现已出现2～6kW级的商用小型设备。相互作用期间由一种焊接方式向另一种方式转变,即半导体激光由于效率高,与普通设备相比体积小很
8、多,在相互作用过程中焊缝可以先在传导方式下形成,然但大功率时存在激
