第一篇：先進(jìn)激光焊接與電子束焊接技術(shù)發(fā)展及其應(yīng)用

高能束焊接論文

先進(jìn)激光焊接與電子束焊接技術(shù)發(fā)展及其應(yīng)用

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先進(jìn)激光焊接與電子束焊接技術(shù)發(fā)展及其應(yīng)用

摘要:介紹激光焊接與電子束焊接技術(shù)的發(fā)展歷史，闡明這兩種焊接的發(fā)展與應(yīng)用現(xiàn)狀及未來(lái)的發(fā)展前景，論述這兩種焊接工藝的特點(diǎn)及需進(jìn)一步研究與探討的問(wèn)題，將激光焊接(LBW)與電子束焊接(EBW)進(jìn)行分析，指出這兩種焊接工藝的優(yōu)勢(shì)所在及其存在的問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：激光焊接 電子束焊接 發(fā)展與應(yīng)用

前言

焊接，作為現(xiàn)代重要的加工技術(shù)之一，自1882年出現(xiàn)碳孤焊開(kāi)始，迄今己經(jīng)歷了100多年的發(fā)展歷程，為了適應(yīng)工業(yè)發(fā)展及技術(shù)進(jìn)步的需要，先后產(chǎn)生了埋弧焊、電阻焊、電渣 悍及各種氣體保護(hù)焊等一系列新的焊接方法。進(jìn)入20世紀(jì)50年代后，隨著焊接新工藝和新能源的開(kāi)發(fā)研究，等離子弧切割與焊接、真空電子束焊接及激光焊接等高能束技術(shù)也陸續(xù)應(yīng)用到各工業(yè)部門(mén)，使焊接技術(shù)達(dá)到了一個(gè)新的水平。特別是近年來(lái)，各種尖端工業(yè)的發(fā)展需求，不斷提出了具有特殊性能材料的焊接問(wèn)題，如高強(qiáng)鋼、超高強(qiáng)鋼、特種耐熱耐腐蝕鋼、高強(qiáng)不銹鋼、特種合金及金屬間化合物、復(fù)合材料、難熔金屬及異種材料焊接等等。激光焊接技術(shù)與其它熔化焊相比獨(dú)具的深寬比高，焊縫寬度小，熱影響區(qū)小、變形小，焊接速度快，焊縫質(zhì)量高，無(wú)氣孔，可精確控制，聚焦光點(diǎn)小，定位精度高，易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)。電子束焊接具有其它熔焊方法難以比擬的優(yōu)勢(shì)和特殊功能:其焊接能量密度極高，容易實(shí)現(xiàn)金屬材料的深熔透焊接、焊縫窄、深寬比大、焊縫熱影響區(qū)小、焊接殘余變形小、焊接工藝參數(shù)容易精確控制、重復(fù)性和穩(wěn)定性好等。這兩個(gè)焊接方法在各種加工制造業(yè)中得到了高度重視。激光焊接技術(shù)

激光焊接是一種新型的熔化焊接方式，是利用原子受激輻射的原理，使工作物質(zhì)(激光材料)受激而產(chǎn)生的一種單色性好、方向性強(qiáng)、強(qiáng)度很高的激光束。聚焦后的激光束最高能量密度可達(dá)1013w/cm2，在千分之幾秒甚至更短時(shí)間內(nèi)將光能轉(zhuǎn)換成熱能，溫度可達(dá)一萬(wàn)攝氏度以上，利用這種高能量的激光脈沖對(duì)材料進(jìn)行微小區(qū)域內(nèi)的局部加熱，激光輻射的能量通過(guò)熱傳導(dǎo)向材料的內(nèi)部擴(kuò)散，將材料熔化后形成特定熔池，從而達(dá)到焊接的目的。激光焊接主要針對(duì)薄壁材料、精密零件的焊接，可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)焊、對(duì)接焊、疊焊、密封焊等。

激光焊接中應(yīng)用的激光器主要有兩大類(lèi)，一類(lèi)是固體激光器，又稱(chēng)Nd: YAG激光器。Nd(欽)是一種稀土族元素，YAG代表憶鋁拓榴石，晶體結(jié)構(gòu)與紅寶石相似。Nd: YAG激光器波長(zhǎng)為1.06mm，主要優(yōu)點(diǎn)是產(chǎn)生的光束可以通過(guò)光纖傳送，因此可以省去復(fù)雜的光束傳送系統(tǒng)，適用于柔性制造系統(tǒng)或遠(yuǎn)程加工，通常用于焊接精度要求比較高的工件。另一類(lèi)是氣體激光器，又稱(chēng)CO2激光器，分子氣體作工作介質(zhì)，產(chǎn)生平均為10.6mm的紅外激光，可以連續(xù)工作并輸出很高的功率，標(biāo)準(zhǔn)激光功率在2—5千瓦之間。1.1激光焊接的種類(lèi)

激光焊接分為脈沖激光焊接和連續(xù)激光焊接兩大類(lèi)。脈沖激光焊特別適用于對(duì)電子工業(yè)和儀表工業(yè)微形件的焊接，可以實(shí)現(xiàn)薄片(0.2mm以上)、薄膜(幾微米到幾十微米)、絲與絲(直徑0.02—2mm)、密封縫焊和異種金屬、異種材料的焊接，如集成電路外引線(xiàn)和內(nèi)引線(xiàn)(硅片上蒸鍍有的鋁膜和厚鋁箔間)的焊接，微波器件中速調(diào)管的擔(dān)片和鑰片的焊接，零點(diǎn)幾毫米不銹鋼、銅、鎳、擔(dān)等金屬絲的對(duì)接、重迭、十字接、T字接，密封性微型繼電器、石英晶體器件外殼和航空儀表零件的焊接等。連續(xù)激光焊接主要使用CO2大功率氣體激光器，適合于從薄板精密焊到50mm厚板深穿入焊的各種焊接。

1.2激光焊接的特點(diǎn)

激光焊接與傳統(tǒng)的熔焊工藝相比，具有的優(yōu)勢(shì)主要集中在以下幾個(gè)方面:(1)能量密度大且放出極其迅速，在高速加工中能避免熱損傷和焊接變形，可進(jìn)行精密零件、熱敏感性材料加工。

(2)被焊材料不易氧化，可以在大氣中焊接，不需要?dú)怏w保護(hù)或真空環(huán)境。

(3)激光可對(duì)絕緣材料直接焊接，對(duì)異種金屬材料焊接比較容易，甚至能把金屬與非金屬焊接在一起。

(4)激光焊接裝置不需要與被焊接工件接觸。激光束可用反射鏡或偏轉(zhuǎn)棱鏡將其在任何方向上彎曲或聚焦，還可用光導(dǎo)纖維將其引到難以接近的部位進(jìn)行焊接。激光還可以穿過(guò)透明材料進(jìn)行聚焦，因此可以焊接一般方法難以接近的接頭或無(wú)法安置的接焊點(diǎn)，如真空管中電極的焊接。

(5)激光束不會(huì)帶來(lái)任何磨損，且能長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作。激光焊接的不足主要表現(xiàn)在以下兩點(diǎn):(1)要求焊件裝配精度高，且要求光束在工件上的位置不能有顯著偏移。這是因?yàn)榧す饩劢购蠊獍叱叽缧。缚p窄。如工件裝配精度或光束定位精度達(dá)不到要求，很容易造成焊接缺陷。

(2)激光器及其相關(guān)系統(tǒng)的成本較高，一次性投資比較大。2激光焊接在加工生產(chǎn)中的應(yīng)用

激光焊接最主要的應(yīng)用領(lǐng)域是汽車(chē)、航空航天、船舶等加工中的焊接制造。以汽車(chē)制造為例，激光焊接己實(shí)現(xiàn)規(guī)?；?，并且己出現(xiàn)了相關(guān)的自動(dòng)生產(chǎn)線(xiàn)和焊接機(jī)器人。據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計(jì)，在歐美發(fā)達(dá)工業(yè)國(guó)家中，有50%—70%的汽車(chē)零部件是用激光加工來(lái)完成的。其中主要以激光焊接和激光切割為主，激光焊接在汽車(chē)工業(yè)中己成為標(biāo)準(zhǔn)工藝。我國(guó)汽車(chē)工業(yè)界也開(kāi)始重視這種先進(jìn)的焊接技術(shù)，如率先使用激光焊接技術(shù)的上海大眾，新近上市的多功能轎車(chē)的車(chē)身上，使用激光焊接技術(shù)的總長(zhǎng)度達(dá)到41米。汽車(chē)工業(yè)中，激光技術(shù)主要用于車(chē)身拼焊、焊接和零件焊接。

激光用于車(chē)身面板的焊接可將不同厚度和具有不同表面涂鍍層的金屬板焊在一起，然后再進(jìn)行沖壓，這樣制成的面板結(jié)構(gòu)能達(dá)到最合理的金屬組合。由于很少變形，也省去了二次加工。激光焊接加速了用車(chē)身沖壓零件代替鍛造零件的進(jìn)程。采用激光焊接，可以減少搭接寬度和一些加強(qiáng)部件，還可以壓縮車(chē)身結(jié)構(gòu)件本身的體積。僅此一項(xiàng)車(chē)身的重量可減少50kg左右。而且激光焊接技術(shù)能保證焊點(diǎn)連接達(dá)到分子層面的接合，有效提高了車(chē)身的剛度和碰撞安全性，同時(shí)有效降低了車(chē)內(nèi)噪聲。

激光拼焊是在車(chē)身設(shè)計(jì)制造中，根據(jù)車(chē)身不同的設(shè)計(jì)和性能要求，選擇不同規(guī)格的鋼板，通過(guò)激光截剪和拼裝技術(shù)完成車(chē)身某一部位的制造，例如前檔風(fēng)玻璃框架、車(chē)門(mén)內(nèi)板、車(chē)身底板、中立柱等。激光拼焊具有減少零件和模具數(shù)量、減少點(diǎn)焊數(shù)目、優(yōu)化材料用量、降低零件重量、降低成本和提高尺寸精度等好處。而激光焊接主要用于車(chē)身框架結(jié)構(gòu)的焊接，例如頂蓋與側(cè)面車(chē)身的焊接，傳統(tǒng)焊接方法的電阻點(diǎn)焊己經(jīng)逐漸被激光焊接所代替。用激光焊接技術(shù)，工件連接之間的接合面寬度可以減少，既降低了板材使用量也提高了車(chē)體的剛度，目前己經(jīng)被世界上部分生產(chǎn)高檔轎車(chē)的大汽車(chē)制造商和領(lǐng)先的配件供應(yīng)商所采用。

飛機(jī)制造中，它主要應(yīng)用于飛機(jī)大蒙皮的拼接以及蒙皮與長(zhǎng)析的焊接，以保證氣動(dòng)面的外形公差。另外在機(jī)身附件的裝配中也大量使用了激光束焊接技術(shù)，如腹鰭和襟翼的翼盒，結(jié)構(gòu)不再是應(yīng)用內(nèi)肋條骨架支撐結(jié)構(gòu)和外加蒙皮完成，而是應(yīng)用了先進(jìn)的飯金成形技術(shù)后，采用激光焊接技術(shù)在三維空間完成焊接拼合，不僅產(chǎn)品質(zhì)量好，生產(chǎn)效率高，而且工藝再現(xiàn)性好，減重效果明顯。

珠寶首飾行業(yè)中，激光焊接可滿(mǎn)足美觀性及不同材質(zhì)間焊接，己被廣泛用于金銀首飾補(bǔ)孔、點(diǎn)焊砂眼、焊鑲口等。

激光焊接中的熔覆技術(shù)己成為模具修補(bǔ)的主要技術(shù)，航空業(yè)界用此技術(shù)進(jìn)行航空發(fā)動(dòng)機(jī)Ni基渦輪葉片耐熱、耐磨層的修復(fù)。激光熔覆與其它表面改性方法相比，加熱速度快、熱輸入少，變形極小，結(jié)合強(qiáng)度高，稀釋率低，改性層厚度可精確控制，定域性好、可達(dá)性好、生產(chǎn)效率高。

其它諸如手機(jī)電池、電子元件、傳感器、鐘表、精密機(jī)械、通信等行業(yè)都己引入了激光焊接技術(shù)。

激光焊接由于設(shè)備投入較高，目前只是在高附加值的領(lǐng)域里應(yīng)用較多，即使在這些領(lǐng)域里，激光焊接長(zhǎng)期以來(lái)也并沒(méi)有被充分利用。不過(guò)隨著新的激光焊接技術(shù)和設(shè)備的研發(fā)，激光焊接正在逐漸擠進(jìn)長(zhǎng)期以來(lái)一直被傳統(tǒng)焊接技術(shù)所占據(jù)的“領(lǐng)地”。3激光焊接技術(shù)的發(fā)展前景與面臨的挑戰(zhàn)

目前，在激光焊接技術(shù)研究與應(yīng)用方面處于世界領(lǐng)先水平的國(guó)家有德國(guó)、日本、瑞士和美國(guó)等國(guó)。橫流連續(xù)CO2激光加工設(shè)備的輸出功率可達(dá)20kW，脈沖Nd: YAG激光器的最大平均輸出功率也己達(dá)到4kW，并且實(shí)現(xiàn)了納秒級(jí)的脈沖寬度。激光焊接能夠?qū)崿F(xiàn)的材料厚度最大己達(dá)80mm，最小為0.05mm，大部分材料的激光焊接質(zhì)量均超過(guò)傳統(tǒng)焊接工藝。激光焊接技術(shù)正朝著低成本、高質(zhì)量的方向發(fā)展，具有很大的發(fā)展?jié)摿桶l(fā)展前景?？梢灶A(yù)料，激光焊接工藝將逐步占據(jù)焊接領(lǐng)域的主要位置，并取代一些傳統(tǒng)落后的焊接方法。

激光焊接技術(shù)在迅猛發(fā)展的同時(shí)，也面臨著一些新的課題，其中包括:高功率低模式激光器的開(kāi)發(fā)及在焊接中的應(yīng)用;納秒級(jí)短脈沖高峰值功率激光焊接過(guò)程中激光與材料的作用機(jī)制;超薄板材激光焊接工藝的優(yōu)化與接頭性能的檢測(cè);激光焊接時(shí)聲、光、電信號(hào)的反饋控制;激光焊接過(guò)程中等離子體的產(chǎn)生對(duì)焊接質(zhì)量的影響等等。激光焊接技術(shù)面臨的這些新的挑戰(zhàn)，有待于從事激光焊接的研究人員進(jìn)行深入的探討，同時(shí)，這些新問(wèn)題的提出也預(yù)示著激光焊接技術(shù)正向著更加深化的方向發(fā)展。4電子束焊接方法

電子束焊接(EBW)是利用電子槍中陰極所產(chǎn)生的電子在陰陽(yáng)極間的高壓(25—300KV)加速電場(chǎng)作用下被拉出，并加速到很高的速度(0.3—0.7倍光速)，經(jīng)一級(jí)或二級(jí)磁透鏡聚焦后，形成密集的高速電子流，當(dāng)其撞擊在工件接縫處時(shí)，其動(dòng)能轉(zhuǎn)換為熱能，使材料迅速熔化而達(dá)到焊接的目的。其實(shí)，高速電子在金屬中的穿透能力非常弱，如在100KV加速電壓下僅能穿透0.025mm。但電子束焊接中之所以能一次焊透甚至達(dá)數(shù)百毫米，這是因?yàn)楹附舆^(guò)程中一部分材料迅速蒸發(fā)，其氣流強(qiáng)大的反作用力將熔融的底面金屬液體向四周排開(kāi)，露出新的底面，電子束繼續(xù)作用，過(guò)程連續(xù)不斷進(jìn)行，最后形成一深而窄的焊縫。4.1電子束焊接的特征

由于高能量密度的電子束流集中作用的結(jié)果，使得電子束焊接熔池“小孔”形成機(jī)理與其他熔化焊有所不同。根據(jù)真空度的不同，電子束焊接可分為高真空焊接、低真空焊接和非真空焊接三種。電子束焊接過(guò)程是，高壓加速裝置形成的高功率電子束流，通過(guò)磁透鏡會(huì)聚，492得到很小的焦點(diǎn)(其功率密度可達(dá)10—10W/cm)，轟擊置于真空或非真空的焊件時(shí)，電子的動(dòng)能迅速轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，熔化金屬，?shí)現(xiàn)金屬焊接的目的。電子束焊接的特點(diǎn)可概括如下:（1）電子束斑點(diǎn)直徑小，加熱功率密度大，焊接速度快，焊縫寬度狹窄，熱影響區(qū)小，特別適宜于精密焊接和微型焊接;（2）可獲得深寬比大的焊縫，焊接厚件時(shí)可以不開(kāi)坡口一次成形;（3）多數(shù)構(gòu)件是在真空條件下焊接，焊縫純潔度局;（4）規(guī)范參數(shù)易于調(diào)節(jié)，工藝適應(yīng)性強(qiáng)。焊接工藝參數(shù)的重復(fù)性和再現(xiàn)性好;（5）適于焊接多種金屬材料;（6）焊接熱輸入低，焊接熱變形小。當(dāng)然電子束焊接方法也有一些不足，如:(1)電子束焊機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，控制設(shè)備精度高，所需費(fèi)用高;（2）冷卻過(guò)程中快速凝固，引起焊接缺陷，如氣孔、焊接脆性等;（3）工件大小受真空室尺寸的限制，每次裝卸工件要求重新抽真空。5電子束焊接在工業(yè)上的應(yīng)用

電子束焊接正廣泛應(yīng)用于各種構(gòu)件，如結(jié)構(gòu)鋼、Ti合金、Al合金、厚大截面的不銹鋼和異種材料的焊接。近年來(lái)，在對(duì)各種材料電子束焊接可焊性和接頭性能研究方面均獲得了可喜的進(jìn)展。在焊接大厚件方面，電子束一直具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)。特別是在能源、重工業(yè)及航空工業(yè)中發(fā)展迅速。如在核工業(yè)大型核反應(yīng)堆環(huán)形真空槽和線(xiàn)圈隔板的電子束焊接中，其最大焊接深度達(dá)150 mm,電子束焊接發(fā)揮其深熔焊的特點(diǎn)可一次焊透厚達(dá)150-200mm的鋼板，且焊后不再加工就可投入使用。又如在日本PWR蒸汽發(fā)電機(jī)的安裝和改造中采用的就是電子束焊接，他們采用無(wú)缺陷的焊接程序和步驟，成功地實(shí)現(xiàn)了不銹鋼厚板的電子束焊接。

一直以來(lái)，電子束焊接在航空、航天工業(yè)中的應(yīng)用居多，主要應(yīng)用于飛機(jī)重要承力件和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子部件的焊接上。例如，在美國(guó)近年發(fā)展的F-22戰(zhàn)斗機(jī)機(jī)身段上，由電子束焊接的Ti合金焊縫長(zhǎng)度達(dá)87.6 mm，厚度為6.4-25 mm。同時(shí)，電子束焊接技術(shù)作為柔性很好的工藝方法，不僅在發(fā)動(dòng)機(jī)制造領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用，在渦輪葉片及熱端部件修理領(lǐng)域也有其廣闊的市場(chǎng)。

另外，電子束焊接在電子、儀表和生物醫(yī)藥工業(yè)上也起到了獨(dú)特的作用。由于在這些工業(yè)中，有許多零件對(duì)焊接質(zhì)量要求相當(dāng)高。電子束焊接技術(shù)可以解決電子和儀表工業(yè)中許多精密零件的焊接難題，例如封裝焊接、高熔點(diǎn)金屬焊接、集中加熱焊接、穿透焊接等，其焊縫質(zhì)量高，工件變形小，焊接效率也高。在生物醫(yī)藥業(yè)中對(duì)焊縫清潔度的要求很高，采用電子束焊接可以輕松實(shí)現(xiàn)上述行業(yè)中各種材料的焊接，如Cu一Be合金、Ti合金、不銹鋼以及陶瓷與金屬的焊接等。

憑借EBB能量密度高，加熱和冷卻速度快的特點(diǎn)，采用該焊接技術(shù)可以很好地解決異種材料焊接中出現(xiàn)的兩種材料冶金不相容和性能差異問(wèn)題，因此異種材料的電子束焊接己經(jīng)越來(lái)越得到人們的重視，尤其是厚大異種材料的焊接、金屬和非金屬材料的焊接等。特別是在航空發(fā)動(dòng)機(jī)、精密儀器、刀具刃具制造方面有廣泛的應(yīng)用前景。

為了使電子束焊接技術(shù)獲得更進(jìn)一步的應(yīng)用和發(fā)展，國(guó)內(nèi)外學(xué)者正從以下幾方面著手進(jìn)行研究，即完善超高能密度電子束熱源裝置;掌握電子束品質(zhì)過(guò)計(jì)算機(jī)及CNC控制提高設(shè)備柔性以擴(kuò)大其應(yīng)用領(lǐng)域。近年來(lái)，隨著電子束焊接設(shè)備的不斷改進(jìn)和更新，國(guó)內(nèi)外電子束焊接技術(shù)及其應(yīng)用也有了長(zhǎng)足的發(fā)展，主要內(nèi)容包括:日本大阪大學(xué)研制了600KV 300KW的超高壓電子束熱源裝置，一次焊200mm厚不銹鋼時(shí)，深寬比達(dá)70: 1。歐共體采用德國(guó)阿亨大學(xué)研制的DIA BEAM系統(tǒng)，對(duì)電子束特性進(jìn)行了定量研究，對(duì)大型壁厚80mm圓筒壓力容器電子束焊的環(huán)縫起焊收尾搭接處，通過(guò)電子束焦點(diǎn)及焊接過(guò)程分析，找出了減少和消除圓環(huán)焊縫收尾處缺陷的方法。日本采用填絲雙槍電子束薄板超高速焊接技術(shù)，得到了反面無(wú)飛濺的良好焊縫。近年英國(guó)焊接研究所采用非真空電子束焊接銅制核廢料罐，取得了良好的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。國(guó)內(nèi)有北京航空工藝所在1992年研制成功了ZD 150-15A高壓電子束焊機(jī)，并用此機(jī)完成了多種航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)零部件的焊接，以及導(dǎo)彈殼體、汽車(chē)變截面軸、石油鉆頭等多種軍民品。

6電子束焊接的發(fā)展趨勢(shì)

綜上所述，國(guó)內(nèi)外開(kāi)展電子束焊接技術(shù)研究的廣度和深度在不斷的加大，己經(jīng)在焊接理論和工藝實(shí)踐上取得了積極的研究成果。但由于電子束焊接過(guò)程中電子束與金屬間的深穿快速物理化學(xué)冶金作用，以及當(dāng)前研究分析手段上的局限性，使得焊接機(jī)理的本質(zhì)研究有待進(jìn)一步深入?；陔娮邮附赢惙N材料的優(yōu)越性，當(dāng)前各國(guó)在異種材料的電子束焊接方面逐步擴(kuò)大了異種材料之間連接的研究范圍，目前航空航天用的高溫結(jié)構(gòu)材料及先進(jìn)的新型結(jié)構(gòu)材料與黑色金屬、有色金屬的異種材料的電子束焊接己經(jīng)成為各國(guó)高度關(guān)注的研究熱點(diǎn)。因此，針對(duì)世界電子束焊接技術(shù)的研究走向及國(guó)內(nèi)研究的不足，深入開(kāi)展異種材料，特別是航空航天用的高溫新型結(jié)構(gòu)材料的電子束焊接機(jī)理及工藝研究有著深遠(yuǎn)的現(xiàn)實(shí)意義和良好的應(yīng)用前景。從上述電子束焊接的特征和它在工業(yè)中的應(yīng)用現(xiàn)狀，不難看出，今后電子束焊接的發(fā)展趨勢(shì)可以概括為:(1)繼續(xù)擴(kuò)大在航空航天工業(yè)中的應(yīng)用范圍，并在修復(fù)領(lǐng)域發(fā)揮作用;(2)焊接設(shè)備將趨向多功能化和柔性化;(3)非真空電子束焊接的研究和應(yīng)用將日益成為熱點(diǎn);(4)在厚大件和批量生產(chǎn)中繼續(xù)發(fā)揮其獨(dú)特優(yōu)勢(shì);(5)電子束焊接將成為空間結(jié)構(gòu)焊接的強(qiáng)有力工具。結(jié)語(yǔ)

激光焊接與電子束焊接是焊接新技術(shù)，其應(yīng)用范圍和焊接能力還并沒(méi)有被人們完全認(rèn)識(shí)，還有待于科技工作者進(jìn)一步研究和開(kāi)發(fā)。相信不久的將來(lái)，激光焊接與電子束焊接技術(shù)不僅會(huì)在更多的加工領(lǐng)域出現(xiàn)，而且還會(huì)成為這些領(lǐng)域的主流加工技術(shù)之一。

參看文獻(xiàn)：

[1]朱林崎.國(guó)外高能束流焊接技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀[J].航天工藝，1996(2):48-52.[2]李志遠(yuǎn).先進(jìn)連接方法「M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社 2000.[3]劉金臺(tái).高能密度焊「M].西安:西北工業(yè)大學(xué)出版社1995.[4]王亞軍.電子束加工技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展.航空制造技術(shù)，1995,(增刊1): 28-31.[5]于瑞.激光技術(shù)在汽車(chē)制造領(lǐng)域中的應(yīng)用[J].汽車(chē)工業(yè)研究，2007(10):45-47.

第二篇：激光焊接總結(jié)

激光焊接總結(jié)

就“鵬桑普”焊接板芯208片，分析總結(jié)！

自2011年8月18日整板裁剪好開(kāi)始調(diào)試焊接起，24小時(shí)連續(xù)工作五天完成任務(wù)。前期我已對(duì)0.2mm銅板進(jìn)行焊接調(diào)試，就調(diào)試板可以完美焊接了?？墒呛附拥聡?guó)進(jìn)口鍍膜板時(shí)，又回出現(xiàn)焊接不上及焊點(diǎn)太大的問(wèn)題。

經(jīng)過(guò)調(diào)試，同樣是0.2mm的銅板用不同的工藝焊接，后面發(fā)現(xiàn)主要有兩個(gè)問(wèn)題：

1、銅板材質(zhì)不一樣，表面發(fā)光效果會(huì)影響激光焊接工藝；

2、鏡片：激光聚焦前面的保護(hù)鏡片，保護(hù)飛濺不傷害激光聚焦。保護(hù)鏡片透射率及清晰度一定要好。

在整批任務(wù)的完成過(guò)程中還出現(xiàn)了很多問(wèn)題:

1、伺服電機(jī)卡死現(xiàn)象；------先調(diào)伺服電機(jī)5A編輯器不成功，后更換。（主要是Y軸方向不能靈活運(yùn)動(dòng)）

2、有漏焊及脫焊現(xiàn)象；------通過(guò)把銅板墊高氣壓加大，讓銅管與銅板更有效地接合后焊接。

3、德國(guó)進(jìn)口鍍膜銅板反面出現(xiàn)兩種顏色，一種很光潔（要求功率會(huì)相對(duì)高點(diǎn)），一種看起來(lái)有氧化現(xiàn)象（相對(duì)功率低點(diǎn)，而且容易焊接）；------工藝偏向光潔面，功率偏大，氧化面焊點(diǎn)較大，有銅飛濺。

4、在焊接過(guò)程中，因?yàn)楣β侍?，銅板飛濺也就很大，保護(hù)鏡片損害相當(dāng)嚴(yán)重，使用監(jiān)視器查看焊縫越來(lái)越模糊，越是模糊就越要加大功率，最后鏡片不能使用；------在保證焊點(diǎn)的前提下勁量調(diào)小功率，讓飛濺減小。鏡片稍模糊時(shí)用棉布搽拭干凈，鏡片嚴(yán)重模糊時(shí)更換鏡片。

5、在連續(xù)焊接24小時(shí)后，監(jiān)視器的電源無(wú)故失效；------更換類(lèi)似電源。

6、在焊接過(guò)程中，由于工裝不完善經(jīng)常出現(xiàn)碰撞現(xiàn)象；------焊接過(guò)程中多注意觀察調(diào)節(jié)，要認(rèn)真、要專(zhuān)心的工作。

7、工裝不完善，剪板公差無(wú)法精確到1mm以下；------工裝要根據(jù)銅板與板芯中心對(duì)稱(chēng)，剪板要求精準(zhǔn)。

8、焊接到最里面的時(shí)候，需要爬上平臺(tái)進(jìn)行調(diào)試很不方便。------把易焊的一面裝在里面。

經(jīng)過(guò)大批量焊接，機(jī)器穩(wěn)定了好多，我們也都學(xué)著能夠熟悉掌握它了！

第三篇：水下激光焊接技術(shù)的應(yīng)用

水下激光焊接技術(shù)的應(yīng)用

海洋工程結(jié)構(gòu)因常年在海上工作，其工作環(huán)境極為惡劣，除受到結(jié)構(gòu)的工作載荷外，還要承受風(fēng)暴、波浪、潮流引起的附加載荷以及海水腐蝕、砂流的磨蝕、地震或寒冷地區(qū)冰流的侵襲。此外，石油天然氣的易燃易爆性對(duì)結(jié)構(gòu)也存在威脅。而且海洋結(jié)構(gòu)的主要部分在水下，服役后焊接接頭的檢查和修補(bǔ)很困難，費(fèi)用也高，一旦發(fā)生重大結(jié)構(gòu)損傷或傾覆事故，將造成生命財(cái)產(chǎn)的嚴(yán)重?fù)p失。所以對(duì)海洋工程結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)制造、材料選擇以及焊接施工等都有嚴(yán)格的質(zhì)量要求。而隨著海洋石油和天然氣工業(yè)的發(fā)展,海洋管道工程日益向深海挺進(jìn),我國(guó)作為一個(gè)發(fā)展中的沿海大國(guó),國(guó)民經(jīng)濟(jì)要持續(xù)發(fā)展,就必須把海洋的開(kāi)發(fā)和保護(hù)作為一項(xiàng)長(zhǎng)期的戰(zhàn)略任務(wù)。大量的海底管道施工工程對(duì)水下焊接技術(shù)提出了新的要求。

水下焊接由于水的存在，使焊接過(guò)程變得更加復(fù)雜，并且會(huì)出現(xiàn)各種各樣陸地焊接所未遇到的問(wèn)題，目前，世界各國(guó)正在應(yīng)用和研究的水下焊接方法種類(lèi)繁多，應(yīng)用較成熟的是電弧焊。隨著水下焊接技術(shù)的發(fā)展，除了常用的濕法水下焊接、局部干法水下焊接和干法水下焊接以外，又出現(xiàn)了一些新的水下焊接方法。但是，從各國(guó)海洋開(kāi)發(fā)的前景來(lái)看，水下焊接的研究遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能適應(yīng)形勢(shì)發(fā)展的需要。因此，加強(qiáng)這方面的研究，無(wú)論是對(duì)現(xiàn)在或?qū)?lái)，都將是一項(xiàng)非常有意義的工作。

濕法水下焊接

濕法焊接中，水下焊接的基本問(wèn)題表現(xiàn)最為突出。因此采用這類(lèi)方法難以得到質(zhì)量好的焊接接頭，尤其在重要的應(yīng)用場(chǎng)合，濕法焊接的質(zhì)量難以令人滿(mǎn)意。但由于濕法水下焊接具有設(shè)備簡(jiǎn)單、成本低廉、操作靈活、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。所以，近年來(lái)各國(guó)對(duì)這種方法仍在繼續(xù)進(jìn)行研究，特別是涂藥焊條和手工電弧焊，在今后一段時(shí)期還會(huì)得到進(jìn)一步的應(yīng)用。在焊條方面，比較先進(jìn)的有英國(guó)Hydroweld公司發(fā)展的Hydroweld FS水下焊條，美國(guó)的專(zhuān)利水下焊條7018’S 焊條，以及德國(guó)Hanover大學(xué)基于渣氣聯(lián)合保護(hù)對(duì)熔滴過(guò)渡的影響和保護(hù)機(jī)理所開(kāi)發(fā)的雙層自保護(hù)藥芯焊條。美國(guó)的Stephen Liu等人在焊條藥皮中加入錳、鈦、硼和稀土元素，改善了焊接過(guò)程中的焊接性能，細(xì)化了焊縫微觀組織。水下焊條的發(fā)展促進(jìn)了濕法水下焊接技術(shù)的應(yīng)用。目前，在國(guó)、內(nèi)外都有采用水下濕法焊條電弧焊技術(shù)進(jìn)行水下焊接施工的范例。

藥芯焊絲的出現(xiàn)和發(fā)展適應(yīng)了焊接生產(chǎn)向高效率、低成本、高質(zhì)量、自動(dòng)化和智能化方向發(fā)展的趨勢(shì)。英國(guó)TWI與烏克蘭巴頓研究所成功開(kāi)發(fā)了一套水下濕法藥芯焊絲焊接的送絲結(jié)構(gòu)、控制系統(tǒng)及其焊接工藝。華南理工大學(xué)機(jī)電工程系劉桑、鐘繼光等人開(kāi)發(fā)了一種藥芯焊絲微型排水罩水下焊接方法，從實(shí)用經(jīng)濟(jì)的角度出發(fā),完全依靠焊接時(shí)自身所產(chǎn)生的氣體以及水汽化產(chǎn)生的水蒸氣排開(kāi)水而形成一個(gè)穩(wěn)定的局部無(wú)水區(qū)域,使得電弧能在其中穩(wěn)定的燃燒。微型排水罩的尺寸和結(jié)構(gòu)決定了焊接過(guò)程中無(wú)水區(qū)(局部排水區(qū))的大小和穩(wěn)定程度。除此之外，他們還通過(guò)復(fù)合濾光技術(shù)和水下CCD攝像系統(tǒng)，采集出了藥芯焊絲水下焊接電弧區(qū)域圖像，從而為水下濕法焊接電弧的機(jī)理分析及水下焊接過(guò)程控制奠定了基礎(chǔ)。

20081182069光信0802林裕

第四篇：激光焊接前景講解

激光焊接前景

摘要：焊接是一種將材料永久連接，并成為具有給定功能結(jié)構(gòu)的制造技術(shù)。近幾年中國(guó)完成的一些標(biāo)志性工程來(lái)看，焊接技術(shù)發(fā)揮了重要作用。但傳統(tǒng)焊接已不能滿(mǎn)足越來(lái)越高的技術(shù)要求和條件限制，激光焊接便有了很大的發(fā)展空間。激光技術(shù)涉及材料學(xué)、力學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)等。研發(fā)是一個(gè)消耗的過(guò)程，其投入要求高，資金回收期較長(zhǎng)。單靠企業(yè)研發(fā)，速度很難跟上，于是有一部分壓力轉(zhuǎn)移到國(guó)家科研機(jī)構(gòu)。所以產(chǎn)業(yè)化需要強(qiáng)大的經(jīng)濟(jì)實(shí)體后盾和政策支持。關(guān)鍵詞：焊接技術(shù)

關(guān)鍵制造工藝

激光焊接

產(chǎn)業(yè)化

焊接是一種將材料永久連接，并成為具有給定功能結(jié)構(gòu)的制造技術(shù)。幾乎所有的產(chǎn)品，從幾十萬(wàn)噸巨輪到不足1克的微電子元件，在生產(chǎn)制造中都不同程度地應(yīng)用焊接技術(shù)。焊接已經(jīng)滲透到制造業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域，直接影響到產(chǎn)品的質(zhì)量、可靠性和壽命以及生產(chǎn)的成本、效率和市場(chǎng)反應(yīng)速度。中國(guó)2005年鋼產(chǎn)量達(dá)到3．49億噸，成為世界最大的鋼材生產(chǎn)與消費(fèi)國(guó)，而焊接結(jié)構(gòu)的用鋼量也突破1．3億噸，相當(dāng)于美國(guó)一年的鋼產(chǎn)量，成為世界上空前最大的焊接鋼結(jié)構(gòu)制造國(guó)。近幾年中國(guó)完成的一些標(biāo)志性工程來(lái)看，焊接技術(shù)發(fā)揮了重要作用。例如三峽水利樞紐的水電裝備就是一套龐大的焊接系統(tǒng)，包括導(dǎo)水管、蝸殼、轉(zhuǎn)輪、大軸、發(fā)電機(jī)機(jī)座等，其中馬氏體不銹鋼轉(zhuǎn)輪直徑10．7m高5．4m重440t，為世界最大的鑄－焊結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)輪。該轉(zhuǎn)輪由上冠、下環(huán)和13或15個(gè)葉片焊接而成，每個(gè)轉(zhuǎn)輪的焊接需要用12t焊絲，耗時(shí)4個(gè)多月。神舟6號(hào)飛船的成功發(fā)射與回收，標(biāo)志著中國(guó)航天事業(yè)的巨大進(jìn)步，其中兩名航天員活動(dòng)的返回艙和軌道艙都是鋁合金的焊接結(jié)構(gòu)，而焊接接頭的氣密性和變形控制是焊接制造的關(guān)鍵。由第一重型機(jī)械集團(tuán)為神華公司制造的中國(guó)第一個(gè)煤直接液化裝置的加氫反應(yīng)器，直徑5．5m長(zhǎng)62m厚337mm重2060t，為當(dāng)今世界最大、最重的鍛－焊結(jié)構(gòu)加氫反應(yīng)器，采用國(guó)內(nèi)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的全自動(dòng)雙絲窄間隙埋弧焊技術(shù)，每條環(huán)焊縫需連續(xù)焊接5天。西氣東輸?shù)墓芫€(xiàn)長(zhǎng)4000km，是中國(guó)第一條高強(qiáng)鋼（X70）大直徑長(zhǎng)輸管線(xiàn)，所用的螺旋鋼管和直縫鋼管全部是板－焊形式的焊接管。2005年我國(guó)造船的總噸位達(dá)到1212萬(wàn)噸，占世界造船總量的17％，居于日、韓之后，穩(wěn)居世界第三位，正向年產(chǎn)2500萬(wàn)噸的世界水平邁進(jìn)。國(guó)內(nèi)制造的30萬(wàn)噸超級(jí)油輪、新型5668標(biāo)箱集裝箱船、15萬(wàn)噸散裝貨船，以及為世界矚目的，被稱(chēng)為“中華第一盾”的170艦，都是中國(guó)造船界的驕傲，船體是典型的板－焊結(jié)構(gòu)。另外，上海中瀘浦大橋是世界最長(zhǎng)的全焊鋼拱橋；國(guó)家大劇院的橢球型穹頂是世界最重的鋼結(jié)構(gòu)穹頂；奧林匹克主體育場(chǎng)的鳥(niǎo)巢式鋼結(jié)構(gòu)重4萬(wàn)多噸，也是世界之最。這些大型結(jié)構(gòu)都是中國(guó)焊接制造的最大、最重、最長(zhǎng)、最高、最厚、最新的具有代表性的重要產(chǎn)品。由此可見(jiàn)，焊接在國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和國(guó)防建設(shè)中具有非常重要的地位和作用。從“十一五”規(guī)劃的二十項(xiàng)國(guó)家重大技術(shù)裝備的研制項(xiàng)目可以看出，在百萬(wàn)千瓦級(jí)核電機(jī)組、超超臨界火力發(fā)電機(jī)組成套設(shè)備、高水頭超大容量水電機(jī)組、大型抽水蓄能機(jī)組、30～60萬(wàn)瓦級(jí)循環(huán)硫化床（CFB）鍋爐的成套技術(shù)裝備、百萬(wàn)噸級(jí)大型乙烯成套設(shè)備、百萬(wàn)噸級(jí)大型對(duì)苯二甲酸成套設(shè)備、大型煤制氣成套設(shè)備以及大型煤礦綜合采掘成套技術(shù)與裝備中，焊接制造都是關(guān)鍵制造工藝之一。

但傳統(tǒng)焊接已不能滿(mǎn)足越來(lái)越高的技術(shù)要求和條件限制，激光焊接便有了很大的發(fā)展空間。

1、激光焊接原理——激光是輻射的受激發(fā)射光放大的簡(jiǎn)稱(chēng)，由于其獨(dú)有的高亮度、高方向性、高單色性、高相干性，自誕生以來(lái)，其在工業(yè)加工中的應(yīng)用十分廣泛，成為未來(lái)制造系統(tǒng)共同的加工手段。用激光焊接加工是利用高輻射強(qiáng)度的激光束，激光束經(jīng)過(guò)光學(xué)系統(tǒng)聚焦后，其激光焦點(diǎn)的功率密度為104~107W/cm2，加工工件置于激光焦點(diǎn)附近進(jìn)行加熱熔化，熔化現(xiàn)象能否產(chǎn)生和產(chǎn)生的強(qiáng)弱程度主要取決于激光作用材料表面的時(shí)間、功率密度和峰值功率?？刂粕鲜龈鲄?shù)就可利用激光進(jìn)行各種不同的焊接加工。

2、激光焊接的一般特點(diǎn)——激光焊接是利用激光束作為熱源的一種熱加工工藝，它與電子束等離子束和一般機(jī)械加工相比較，具有許多優(yōu)點(diǎn)：（1）激光束的激光焦點(diǎn)光斑小，功率密度高，能焊接一些高熔點(diǎn)、高強(qiáng)度的合金材料；（2）激光焊接是無(wú)接觸加工，沒(méi)有工具損耗和工具調(diào)換等問(wèn)題。激光束能量可調(diào)，移動(dòng)速度可調(diào)，可以多種焊接加工；（3）激光焊接自動(dòng)化程度高，可以用計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制，焊接速度快，功效高，可方便的進(jìn)行任何復(fù)雜形狀的焊接；（4）激光焊接熱影響區(qū)小，材料變形小，無(wú)需后續(xù)工序處理；（5）激光可通過(guò)玻璃焊接處于真空容器內(nèi)的工件及處于復(fù)雜結(jié)構(gòu)內(nèi)部位置的工件；（6）激光束易于導(dǎo)向、聚焦，實(shí)現(xiàn)各方向變換；（7）激光焊接與電子束加工相比較，不需要嚴(yán)格的真空設(shè)備系統(tǒng)，操作方便；（8）

激光焊接生產(chǎn)效率高，加工質(zhì)量穩(wěn)定可靠，經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益好。中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所發(fā)動(dòng)機(jī)科學(xué)與工程聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室近期在渦輪增壓器異種材料激光焊接技術(shù)方面取得重要進(jìn)展，優(yōu)化后的激光焊接工藝為提高柴油發(fā)動(dòng)機(jī)性能提供了重要支持。

目前，柴油發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用廣泛，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中占據(jù)重要地位。作為柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵部件，渦輪增壓器對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性能的改善有顯著作用，其異種材料焊接質(zhì)量對(duì)整機(jī)性能有重要影響。在柴油發(fā)動(dòng)機(jī)增壓器中，渦輪葉片和渦軸桿的材料不同，參數(shù)有很大差異，對(duì)兩者進(jìn)行連接時(shí)易形成焊接裂紋，具有淬硬傾向。目前，業(yè)界多采用摩擦焊方式進(jìn)行連接，但強(qiáng)度不高、成形精度差是摩擦焊的缺陷。激光焊接是一種新方式，它利用激光的相干性等特性，很好地解決了焊縫偏熔和未熔合的問(wèn)題。與傳統(tǒng)焊接工藝相比，優(yōu)化后的激光焊接工藝在滿(mǎn)足高焊接強(qiáng)度要求的同時(shí)，極大提高了焊接效率，為提高柴油發(fā)動(dòng)機(jī)性能提供了重要技術(shù)支持。

中國(guó)科學(xué)院力學(xué)所發(fā)動(dòng)機(jī)科學(xué)與工程聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室副主任虞剛認(rèn)為，隨著市場(chǎng)需求的擴(kuò)大，汽車(chē)行業(yè)近年來(lái)的發(fā)展勢(shì)頭很好，但自主技術(shù)稀少、自主研發(fā)環(huán)境欠缺的問(wèn)題始終沒(méi)能解決。國(guó)內(nèi)企業(yè)與跨國(guó)公司合作，很難獲得核心技術(shù)?！皼](méi)有核心技術(shù)以及后續(xù)的研發(fā)、改進(jìn)，將會(huì)給產(chǎn)業(yè)發(fā)展帶來(lái)不良影響。當(dāng)前，一些汽車(chē)制造企業(yè)及科研機(jī)構(gòu)已經(jīng)開(kāi)始獨(dú)立研發(fā)，但?拿來(lái)主義?的觀念仍然很強(qiáng)，真正的自主研發(fā)成果少之又少?！?/p>

激光技術(shù)涉及材料學(xué)、力學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)等。研發(fā)是一個(gè)消耗的過(guò)程，其投入要求高，資金回收期較長(zhǎng)。單靠企業(yè)研發(fā)，速度很難跟上，于是有一部分壓力轉(zhuǎn)移到國(guó)家科研機(jī)構(gòu)。中國(guó)科學(xué)院下屬研究所包含所有自然科學(xué)及工程研究領(lǐng)域，從技術(shù)上講，是國(guó)家最有代表性的部門(mén)。虞剛說(shuō)：“正是在這樣的背景下，我們力學(xué)所從最基礎(chǔ)的角度著手開(kāi)始攻關(guān)。在激光異種材料焊接這個(gè)領(lǐng)域，國(guó)際上一直沒(méi)有新進(jìn)展。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期努力，我們力學(xué)所取得了突破性進(jìn)展，領(lǐng)先國(guó)際水平?？梢哉f(shuō)，這是一項(xiàng)百分之百擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的國(guó)際先進(jìn)技術(shù)。”

談到異種材料激光焊接技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化前景，虞剛說(shuō)，這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)非常成熟，市場(chǎng)也有這方面的需求，其產(chǎn)業(yè)化潛力很大。但產(chǎn)業(yè)化有風(fēng)險(xiǎn)。虞剛給記者算了一筆賬，如果一項(xiàng)基礎(chǔ)研究只要投入1元錢(qián)，那么，將這項(xiàng)研究成果變成可用的技術(shù)就需要10元錢(qián)，而真正的產(chǎn)業(yè)化則需要100元錢(qián)。“這個(gè)比例讓很多企業(yè)承受不了。國(guó)內(nèi)大部分企業(yè)還不具備這種抗風(fēng)險(xiǎn)的能力，所以許多企業(yè)不愿意做。所以產(chǎn)業(yè)化需要強(qiáng)大的經(jīng)濟(jì)實(shí)體后盾和政策支持。參考文獻(xiàn)：

《實(shí)用焊接手冊(cè)》顧紀(jì)清 上?？茖W(xué)技術(shù)出版社

《現(xiàn)代焊接生產(chǎn)手冊(cè)》 上海市焊接協(xié)會(huì) 上海科技(2007-05出版)《焊接技術(shù)手冊(cè)》 河南科學(xué)技術(shù)出版社2004 年7月(1999-04出版)《激光原理與技術(shù)》 閻吉祥高等教育出版社 【書(shū) 號(hào)】 7040145677 個(gè)人介紹“

姓 名：孟軍

性別：男

出生年月：1980.06 畢業(yè)院校：蘭州理工大學(xué)

專(zhuān)業(yè)：機(jī)電工程學(xué)院機(jī)械制造

畢業(yè)時(shí)間：2003.06 工作單位：蘭州鐵路機(jī)電工廠(chǎng) 地址：蘭州市紅山東路98號(hào) 郵編：730000

第五篇：鋁合金激光焊接技術(shù)

一、鋁合金激光焊接的發(fā)展

鋁合金密度低，但強(qiáng)度比較高，塑性好，可加工成各種型材，具有優(yōu)良的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性和抗蝕性，在航空、航天、汽車(chē)、機(jī)械制造、船舶及化學(xué)工業(yè)中已大量應(yīng)用。鋁合金的廣泛應(yīng)用促進(jìn)了鋁合金焊接技術(shù)的發(fā)展，同時(shí)焊接技術(shù)的發(fā)展又拓展了鋁合金的應(yīng)用領(lǐng)域，因此鋁合金的焊接技術(shù)正成為研究的熱點(diǎn)之一。

不過(guò)，鋁合金本身的特性使得其相關(guān)的焊接技術(shù)面臨著一些亟待解決的問(wèn)題：表面難溶的氧化膜、接頭軟化、易產(chǎn)生氣孔、容易熱變形以及熱導(dǎo)率過(guò)大等。以往的生產(chǎn)實(shí)踐中，鋁合金的焊接常用鎢極氬弧焊和熔化極氬弧焊。雖然這兩種焊接方式能量密度較大，焊接鋁合金時(shí)能獲得良好的接頭，但仍然存在熔透能力差、焊接變形大、生產(chǎn)效率低等缺點(diǎn)。用這些傳統(tǒng)的、應(yīng)用于黑色金屬的焊接方法焊接鋁合金，并不能達(dá)到工業(yè)上高效、無(wú)缺陷、性能佳的要求，于是人們開(kāi)始尋求新的焊接方法，20世紀(jì)中后期激光技術(shù)逐漸開(kāi)始應(yīng)用于工業(yè)。歐洲空中客車(chē)公司生產(chǎn)的A340飛機(jī)機(jī)身，就采用激光焊接技術(shù)取代原有的鉚接工藝，使機(jī)身的重量減輕18 %左右，制造成本降低了近25 %。德國(guó)奧迪公司A2和A8全鋁結(jié)構(gòu)轎車(chē)也獲益于鋁合金激光焊接技術(shù)的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用。這些成功的事例大大促使對(duì)激光焊接鋁合金的研究，激光技術(shù)已經(jīng)成為了未來(lái)鋁合金焊接技術(shù)的主要發(fā)展方向，因?yàn)榧す夂附泳哂衅洫?dú)特的優(yōu)點(diǎn)：

(1)能量密度高，熱輸入量小，焊接變形小，能得到窄的熔化區(qū)和熱影響區(qū)以及熔深大的焊縫。

(2)冷卻速度快，焊縫組織微細(xì)，故焊接接頭性能良好。

(3)焊接能量可精確控制，可靠性高，針對(duì)不同的要求有較高的適應(yīng)性。(4)可進(jìn)行微型焊接或?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸，不需要真空裝置，利于大批量自動(dòng)化生產(chǎn)。

二、激光焊接鋁合金的難點(diǎn)及解決措施 1.鋁合金表面的高反射性和高導(dǎo)熱性

這一特點(diǎn)可以用鋁合金的微觀結(jié)構(gòu)來(lái)解釋。由于鋁合金中存在密度很大的自由電子，自由電子受到激光（強(qiáng)烈的電磁波）強(qiáng)迫震動(dòng)而產(chǎn)生次級(jí)電磁波，造成強(qiáng)烈的反射波和較弱的透射波，因而鋁合金表面對(duì)激光具有較高的反射率和很小

吸收率。同時(shí)，自由電子的布朗運(yùn)動(dòng)受激而變得更為劇烈，所以鋁合金也具有很高的導(dǎo)熱性。

針對(duì)鋁合金對(duì)激光的高反射性，國(guó)內(nèi)外學(xué)者都作了大量研究，試驗(yàn)結(jié)果表明，進(jìn)行適當(dāng)?shù)谋砻骖A(yù)處理如噴砂處理、砂紙打磨、表面化學(xué)浸蝕、表面鍍、石墨涂層、空氣爐中氧化等均可以降低光束反射，有效地增大鋁合金對(duì)光束能量的吸收。另外，從焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面考慮，在鋁合金表面人工制孔或采用光收集器形式接頭，開(kāi)V形坡口或采用拼焊(拼接間隙相當(dāng)于人工制孔)方法，都可以增加鋁合金對(duì)激光的吸收，獲得較大的熔深。另外，還可以利用合理設(shè)計(jì)焊接縫隙來(lái)增加鋁合金表面對(duì)激光能量的吸收(如圖1)。從圖上可以直觀的反應(yīng)出，將焊縫和激光束的位置關(guān)系由圖1(a)改為圖1(b)或圖1(c)，使激光束與縫壁有一定角度后，激光束能夠在縫隙內(nèi)多次反射，形成一個(gè)人工小孔，增加了焊件對(duì)激光能量的吸收。

圖1 改變焊縫幾何形狀

2.小孔的誘導(dǎo)和維持

小孔的誘導(dǎo)和維持是鋁合金激光焊接中的特有困難，這是由鋁合金材料特性和激光光學(xué)特性造成的。激光焊接的過(guò)程中，小孔可看成是鋁合金的黑體，能大大提高材料對(duì)激光的吸收率，為母材獲得更多的能量耦合，這有利于提高焊接接頭的質(zhì)量。但由于鋁合金的高反射性和高導(dǎo)熱性，要誘導(dǎo)小孔的形成就需要激光有更高的能量密度。而鋁元素以及鋁合金中的Mg、Zn、Li沸點(diǎn)低、易蒸發(fā)且蒸汽壓大，雖然這有助于小孔的形成，但等離子體的冷卻作用（等離子體對(duì)能量的屏蔽和吸收，減少了激光對(duì)母材的能量輸入）使得等離子體本身“過(guò)熱”，卻阻礙了小孔維持連續(xù)存在。

由于能量密度閾值的高低本質(zhì)上受其合金成分的控制，因此可以通過(guò)控制工藝參數(shù)，選擇確定激光功率保證合適的熱輸入量，有助于獲得穩(wěn)定的焊接過(guò)程。另外，能量密度閾值一定程度上還受到保護(hù)氣體種類(lèi)的影響。研究表明，激光焊接鋁合金時(shí)使用N2氣時(shí)可較容易地誘導(dǎo)出小孔,而使用He氣則不能誘導(dǎo)出小孔。這是因?yàn)镹2和Al之間可發(fā)生放熱反應(yīng)，生成的Al-N-O 三元化合物提高了對(duì)激光吸收率。

三、激光焊接鋁合金容易產(chǎn)生的缺陷及消除方法 1.氣孔

鋁合金激光焊接的主要缺陷之一是氣孔，焊縫氣孔的形成機(jī)理比較復(fù)雜，一般認(rèn)為存在兩類(lèi)氣孔:氫氣孔和由于小孔的破滅而產(chǎn)生的氣孔。氫氣孔是由于氫（主要來(lái)自表層的濕氣與微量水）在熔池金屬中的可溶性引起的，激光焊接冷卻速度極快，導(dǎo)致氫的溶解度急劇下降形成氫氣孔。由于小孔塌陷而形成的孔洞，主要是由于小孔表面張力大于蒸氣壓力，不能維持穩(wěn)定而塌陷，液態(tài)金屬來(lái)不及填充就造成孔洞。另外，低熔點(diǎn)、高蒸氣壓合金元素蒸發(fā)導(dǎo)致氣孔，表面氧化膜在焊接過(guò)程中溶解到熔池中也會(huì)形成氣孔。

從氫氣孔的形成原理可知，表層物質(zhì)是氫元素的主要來(lái)源，因此選擇正確的焊前表面預(yù)處理可以有效地減少氫氣孔的產(chǎn)生。對(duì)于由小孔塌陷引發(fā)的氣孔，則要求選擇適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)氣體并合理控制流量流速，在條件允許下采用高功率、高速度、大離焦量(負(fù)值)的焊接方式，可以進(jìn)一步消除氣孔的產(chǎn)生。

2.熱裂紋

鋁合金的焊接裂紋都是熱裂紋，與冷卻時(shí)間（或焊接速度）密切有關(guān)，主要有結(jié)晶裂紋和液化裂紋。鋁合金激光焊接產(chǎn)生的結(jié)晶裂紋是由于焊縫金屬結(jié)晶時(shí)在晶界處形成低熔點(diǎn)共晶化合物導(dǎo)致的，焊縫金屬氧化生成的Al2O3和AlN也會(huì)成為微裂紋的擴(kuò)展源。液化裂紋是熔化的鋁合金在凝固過(guò)程中局部塑性變形量超過(guò)其本身所能承受的變形量的結(jié)果。

目前常用的消除熱裂紋的方法是使用填充材料，即填絲，這能有效地防止焊接熱裂紋，提高接頭強(qiáng)度。此外，調(diào)整激光能量的輸入方式，合理選擇脈沖點(diǎn)焊時(shí)的脈沖波形，焊縫熔化凝固重復(fù)進(jìn)行，以降低熔池凝固時(shí)的凝固速度，這種在凝固過(guò)程中增加熱循環(huán)的控制方法同樣可以減少結(jié)晶裂紋。

3.Mg、Zn等元素的燒損

使用激光焊接鋁合金時(shí)，焊縫的加熱和凝固速度都非常快，這使得Mg，Zn 等低熔點(diǎn)強(qiáng)化元素發(fā)生燒損，導(dǎo)致焊縫硬度和強(qiáng)度下降。Mg 的沸點(diǎn)為1 380 K，比Al 的2 727 K低，Mg首先蒸發(fā)燒損。燒損現(xiàn)象使得焊縫成型時(shí)的晶粒大小嚴(yán)重不均勻，從金屬學(xué)角度講，大晶粒的存在破壞合金元素的強(qiáng)化作用，導(dǎo)致焊縫的強(qiáng)度明顯比母材低。

防止合金元素的燒損主要從控制合金成分入手，在保證鋁合金質(zhì)量和接頭要求的前提下，降低Mg的含量，添加Mn、Si等元素。

四、鋁合金激光焊接的工藝參數(shù)

鋁激光焊接的工藝參數(shù)主要有: 功率密度、焊接速度、焦點(diǎn)位置、保護(hù)氣體種類(lèi)及流量等，它們直接決定著焊縫成形。

1.功率密度

激光的功率密度是決定焊縫熔深的最主要因素。當(dāng)其他工藝參數(shù)保持不變時(shí)，隨著功率密度的增大，焊縫深寬比增大。因?yàn)楣β拭芏仍龃髸r(shí)，蒸汽壓力能克服熔化成液態(tài)金屬的表面張力和靜壓力而形成小孔，小孔有助于吸收光束能量——“小孔效應(yīng)”。但是如果功率密度過(guò)大，使金屬?gòu)?qiáng)烈汽化，嚴(yán)重?zé)龘p合金，焊縫成型組織的晶粒過(guò)大，焊縫的硬度和強(qiáng)度均下降。并且，大量的光致等離子體的冷卻和屏蔽作用，使得熔深反而下降。

2.焊接速度

在其他工藝參數(shù)不變的情況下，熔深隨焊速的增加而減小，焊接效率隨焊速的增加而提高。但是速度過(guò)快，到達(dá)焊縫處的線(xiàn)能量密度較低，會(huì)使熔深達(dá)不到焊接要求；速度過(guò)慢，則線(xiàn)能量密度過(guò)高，母材過(guò)度熔化和燒損，降低接頭性能，甚至引發(fā)熱裂紋。因此，對(duì)一特定厚度的鋁合金工件，選擇確定激光功率密度之后，存在著既能維持合適的焊縫深寬比又不會(huì)使工件過(guò)熱的最佳焊速，這可以從以往的生產(chǎn)實(shí)踐中總結(jié)經(jīng)驗(yàn)或者查閱相關(guān)文獻(xiàn)獲得。

3.焦點(diǎn)位置

研究表明，鋁合金激光焊接的焦點(diǎn)位置與熔深的關(guān)系如圖2所示。我們可以看出，熔深隨焦點(diǎn)位置的變化有一個(gè)跳躍性變化過(guò)程：當(dāng)焦點(diǎn)處于偏離工件表面較大(2 mm)時(shí)，工件表面光斑尺寸較大，因此光束能量密度較低，屬于以熱傳

導(dǎo)為主的熔化焊，熔深較淺； 而當(dāng)焦點(diǎn)靠近工件表面某一位置(2 mm)時(shí)，工件表面入射光束能量密度值增大到臨界值，產(chǎn)生小孔效應(yīng)，因此熔深發(fā)生跳躍性增加。經(jīng)試驗(yàn)得到，當(dāng)焦點(diǎn)位置在工件表面上方1 mm 處時(shí)焊縫熔深最大。

圖2 焦點(diǎn)位置對(duì)焊縫熔深的影響

4.保護(hù)氣

和電子束焊接相比，激光焊接不需要真空環(huán)境，但焊接鋁合金需采用保護(hù)氣體，其目的是抑制光致等離子體，并排除空氣使焊縫免受污染。光致等離子體的形成不僅來(lái)自被離子化的金屬母材蒸汽，而且和保護(hù)氣體本身性質(zhì)也有很大的關(guān)系。通過(guò)增加電子與離子和中性原子三體碰撞來(lái)增加電子的復(fù)合速率，以降低等離子體中的電子密度。中性原子越輕，碰撞頻率越高，復(fù)合速率越高；另一方面，保護(hù)氣體本身的電離能應(yīng)該高，不致因氣體本身的電離而增加電子密度。鋁合金激光焊接傳統(tǒng)上采用的保護(hù)氣體主要有三種：Ar、N2、He。理論上He最輕且電離能最高，但是在較低功率、較高焊速下，由于等離子體很弱，不同保護(hù)氣體差別很小。研究表明，在相同條件下，使用N2容易誘導(dǎo)小孔，主要是N2和Al 之間可發(fā)生放熱反應(yīng)，生成的Al－N－O 三元化合物對(duì)激光的吸收率要高一些，純N2 會(huì)在焊縫中產(chǎn)生AlN 脆性相，同時(shí)易形成氣孔。而采用惰性氣體保護(hù)時(shí)，由于質(zhì)輕而逸出，氣孔形成機(jī)率小，因此采用混合氣體保護(hù)效果較好。現(xiàn)在也有采用Ar－O2，N2－O2等氣體進(jìn)行鋁合金激光焊接的研究越來(lái)越多。

五、先進(jìn)的鋁合金激光焊接技術(shù) 1.鋁合金的激光-電弧復(fù)合焊

現(xiàn)在激光焊接鋁合金還處于發(fā)展階段，設(shè)備成本高、接頭間隙允許度小、工件準(zhǔn)備工序要求嚴(yán)等制約了純激光焊接鋁合金的應(yīng)用。目前，激光-電弧復(fù)合焊在德國(guó)和日本等發(fā)達(dá)國(guó)家研究比較多，激光-電弧復(fù)合主要是激光與TIG電弧、MIG電弧及等離子體復(fù)合，分別如圖3、4所示。這種工藝在汽車(chē)制造業(yè)中已有一定的應(yīng)用，如德國(guó)大眾汽車(chē)公司的Phaeton前門(mén)上就有48處激光-M IG焊道，而且還可以用來(lái)焊接車(chē)體及輪軸。鋁合金激光-電弧復(fù)合焊很好地解決了激光焊接的功率、鋁合金表面對(duì)激光束的吸收率以及深熔焊的閾值等問(wèn)題。這是因?yàn)楹附愉X合金時(shí)，激光與電弧的相互影響，可以克服單用激光或電弧焊方法自身的不足，產(chǎn)生良好的復(fù)合效應(yīng)——兩種熱源同時(shí)作用在一個(gè)相同區(qū)域的疊加效應(yīng)——高的能量密度導(dǎo)致了高的焊接速度，顯著提高焊接效率。

圖3 激光-TIG復(fù)合焊接鋁合金原理圖

圖4 激光-MIG復(fù)合焊接鋁合金原理圖

2.鋁合金的雙光束激光焊接

單束激光焊接鋁合金時(shí)，由于小孔的塌陷而容易產(chǎn)生氣孔。李俐群[10]等學(xué)者研究表明，采用如圖5所示的雙光束焊接鋁合金，焊縫成形美觀、無(wú)飛濺或凹坑等缺陷，對(duì)焊接參數(shù)適應(yīng)性更好；等離子體穩(wěn)定性提高；氣孔大大減少。這是因?yàn)椴捎秒p光束激光焊接時(shí)，第一束激光產(chǎn)生熔池，并對(duì)焊接區(qū)域附近進(jìn)行預(yù)熱積累熱量。當(dāng)?shù)诙す庹丈湓撎帟r(shí)，更多的母材能夠熔化，從而使得形成焊縫更寬。同時(shí)，第二束激光能把第一束激光形成的小孔后壁氣化，防止其塌陷，大大減小了形成氣孔的幾率。雙光束激光焊接鋁合金的技術(shù)已經(jīng)在德國(guó)軍用飛機(jī)EADS進(jìn)氣管的焊接上得到了應(yīng)用。

圖5 雙光束激光焊接鋁合金的原理圖

3.鋁合金激光填絲焊技術(shù)

在新興的鋁合金焊接技術(shù)中，攪拌摩擦焊需要針對(duì)被焊母材的形狀和接口要求設(shè)計(jì)專(zhuān)用夾具，鋁合金激光填絲技術(shù)則解決了對(duì)工件裝夾、拼裝要求嚴(yán)的問(wèn)題，而且用較小功率激光器就能實(shí)現(xiàn)厚板窄焊道的多層焊。另外通過(guò)調(diào)節(jié)焊絲成分，改善焊縫區(qū)組織性能，對(duì)裂紋等缺陷更易控制，顯著提高鋁合金焊接穩(wěn)定性與適應(yīng)性。鋁合金激光填絲焊示意圖如圖6所示。

圖6 鋁合金激光填絲焊示意圖

六、鋁合金激光焊接的前景展望

前面已經(jīng)提到，日本和德國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)開(kāi)始將激光焊接鋁合金應(yīng)用于汽車(chē)制造業(yè)。由于鋁合金具有高比強(qiáng)度、耐銹蝕、熱穩(wěn)定性好、易成形、再生性好和簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)等一系列優(yōu)點(diǎn)，在汽車(chē)業(yè)中倍受青睞。大量的對(duì)比研究和反復(fù)實(shí)踐證明，選用鋁合金材料是實(shí)現(xiàn)汽車(chē)輕量化的有效途徑。減輕汽車(chē)重量以降低能耗、減少污染、提高燃油效率，這是解決汽車(chē)節(jié)能和環(huán)保問(wèn)題的最有效的措施。而激光焊接技術(shù)效率高、熱影響區(qū)小、能獲得良好的接頭質(zhì)量。在鋁合金頗受汽車(chē)業(yè)青睞的大環(huán)境下，激光焊接鋁合金將會(huì)成為越來(lái)越成熟的工藝，并被推廣至船舶制造行業(yè)和航空航天產(chǎn)業(yè)。其實(shí)，上文也已經(jīng)提到過(guò)，歐洲的空中客車(chē)已經(jīng)在使用激光焊接鋁合金的技術(shù)部分取代傳統(tǒng)的鉚接技術(shù)。這種自動(dòng)化程度極高、質(zhì)量穩(wěn)定的焊接方式甚至能夠滿(mǎn)足載人航天和可重復(fù)使用航天器對(duì)焊接結(jié)構(gòu)的可靠性提出了更高的要求。我們可以預(yù)見(jiàn)，鋁合金激光焊接技術(shù)在近幾年將成為航天焊接研究領(lǐng)域工作者熱點(diǎn)之一。