激光焊接技术项目建议书.doc

激光焊接技术项目建议书 激光焊接技术项目建议书1 研究的目的以及应用与需求背景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。目前激光焊应用领域的扩大,主要应用于:制造业应用、粉末冶金领域、汽车工业、电子工业、生物医学、塑料激光焊接应用、新材料激活激光焊接应用、航空航天工业、造船工业、其他领域如对BT20钛合金、HEl30合金、Li-ion电池等激光焊接。随着激光这种新能源的获得,材料加工的领域被大大拓宽,激光焊接就是激光应用的重要方面之一。1962年和1963年,已经有关于激光焊接应用的报道。随后,各国学者又做了许多激光焊接的基础性研究。70年代以前,由于高功率连续波(CW)激光器尚未开发出来,所以,研究重点集中在脉冲激光焊接(PW)。早期的激光焊接研究试验大多数是利用红宝石脉冲激光器,当时虽然能够获得较高的脉冲能量,但这些激光器的平均输出功率却相当低,这主要是由激光器很低的工作效率和发光物质的受激性质所决定。NdYAG激光器由于具有较高的平均功率,在它出现之后很快就成为点焊和缝焊的优选设备。Ready在1971年曾指出,激光焊接与电子束焊接的显著区别在于,激光辐射不能产生穿透(小孔)焊接方式,现在我们知道,这个结论是错误的,因为当激光束焦点的能量密度达到106W/cm2时,小孔的形成条件得到满足,从而就可以利用激光束进行穿透(深熔)焊接。同时,小孔的建立与维持需要一定的时间,因此,使用脉冲激光进行焊接时,小孔就不易向深处扩展,也就不易产生深熔焊。随着千瓦级连续CO2激光器焊接试验的成功,激光焊接的研究与应用情况在1971年和1972年发生了变化。在大厚度不锈钢试件上进行CO2激光焊接,形成了穿透熔深的焊缝,从而清楚地表明了小孔的形成,而且激光焊接产生的深熔焊缝(小孔效应焊缝)与电子束焊接相似。这些利用CO2激光器进行金属焊接的早期工作证明了高功率连续激光焊接的巨大潜能。日本、德国、英国和前苏联等国的研究组也相继报道了高功率CO2激光焊接技术的发展及其优化。CO2激光焊接继续的发展集中于如何获得高光束质量的致密可靠的激光源,如何理解和解释接头设计、焊接速度、光束聚集和等离子效应之间的复杂相互作用及其与焊接性能的关系。除少数特例外,在这些研究中,基本不采用功率高于20kW的激光器进行焊接,事实上,激光焊接工艺开发与发展的后续经验表明,使用功率超过1215kW的激光器进行焊接,并不会获得更多的益处,除非应用在焊接速度极高及金属工件厚度极大的场合。由于金属的反射率在钕玻璃或NdYAG激光1.06m波长下远远低于在CO2激光10.6m波长的作用下,因此,相对于CO2激光器来说,使用平均功率大大降低的1.06m波长的固体激光器(钕玻璃或NdYAG)进行焊接,可获得相当的焊接质量。光纤传导技术可以较好地应用于1.06m的激光,甚至功率高于1kW也是可行的,而CO2激光则不具备这种性能。CO2激光器的发展重点虽然仍集中于设备的开发研制,但已不在于提高最大的输出功率,而在于如何提高光束质量及其聚焦性能。与CO2激光器的发展情况不同,NdYAG激光系统的发展趋势仍是如何提高平均功率,这个发展趋势受到高质量晶体生长的困难和激光技术的获得所限制,此外,NdYAG激光的导光与传输系统也有待于得到进一步的改善和优化。目前,已有学者报道了平均功率为4kW的NdYAG激光焊接的试验数据。用于激发高功率NdYAG晶体的二极管激光组合的应用是一项重要的发展课题,必将大大提高激光束的质量,并形成更加有效的激光加工。采用直接二极管阵列激发输出波长在近红外区域的激光,其平均功率已达1kW,光电转换效率接近50%。这些激光设备和技术总有一天会在焊接应用方面向CO2激光器和NdYAG激光器发起挑战。2 国内外相关研究的理论基础与前沿技术水平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, 其能量被工件吸收, 在温度达到材料熔点时便可进行焊接。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 MPa和800 MPa 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。激光焊接技术在迅猛发展的同时,也面临着一些新的课题,其中包括:高功率低模式激光器的开发及在焊接中的应用;纳秒级短脉冲高峰值功率激光焊接过程中激光与材料的作用机制;超薄板材激光焊接工艺的优化与接头性能的检测;激光焊接时声、光、电信号的反馈控制;激光焊接过程中等离子体的产生对焊接质量的影响等等。激光焊接技术面临的这些新的挑战,有待于从事激光焊接的研究人员进行深入的探讨,同时,这些新问题的提出也预示着激光焊接技术正向着更加深化的方向发展。激光焊接与其它传统焊接工艺相比,有着许多优点。其最主要的优势之一就是能够将激光束集中于非常狭小的区域,从而产生高能量密度的热源,随后,该集中热源快速扫过被焊接缝,在这方面,激光焊接可与电子束焊接相比拟,但激光焊接却有着优于电子束焊接的特点,即激光焊接可在大气压下进行,而无需真空室。通过视窗、透镜及光纤,可以实现远程位置与多工作台的激光焊接,而且,激光焊接还可以在焊条和电子束无法达到的三维构件内部细微区域中实施。与电子束焊接类似,激光焊接可以实现单面焊接双面成形,复层结构也可采取单面激光焊接,所以,对于那些用其它方法需从双面焊接的接头,如果采用激光焊接工艺,则可从单面施焊。这种灵活性开辟了接头设计的许多新思想,特别是针对某些包含不可接触表面的构件。近年来，激光-电弧复合焊接作为一项先进制造技术得到了充分发展和广泛应用，其既体现了激光焊接的高效性又体现了电弧焊接的高适应性，是目前焊接技术研究的热点之一。目前，国内外对激光-电弧复合热源焊接技术的研究主要集中在焊接工艺、复合机理和工程应用方面以及将复合焊接技术应用于不同材料的焊接中。激光-电弧复合焊接过程是一个极其复杂的物理化学过程，由于激光与电弧相互作用的复杂性及测试手段的有限性，多年来激光与电弧的协同效应及其相互作用的物理机制方面还缺乏足够的认识，特别是激光对电弧与熔滴行为影响方面的研究略显不足，但仍取得了一定的成果。3 研究目标与主要技术指标激光-电弧复合焊接技术与单独的激光、电弧焊相比,具有提高焊接速度、桥接性能、增大焊接熔深、降低装配精度和成本等优势,因此被广泛地研究和应用。近几年来,为了实现对铝合金、不锈钢等中厚板的焊接,研究人员更多地注意到采用激光-熔化极惰性气体保护焊/熔化极活性气体保护焊(MIG/MAG)复合焊接方法。但是,由于激光-MIG/MAG复合焊接可调参数多,并且其中一个参数的微小波动都会影响熔滴过渡及其熔滴与熔池的相互作用,因此其焊接过程控制比较复杂。目前对激光-MIG/MAG复合焊接的研究主要集中在以下几个方面:首先是保护气体成分和流量对工艺稳定性和焊缝形貌的影响;其次是激光能量、电弧能量和热源间距对焊接工艺稳定性、焊缝形貌和微观组织的影响;再次是熔滴和熔池金属的相互作用机制以及保护气体的保护效果的计算机模拟等。而熔滴过渡问题是激光-MIG/MAG焊接质量优劣的关键。采用激光前置的CO2激光-MIG复合方法焊接铝合金,研究了射滴过渡的熔滴特性,并指出激光加快了熔滴的过渡频率,改变了熔滴的过渡形式,提高了焊接熔深和表面质量。而CO2激光-MAG复合焊接方法多用于碳钢、高强钢的焊接中,由于CO2在高温下发生分解生成O原子,它有利于改善熔池表面金属的流动性,使熔池由四周向内部流动,从而使热量便于向下传递,实现深熔焊和焊丝成分的均匀化。同时,CO2在高温下吸热分解,避免热电离形成等离子体,同样能够有效抑制等离子体的膨胀,提高激光能量的传输,实现深熔焊接,并且降低生产成本。研究发现，在 Nd：YAG-MIG 复合热源焊接铝合金的过程中，激光的引入改变了原有 MIG 焊接的熔滴稳定过渡区间范围，降低了原有 MIG 焊接的熔滴过渡频率和过渡稳定性。熔滴过渡模式和熔滴尺寸影响着电弧波形，其波动信号必然包含熔滴行为的内在信息。目前，国内外学者利用电弧分析仪和高速摄像技术对激光-电弧复合焊接熔滴过渡的模式、机理、频率、稳定性等熔滴行为和激光与电弧相互作用后的电弧行为开展了研究，并取得了一定的学术成果。电弧波形既可以定性地对熔滴行为进行分析，也可以对焊接时的某些参数、飞溅产生机理进行分析，针对中碳超高强度钢开展了激光功率对 CO2激光- MAG 电弧复合焊接的电弧与熔滴行为的研究，实时监测复合焊接过程中的电弧电压、焊接电流的变化，利用电弧分析仪采集的电信号并结合高速摄像照片分析激光功率对电弧和熔滴的影响规律，探索激光功率对电弧产生影响的本质和机理。激光焊接代表着一种在微小区域内加热与冷却之间的精细平衡。激光焊接的目的是通过辐射吸收产生液态熔池,并使之长到理想尺寸,然后沿固体界面移动,消除被焊构件间的初始缝隙,形成高质量焊缝。熔池过大、过小,或者蒸发严重,都将导致焊接失败。此外,焊缝的最终质量还可能因其它因素的改变而恶化,如合金成分的蒸发,过大的热梯度(导致热裂纹),以及焊接熔池体积与几何形状的不稳定(导致气孔和空穴)等, 激光焊接的显著特征是大熔深、窄焊道、小热影响区,以及高功率密度。4 研究内容适量的CO2气体有利于保持焊缝硬度的稳定。研究CO2激光-MAG复合焊接过程中,复合电弧的形态特征,MAG电弧能量和激光能量以及两热源间距对熔滴过渡特性和焊缝成形的影响规律。在CO2激光-MAG电弧复合焊中,激光的加入,降低了激光匙孔附近的等离子体通道的电阻,从而增加了电弧通过该路径的电导率。同时,改变了电弧阴极电子的发射方式,使电弧阴极斑点更加稳定,促使电弧偏向匙孔,致使电弧被吸引和压缩在激光匙孔处。在复合焊接过程中,电弧能量决定熔滴的过渡模式,激光能量主要影响熔滴的过渡频率。熔滴的过渡模式对获得稳定的焊接工艺至关重要,射滴过渡比短路过渡更有利于焊接过程的稳定。热源间距保持在24 mm范围内,保证两热源有效耦合,避免熔池产生紊流和熔滴干扰匙孔。5 研究实施方案适量的CO2气体有利于保持焊缝硬度的稳定。因此,以7 mm厚高强钢板为试验材料,研究了CO2激光-MAG复合焊接过程中,复合电弧的形态特征,MAG电弧能量和激光能量以及两热源间距对熔滴过渡特性和焊缝成形的影响规律。首先研究CO2激光-MAG电弧复合焊的等离子体特征其次研究激光功率和电弧功率对复合焊接熔滴过渡特征和焊缝形貌的影响光丝间距对复合焊接等离子体形貌和熔滴过渡特征的影响6 工作划分与节点进度安排序号任务内容计划时间负责人备注 准备阶段 1 采购 2 人员培训 3 考核 实施阶段 4 任务分配 5 进度完成情况 6 过程总结 验收阶段 7 测试验收 8 提交相关文档 9 项目验收