激光复合焊接技术综述

.激光复合焊接技术综述XXX（西南科技大学 国防科技学院，四川绵阳 621010）摘要：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。本文概述了激光焊接的发展现状,简单介绍了采用激光技术进行焊接的基本原理及其优缺点。详细描述了激光器的研发、等离子体控制、焊接过程的自动化检测和各种先进激光焊接技术。通过介绍激光焊接在具体领域(如汽车业、造船业等)的应用,充分说明激光技术在焊接制造中的优越性,并对激光焊接的发展前景做了具体的展望。更多还原关键词： 激光焊接; 复合焊接；研究现状; 展望Review on Laser Hybrid Welding TechnologyXXX(Southwest University of Science and Technology, Mian Yang China,621010)Abstract：The application of laser technology in the manufacturing industry is currently research focus of all countries, with the development of industry and the need of high efficiency, environmental protection and automation, the application of laser technology rapid popularization the many areas of manufacturing. On this basis, laser welding process will become one of the important aspects of laser application. In this paper, the development of laser welding is summarized, and the basic principle and advantages and disadvantages of laser welding are introduced briefly. The research and development of laser, plasma control, automatic detection of welding process and advanced laser welding technology are described in detail. Through the introduction of laser welding in specific areas (applications such as automobile industry, ship building industry, etc.), a full description of laser technology in welding manufacturing advantages and Prospect of laser welding do specific outlook.Key words：laser welding；hybrid welding；research status; outlook前言: 激光焊接是利用高能量密度的激光束作为热源的一种高效精密焊接方法。激光焊接是激光材料加工技术应用的重要方面之一。20世纪70年代主要用于焊接薄壁材料和低速焊接，焊接过程属热传导型，即激光辐射加热工件表面，表面热量通过热传导向内部扩散，通过控制激光脉冲的宽度、能量、峰值功率和重复频率等参数，使工件熔化，形成特定的熔池。由于其独特的优点，已成功应用于微、小型零件的精密焊接中。 1 激光焊接技术1.1 激光焊接技术的特点 激光焊接是以高能量密度的激光束为热源，瞬时熔化局部材料形成焊接接头的高精度、高效率、新型的熔化焊接方法。激光焊接技术在汽车、船舶、航空航天等领域获得了日益广泛的应用。例如，欧洲空中客车公司采用激光焊接技术取代传统的铆接进行铝合金飞机机身制造，实现了机身减重20%，强度提高近 20%1-3。与传统的焊接方法相比，激光焊接具有高效、清洁、热影响区窄、接头变形小等诸多优势，具体如下: ( 1) 激光束斑直径很小，能量密度极高，功率密度达 106 108W /cm2，深宽比大，最高可达10 1，对高熔点金属等难焊材料有较好的焊接效果，并可用于异种材料、非金属材料的焊接;(2) 激光焊接速度快，热输入小，从而热影响材料开发与应用2014年6月区很小，材料变形及残余应力小，无需后续矫正变形;( 3) 激光焊接接头力学性能好，焊缝组织致密、强度高。焊缝窄且表面成型好，免去焊后清理等工作;( 4) 激光焊接系统具有高度柔性化，可施行非接触远距离和任何复杂形状的焊接，易于实现远程控制与自动化生产5-6。1.2 激光-电弧复合焊接技术 激光-电弧的复合焊接技术是将激光热源和作为第二热源的电弧复合起来作用在同一熔池上，弥补单热源焊接工艺的不足。电弧焊提高了焊缝的搭桥能力，增强了激光焊对工件装配误差变化的适应性;通过电弧对工件的预热以及电弧吹力等作用，加大焊接熔深，增强高反射比材料如铝，镁合金等对激光的吸收;另外，激光束可稳定电弧，减小飞溅，改善焊缝成形。通过两种方法的优势互补，激光复合焊接达到了1 +1 2 的效果2。1.2.1 双光束激光焊 激光双光束系统是由两束互成角度的激光合成，或者是一束光由分光器分成两束平行的光。 与激光-电弧复合焊一样，双光束激光焊接的提出主要是为了提高对焊接间隙的适应性、 提高焊接过程的稳定性、改善焊缝质量(减少溅射、减小焊缝气泡与裂纹)等等。在工业生产中大量需要高功率的 YAG 激光焊接厚板，但是激光器的输出量受到限制，只有几千瓦。为了突破激光功率的限制，在一些研究中同时使用多个激光器以增加总的激光能量输出，这种双光束系统中激光束的排列如图 1 所示8。 实验中使用的激光可以是低能量的连续或脉冲 Nd:YAG 激光，也可以是高能量的连续 CO2激光，两激光束之间的布置也有多种情况，比如激光束间距、两光束间的角度、焦点位置和激光能量比可能不同。 Narikiyo8利用一对互成一定角度的 Nd:YAG激光束对 304 不锈钢进行焊接实验，发现每束激光都会产生各自的小孔。且在激光总能量或激光束间的夹角达到某一值时小孔在熔池底部出现分离的现象，如图 2、3 所示。激光束间的夹角为 30或 45时，金属的熔化效率显著提高。 双光束激光焊接在超薄板焊接方面有一定的研究,Chen12等利用脉冲 Nd:YAG 激光与连续半导体激光复合对 0.05mm 厚AA5052-H19铝合金进行搭接焊，由对比实验可知，激光双光束焊接能得到更深的熔深、较好的焊缝质量、更高的硬度(比母材几乎高出 2 倍)等。且双光束激光焊用在镁合金及镀锌钢板等材料的焊接中，能有效防止气孔的形成。Iqbal24 为解决在镀锌板搭接焊中易出现的焊接熔池中锌蒸气残留问题，在激光双光束焊接的基础上研究了一种新的焊接方法：设备中两束激光串联排列，前束激光用来在镀锌板上切割一条非常细小的凹槽，紧接着后束激光沿着凹槽进行焊接，取得了良好的效果。原因是凹槽加速了焊接过程中产生的锌蒸气的逸出，从而有效减少气孔的形成。并指出该新的焊接方法在汽车工业有良好的应用前景。2 国内外激光焊接的研究现状2.1 激光器的研究现状 现有的激光器多以CO2激光器、YAG激光器和半导体激光器为主,特别是CO2激光器和Nd:YAG激光器,由于研发较早,技术较完善, 在各领域的应用已经相当广泛。其中, CO2激光器属于气体激光器, 其激光活性介质是碳酸气、氮气、氦气等的混合气体,发射光的波长为10.6m,一般以连续方式工作,电-光转化效率为10%30%,其输出功率一般为0.550 kW9;Nd:YAG激光器属于固体激光器,其激光活性介质是掺有钕 (Nd) 的钇- 铝- 石榴石 (YAG) 晶体,发射光的波长为1.06m,可以用脉冲和连续2种方式输出,电- 光转化效率3%10%,其输出功率主要为0.15 kW18-19。虽然Nd:YAG激光器的输出功率和电-光转化效率比CO2激光器低得多,但由于其发射光波长较短, 材料对其光束的吸收率较高,对高反射率的材料 (如铝合金与铜合金等) 具有较好的焊接效果,特别是Nd:YAG激光器可以采用光纤进行传输, 能够与机器人加工系统很好匹配,有利于实现远程控制和自动化生产, 因此在激光焊接中占有重要的地位。由于生产的需要,高功率、短波长的激光器一直是国内外研究的重点,目前工业用CO2激光器的最大功率已达到万W级, YAG激光器也有kW级，如TRUMPF公司已有20 kW的CO2激光器和6 kW的YAG激光器的供应,国内武汉金石凯公司也能够生产20kW的CO2激光器。而近几年,许多新型激光器也正在迅速地发展,如CO激光器和光纤激光器。CO激光的波长为5.3m,是CO2激光波长的1/2,材料对CO光束的吸收率比CO2要高,相对于YAG激光器而言,CO激光器具有气体激光器件所特有的低成本和输出易于放大等特点,很容易获得几十kW的输出,适合于工业制造的应用;而光纤激光器是近10 a才得到发展的新型高效激光器,其工作原理是: 利用泵浦光来激励光纤中的稀土元素,使其受激辐射, 产生激光,特别是双包层光纤技术的出现,大大提高了光纤激光器的输出功率10,如美国IPG公司已将150 kW光纤激光器商品化。与一般的激光器相比,光纤激光器在光束质量、体积、效率、散热等方面均具有明显优势,目前已应用于汽车业与电气业中,预计未来光纤激光器占全球激光市场的份额将逐步增大。2.2 等离子体控制的研究现状 众所周知,等离子体的出现,是激光焊接所面临的最大问题。激光的高能量密度, 不但能使金属熔化,还能使金属汽化 (能量密度超过106W/cm2时),当汽化后的金属在空气中与激光束接触时,会出现电离现象,大量等离子体便由此产生。等离子体不但能够吸收和散射激光束,还能折射激光,使光斑聚焦的位置出现偏离, 严重影响激光的焊接效果。因此,减少等离子体的出现,是优化激光焊接的最有效方式。日本的YArata发明了LSSW (激光摆动法),即光束沿焊接方向迅速地来回摆动,时间控制在匙孔出现后与等离子体出现之前,避免了等离子体的产生。文献则提出,等离子体的电子密度是影响激光束传输的关键,可用磁场辐射方式来减小等离子体对激光束的屏蔽作用。另外,还可通过在低气压环境下焊接,或通过侧吹辅助气体的方式来控制等离子体。2.3 焊接过程自动检测的研究现状 无论采用哪种焊接工艺,均会产生废品,目前,工业制造中对产品质量的控制更多的是采用实时监控技术,而不是焊后处理技术。因此焊接过程的实时监控,便成了激光焊接实现自动化的研究重点。J Shao和Y Yan15对激光焊接过程声信号和光信号的检测进行了系统的阐述,并给出了检测系统的设计方案。Li和Steen16等人设计了一个绝缘喷嘴来检测等离子体的动态电信号,试验结果表明: 信号的强度随熔深的增大而增强。国内高向东等人采用视觉传感技术,通过计算机图像处理, 有效地提取焊接过程的各种信息,并最终实现自动化控制。Young Whan Park18等人采用UV和IR探测器来检测等离子体的紫外线辐射和红外线辐射,并成功地将UV和IR的辐射信号与焊接质量联系起来, 实现了焊接过程的在线检测。W S Chang和S J Na利用数学模型来研究焊接过程中对热源控制的重要性,试验证明通过对热源的控制(如聚焦位置、激光功率) 能够有效地评估焊接质量。S Dixon等人则采用电磁声学转换器 (EMAT) 来实现激光焊接过程的超声波检测,试验证明材料内部产生的超声波能够反应熔深不足、裂痕的出现、气孔的产生等焊接缺陷。目前国内外的研究结果显示: 可供激光焊接过程实时检测的信号有声信号、光信号、电信号、紫外/红外辐射信号和超声波信号等。3 激光焊接的应用 随着工业激光器的发展和科研人员对焊接工艺的深入研究,激光焊接技术已在许多领域得到应用。但由于激光焊接设备的成本及维修费用较高,目前能够广泛使用激光焊接的,多为大批量生产或大规模零件焊接的行业,例如汽车工业、造船业等,或者一些投资较大的特殊领域,如航空航天业、核能工业等。在欧美,激光焊接主要用于汽车业和金属加工业;在亚洲,则更多地应用于电气工业和半导体工业。3.1 汽车工业中的应用 汽车工业一直是发达国家的重要经济支柱,每年出产的汽车数以千万计,因此, 制造技术的研发和改进,一直是各国学者的研究重点。采用激光焊接技术,既减轻了车体的自身质量,又提高了车身的结构强度, 更重要的是降低了汽车的生产成本。目前,各大汽车公司如奔驰、宝马、大众、通用、克莱斯勒、丰田等,已经在自己的中高档汽车中大面积使用激光焊接,并尝试在中低档汽车 (如国产大众汽车“速腾”) 中适当使用。传统焊接中,采用电阻点焊技术,需要16 mm的凸缘宽度,而激光焊接是单边非接触性焊接,只需要5 mm;把电阻焊改为激光焊,每辆车就可以节省钢材40 kg,并且焊接速度可以从0.5m/min提高到20 m/min,甚至更快22。另外,由于激光束的能量密度大,对异性材料有较好的焊接效果,传统的车身分离成型技术,可以改为整体成型技术,即激光拼焊板技术 (先将物理、化学性能、表面状态都不同的板材通过激光焊接起来,再用一套模具冲压成型)。据悉,采用激光拼焊板技术,能够将原来20多套成型模具减少到48套,材料利用率由40%提高到65%,并且加工效率高,废品率低21。 3.2 造船业中的应用 由于船用板材的厚度大,焊缝也较长,因此焊接后的翘曲和变形是造船业面临的主要问题。据统计,采用普通焊接工艺,约有25%的工作量是用在船板的整型中4。据悉, 美国弗克特里船厂已经实现激光切割和焊接一体化模式。由于激光焊接具有较大的深宽比,能够在小焊缝,小变形的情况下焊接厚度大的板材,目前国外已经能够焊接100 mm厚的船用板材,如法国已完全实现用12 kW的Nd:YAG激光器焊接厚度60100 mm的不锈钢构件,且焊缝质量良好。我国也在加快船用激光焊接设备的研究,但由于起步较晚,一些先进设备仍需进口。4 总结与展望 从国内外的研究现状看,新型激光器的研究与完善、焊接过程的有效控制和焊缝缺陷的实时监测是未来激光焊接领域的研究重点。其中,激光器的研发将集中在输出功率和电- 光转化效率的提高上,针对激光器结构复杂的特点,对激光器结构的优化设计也十分必要。由于激光焊接系统涉及到大量控制参数 (如激光功率、光束模式、聚焦镜焦距、离焦量、激光照射角度等),因此准确地选择控制参数是提高激光焊接效率和质量的关键,特别是将各种焊接效应 (如等离子体效应、匙孔效应等) 控制在理想范围内,将成为未来的研究重点,必要时应建立完整的工艺数据库。至于焊接过程的实时监控,将集中在多种传感技术相融合的监测技术上,如声、光信号的有效结合。另外,视觉传感技术也将成为未来激光焊接过程在线监测的研究重点,因为焊接过程中的大量信息均可通过机器视觉进行有效识别。先进激光焊接技术的发展,将偏向于激光复合焊接技术与多焦点焊接技术的研发上。随着激光焊接技术在各加工领域的逐步推广和普及,激光焊接将成为未来焊接技术的主要方式。参考文献:1牛佳佳,吴艳明,薛钢.激光焊接技术在船舶制造中的应用及展望J.材料开发与应用,2014-06-15:56-62.2许新猴.激光-电弧复合焊接技术综述J.现代焊接,2014-11-10:78-85.3邓春香,孙宏宇.铝合金激光焊接工艺研究J.科技致富向导，2014-01-25:15-304金亚娟,李瑞峰,吴铭方.激光焊接技术在国内外船舶制造中的应用J.中外船舶科技，2013-11-15:25-40.5庞振华,张卫,任豪,张庆茂,梁锡辉.激光技术在异种塑料材料焊接中的应用J.机电工程技术，2014-04-20:99-107. 6 陈彦宾. 现代激光焊接技术M. 北京: 科学出版社, 2005：35-44.7 刘必利,谢颂京,姚建华.激光焊接技术应用及其发展趋势J.激光与光电子学进展, 2005, 42(9): 43-46.8 Narikiyo T， Miura H， Fujinaga S， et al Keyhole bottom sep-aration in two beam Nd-YAG laser welding J.Science andTechnology of Welding & Joining，1999，4(5)：302-3079金石凯。1020kw横流CO2激光器EB/OL.2007-08-08:47-55.10 邹意会,张荣康.20 kW级高功率CO激光器J.激光与光电子学进展, 1996, 33(2): 19-24. 11 QuintinoL,CostaA, Miranda R,et al. Welding with high powerfiber lasers-A preliminary studyJ. Materials and Design, 2007,(28): 1 231-1 237.12 Chen W， Molian P Dual-beam laser welding of ultra-thin AA5052-H19 aluminum JThe International Journal of Ad-vanced Manufacturing Technology，2008，39(9-10)：889-89713 胡昌奎, 陈培锋, 黄 涛. 激光深熔焊接光致等离子体行为及控制技术J. 激光杂志, 2003, 24(5): 78-80.14TseHC,Man H C and YueT M. Effect of magnetic field on plasmacontrolduring CO2l aserweldingJ.Optics&LaserTechnology,1999,(31): 363-368. 15 Shao J, Yan Y. Review of techniques for on-line monitoring andinspection oflaser weldingJ. Journal ofPhysics: Conference Series,2005, (15): 101-107.16 Li L, Brookfield D J and Steen W M. In-process laser weldmonitoringR. Proc. IIW Asian Pacific Welding Congress, February,1996: 119-136.17 高向东, 谢志孟. 基于视觉传感的焊缝跟踪技术研究和展望J.焊接, 2005, 49(4): 5-9.18 Young Whan Park, Hyunsung Park, Sehun Rhee, et al. Real timeestimation of CO2laser weld quality for automotive industryJ.Optics & Laser Technology, 2002, (34): 135-142.19 Dixon S, Edwards C and Palmer S B. A laser-EMAT system forultrasonic weld inspectionJ. Ultrasonics, 1999, (37): 273-281.20 Qiang Wu,Jinke Gong, Genyu Chen, et al. Research on laserwelding of vehicle body J . Optics & Laser Technology, 2007,(6): 1-7.21 李晓娜, 许先果, 边美华. 激光焊接在汽车工业中的应用J. 电焊机, 2006, 36(4): 47-49.22 郎旭元, 张元钟. 激光技术在汽车工业中的应用J. 机械工程师, 2006, 38(6): 20-23.23 郭泽亮. 激光焊接技术在舰船建造中的应用J. 舰船科学技术,2005, 27(4): 81-84.24 Iqbal S，Gualini MDual beam method for laser welding ofgalvanized steel： Experimentation and prospectsJOptics &Laser Technology，2010，42(1)：93-9825 王春明, 胡伦骥, 胡席远. 激光焊接过程多传感器在线检测系统的设计 J . 激光技术, 2007, 31(5): 504-506.