激光焊接應(yīng)用技術(shù)課程論文

激光焊接應(yīng)用技術(shù)課程論文背景激光焊接與傳統(tǒng)焊接技術(shù)相比，在焊接精度、效率、可靠性、自動(dòng)化等方面都具有無可比擬的優(yōu)越性。近年來，隨著大功率、高性能激光加工設(shè)備的不斷研制成功，激光焊接技術(shù)在日本、美國、英國、德國等發(fā)達(dá)國家的汽車、能源、電子等工業(yè)領(lǐng)域得到快速發(fā)展，激光焊接被認(rèn)為是21世紀(jì)最有發(fā)展前途的制造技術(shù)之一。當(dāng)今工業(yè)生產(chǎn)中，零件材料與結(jié)構(gòu)的不斷更新，生產(chǎn)模式的逐步轉(zhuǎn)變，為激光焊接技術(shù)帶來了巨大的應(yīng)用潛能。經(jīng)過多年的基礎(chǔ)與應(yīng)用研究，激光焊接技術(shù)已具有更高的適應(yīng)性、更強(qiáng)的加工能力一級(jí)更先進(jìn)的質(zhì)量檢測(cè)手段，并在許多行業(yè)足部代替一些傳統(tǒng)的焊接技術(shù)。原理激光焊接通過采用連續(xù)或脈沖激光束以實(shí)現(xiàn)焊接的目的。激光焊接可分為熱傳導(dǎo)型焊接和激光深熔焊接倆種。功率密度小于104~105W/cm2為熱傳導(dǎo)焊，此時(shí)熔深淺、焊接速度慢；功率密度大于105~107W/cm2時(shí)，金屬表面受熱作用下凹成“孔穴”，形成深熔焊，具有焊接速度快、深寬比大的特點(diǎn)。

熱傳導(dǎo)型激光焊接原理為：激光輻射加熱待加工表面，表面熱量通過熱傳導(dǎo)向內(nèi)部擴(kuò)散，通過控制激光脈沖的寬度、能量、峰功率和重復(fù)頻率等激光參數(shù)，使工件熔化，形成特定的熔池。激光深熔焊接一般采用連續(xù)激光光束完成材料的連接，其冶金物理過程與電子束焊接極為相似。在足夠高的功率密度激光照射下，材料產(chǎn)生蒸發(fā)并形成小孔。這個(gè)充滿蒸氣的小孔猶如一個(gè)黑體，幾乎吸收全部的入射光束能量，孔腔內(nèi)平衡溫度達(dá)25000C左右，熱量從這個(gè)高溫孔腔外壁傳遞出來，使包圍著這個(gè)孔腔四周的金屬熔化。小孔內(nèi)充滿在光束照射下壁體材料連續(xù)蒸發(fā)產(chǎn)生的高溫蒸汽，小孔四壁包圍著熔融金屬，液態(tài)金屬四周包圍著固體材料?？妆谕庖后w流動(dòng)和壁層表面張力與孔腔內(nèi)連續(xù)產(chǎn)生的蒸汽壓力相持并保持著動(dòng)態(tài)平衡。光束不斷進(jìn)入小孔，小孔外的材料在連續(xù)流動(dòng)，隨著光束移動(dòng)，小孔始終處于流動(dòng)的穩(wěn)定狀態(tài)。就是說，小孔和圍著孔壁的熔融金屬隨著前導(dǎo)光束前進(jìn)速度向前移動(dòng)，熔融金屬充填著小孔移開后留下的空隙并隨之冷凝，焊縫于是形成。上述過程的所有這一切發(fā)生得如此快，使焊接速度很容易達(dá)到每分鐘數(shù)米。三、激光器的分類（一）CO2氣體激光器CO2氣體激光器發(fā)射光的波長(zhǎng)為10.6微米，電效率為10%到15%。CO2激光器所使用的激光氣體主要是氦氣，同時(shí)有部分 CO2氣體、激光活性介質(zhì)和氮?dú)?。目前在材料加工領(lǐng)域中應(yīng)用的CO2激光器，通常是采用氣體熱交換器進(jìn)行散熱。1、基本結(jié)構(gòu)如下圖11激光管是激光機(jī)中最關(guān)鍵的部件。常用硬質(zhì)玻璃制成，一般采用層套筒式結(jié)構(gòu)。最里面一層是放電管，第2層為水冷套管，最外一層為儲(chǔ)氣管。光學(xué)諧振腔CO2激光器的諧振腔常用平凹腔，反射鏡用K8光學(xué)玻璃或光學(xué)石英，經(jīng)加工成大曲率半徑的凹面鏡，鏡面上鍍有高反射率的金屬膜——鍍金膜，在波長(zhǎng)10.6μm處的反射率達(dá)98.8%，且化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定。反射鏡用來調(diào)節(jié)激光的方向進(jìn)而用來焊接。電源及泵浦常見的CO2激光器橫流式CO2激光器、軸流式CO2激光器、擴(kuò)散冷卻CO2激光器。（二）燈泵浦Nd：YAG激光器如下圖所示，這種激勵(lì)激光器的Nd：YAG棒通常放在雙橢圓反射器的公共焦距上，倆個(gè)激勵(lì)燈放在倆個(gè)外焦軸上。大功率激光器中，典型的Nd：YAG棒一般長(zhǎng)150納米，直徑7到10毫米。泵浦過程中激光棒發(fā)熱，限制了每個(gè)棒的最大輸出功率，因此必須保持激光棒晶體內(nèi)部的產(chǎn)熱和外壁冷卻造成的溫度梯度較低，以確保在晶體棒中形成的殘余應(yīng)力低于晶體的開裂極限。單棒Nd：YAG激光器功率范圍在50到800瓦，這種激光器的控制電路和電源設(shè)備常放在獨(dú)立的控制柜中，激光頭可通過光纖直接與加工系統(tǒng)安裝在一起。也可以將多個(gè)Nd：YAG棒串聯(lián)起來可獲得高功率的激光束。目前Nd：YAG激光器系統(tǒng)設(shè)計(jì)可多達(dá)8個(gè)腔，輸出功率4KW。另一種提高功率的辦法是通過并行光纖耦合，多路激光依次進(jìn)入一根光纖傳輸，但是這種方法需要多臺(tái)激光器，比較昂貴。四、激光填絲焊鋁合金是航空航天工業(yè)中的主要結(jié)構(gòu)材料，它不僅具有高比強(qiáng)度、高比模量、良好的斷裂韌性、疲勞強(qiáng)度和較低的裂紋擴(kuò)展速率，同時(shí)還具有優(yōu)良的成形工藝性和良好的耐蝕性。激光焊接具有能量集中、焊接變形小、焊縫質(zhì)量?jī)?yōu)良、生產(chǎn)效率高等優(yōu)點(diǎn)，此外激光的柔性更增加了焊接工藝的靈活性。在飛機(jī)制造中，激光焊接可以實(shí)現(xiàn)飛機(jī)結(jié)構(gòu)以焊代鉚以及替代常規(guī)焊接方法提高焊縫質(zhì)量。（一）激光焊接不填絲局限性：1.焊接接頭的化學(xué)成份完全取決于母材，性能不能按要求進(jìn)行調(diào)整；激光焊接鋁合金時(shí)，低沸點(diǎn)元素容易蒸發(fā)造成接頭性能下降。2.激光焊接對(duì)接頭間隙要求嚴(yán)格，自熔焊所允許的間隙量最大不超過板厚的10%。在實(shí)際生產(chǎn)中，尤其對(duì)于航空航天工業(yè)，不可避免地會(huì)遇到對(duì)薄板的對(duì)接激光焊，當(dāng)薄板厚度為1.2mm或者更薄時(shí)，對(duì)接焊的間隙要求很難滿足。如果對(duì)薄板采用曲面對(duì)接焊，這一間隙要求更難達(dá)到。雖然通過機(jī)械加工可以使被焊工件的裝配間隙符合要求，但這勢(shì)必增加成本，更不利于激光焊接在工業(yè)生產(chǎn)中推廣應(yīng)用。3.激光焊接鋁合金時(shí)過程不穩(wěn)定，焊縫成形不理想，且由于熔池中高反射率和低表面張力，將會(huì)導(dǎo)致焊縫缺陷，如焊塌、氣孔和軟化等。（二）采用\o"激光"\t"/2012-08/_blank"激光填絲焊接技術(shù)不僅可以保持激光焊固有的優(yōu)點(diǎn)，還可以改善鋁合金激光焊接的表面成形，提高接頭的力學(xué)性能，防止裂紋產(chǎn)生，以較小的功率實(shí)現(xiàn)厚板的焊接等，從而大大擴(kuò)展激光焊接的可能性與應(yīng)用范圍。因此，激光填絲焊接技術(shù)是激光焊接的發(fā)展與應(yīng)用中必須解決的一項(xiàng)基本技術(shù)。激光填絲焊接的原理如下圖所示，該工藝與“掃描”加工方式不同的是，聚焦激光斑點(diǎn)不是直接照射在工件表面，而是照射到焊絲上，焊絲金屬熔化后再進(jìn)入待焊兩工件之間，為了保護(hù)加工區(qū)和控制光致等離子體，還需要向激光束和焊絲及工件作用部位吹送保護(hù)氣體。為了實(shí)現(xiàn)單面焊雙面成形，保證焊縫背面成形，還必須對(duì)其施加背保護(hù)。在對(duì)鋁合金\o"激光"\t"/2012-08/_blank"激光填絲焊接技術(shù)研究中，送絲直徑最小為0.8mm，配合機(jī)器人實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化焊接。由于鋁絲質(zhì)軟易卷曲，在送絲過程中易出現(xiàn)堆絲，因此送絲系統(tǒng)理想的驅(qū)動(dòng)方式是推-拉絲方式，即在焊絲盤一端推，在焊接頭一端拉。焊縫研究經(jīng)過焊接實(shí)驗(yàn)，得到焊接式件，用砂紙和拋光機(jī)磨光可以在電鏡下觀察到清晰的焊縫圖像。如圖焊縫分布不均，左右不對(duì)稱，焊接質(zhì)量較差。焊縫分布均勻，焊縫對(duì)稱，焊接成果較好。焊接組織中有明顯的氣泡，雖然數(shù)目較少，但依然會(huì)對(duì)系統(tǒng)的強(qiáng)度和剛度造成影響。焊縫組織的層狀結(jié)構(gòu)，它的存在表明激光焊接可以實(shí)現(xiàn)金屬材料的堆積，對(duì)于3D打印的研究有重大意義。收獲通過激光焊接應(yīng)用技術(shù)課程的學(xué)習(xí)，我系統(tǒng)的了解了激光焊接的原理、