激光焊接的发展现状及展望
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第2卷第1期
1962年5
月
广东有色金属学报Vol2N
。土
JOURNALOFGUANGDONGNON一FERQUSMETALSMay1992
激光焊接的发展现状及展望戚文军
刘世胃
(广州有色金属研究院)
黄石生华南理工大学
)
摘要本文综述了国内外激光焊接设备工艺研究以及工业应用的发展现状介绍了激光焊接区别于传统焊接方法的主要特点焊接对激光器激光模式导份七系统的要求以及激光焊接中主要参数的影响预计三五年后激光焊接的工业应用将得到较大发展
关健词激光焊接
激光作为一种高能密度的热源,在焊接切割等热加工领域得到广泛的应用尤其是近
十多年来大功率激光器的实用化计算机技术的发展推动了激光焊接技术向着光机
电
一体化和智能化的方向迈进成为90年代最具发展前途的高新技术而受到普遍关注激光焊接是光学机械电子学和材料学相结合的高科技工艺目前国外研制的激光焊接柔性系统及高精度罐身管材带材激光焊接系统,已成为容激光技术精密机械
和微
电脑技术为一体的高技术加工系统这种组合式的集成技术代表着今后激光焊接技术的发展
方向本文介绍了国内外激光焊接的发展及应用概况
1激光焊接的特点
激光焊接是利用高功率密度的激光束使材料瞬时加热到气化温度而实现的熔化一凝固过
程由于激光束的发散角很小光束能够聚焦成很小尺寸的光斑,功率密度通常达到
106
w/
cmZ,
可对常规方法难以加工的高熔点高硬度和脆性材料进行焊接与传统的焊接方法相
比,激光焊接有许多突出的优点
:
(1)
能量密度高激光焊接的能量密度高达10“W/cm而电弧焊仅为10一
IO4
W
/cm
这对高熔点高导热率或热物理特性相差较大的异种金属焊接特别有利显然激光
焊
可以
获得比电弧焊更高的焊接速度(2)光束斑点小定位精度高适合于精密高速焊接
(3)热影响区极小激光焊的结晶速度比一般熔焊快10一10倍,加热和冷却速度快因
此,热影响区极小
(4)焊缝质量高不易产生收缩变形脆化及热裂等热副作用
收稿日期1991一10一
17
本文通讯联系人戚文军广州(510651)广州有色金属研究院第2卷第1期戚文军等:激光焊接的发展现状及展望41(5)激
光易传送通过光束导向联结反射镜或光导纤维可以对任意位置进行加工
(6)光束可控性好易于实现微机控制
作为高能束焊接的不同方法近年来激光焊接的应用面愈来愈广,发展速度大大高于电子束焊接这取决于激光焊接的几个特点:(1)激光束可在大气中进行各种工艺加
工
;(2)
大功率激光焊接同样具有大的探宽比而且无X射线无磁场;(3)激光焊接具有熔池净
化效应能净化焊缝金属,焊缝机械性能相当于或优于母材;(4)可方便地改变光路进行
各种位置焊接
与激光焊接的应用和发展相适应新型激光器的研制(包括激光逆变电源)大功率激
光焊接中的基本现象研究高速激光焊接过程的精密控制已成为当今国内外激光焊接界十分重视的课题人们相信,90年代焊接技术的发展将进入包括激光束电子束在内的高能束
焊接时
代
2激光焊接设备
近年来国外激光设备的发展速度很快从第一台红宝石激光器问世的短短30年间激
光器的功率等级已从几瓦发展到几十千瓦在工业发达国家几千瓦至十几千瓦级的激光器在材料热加工方面的应用得到迅速发展并正在逐渐取代传统的加工设备目前激光器的研究大都致力于以下两方面的工作(图1)一是研究高质量的激光系统其中包括激光柔性导光及聚焦系统微机控制的光束可控系统和激光机器人系统二是
发展高功率激光系统提高激光器的输出功率增加激光束的穿透深度等
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图1激光设备的研究方向
Fig1Theresearchdireetionoflaserfaeilities21激光器
从焊接技术对激光器提出的要求来看今后的发展重点倾向于两个方面
:(1)提高
YAG
激光器的连续输出功率及脉冲输出功率;(2)发展skw级以下大功率C02激光器并提高其光
束质
量
英国焊接研究所对用在焊接切割中的大功率束流方法(激光束电子束)进行过比
较分析从成本投资来看在5kw数量级时,两者的成本基本相同当功率大于5kw
时,
激光器的费用急剧上升从穿透深度来看,在5kw级时,电子束与激光束的穿透深度基本相同,但随着功率的增大电子束穿透深度急剧上升而激光束则上升缓慢(图2)因
此,激光束用于中薄板焊接的优越性是十分突出的
从发展趋势看快速轴流式CoZ激光器将逐步取代横流式激光器这是因为就激光输小的
模式而论,轴流式输出的激光束质量高,容易获得更适合于焊接及切割的低阶模或基模广东
有色金属学报
1992
(TE
MO。)
输出日本日立公司已将激光器的研究重点放在快速轴流式而不是横流式目
前日立公司生产的2skw轴流式激光器已获得非常优质的光斑模式正在研究的
ZOkW
轴流式CoZ激光器是目前世界上功率最大的但是无论横流式还是轴流式Co激光器输出波长都是106林m这种波长的光束对有些材料而言(AuAgAl等)反射率相当大而材料对光的吸收率是随着波长的减小
而递增的并且较短的波长可以获得更小的光斑因此对于输出波长为106协m的YAG激光器就非常适合于许多轻金属和反射率高的材料焊接限于功率YAG焊的应用范围局限
于微型元器件薄片结构的焊接提高YAG激光器的输出功率以扩大它的应用范围也是当今激光器发展的努力方向为了进一步改善激光束的质量和扩大应用范围研究的新型激光器主要有以下3类:(1)可产生紫外光束的激发物激光器;(2)具有与气体CO:激光器相类似输出的Co气体激光器;(3)新型射频激励的COZ激光器和可在整个频谱范围内
调节
的自由电子激光
器
CO激光输出波长在5卜m左右近年来发展很快其原因是它在光纤传输聚焦特性
及对材料烧蚀方面有它的特色表1对CoZCO及YAG三种高功率激光特性作一比
较由于激光焦斑尺寸正比于波长的平方在相当的功率水平下,CO激光比COZ激光可聚
焦功率要高4倍加上CO激光的效率比Co激光几乎高1倍使CO激光在激光加工中具
有很大的潜力
EB表1几种激光器的性能比较Table1ComParisonofProPertiesof
vario始kindsoflasers
ldingLasers
ProPerties
481216氏amPowerkw
图2激光束电子束穿透深度随功率变化曲线Fig2PenetrationdePthdePendenee
ofbeamPower
Wavelength
件m
High
一Power
Posibility
Effieieney
%
Stability
Condu
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f
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TotalVolumeLifetimeTemPYAGCOCO:10650106n-日日目公因翻。u白GoodG00dG0001一2Bad25一30Good10一15G00dG00dG00dBadGOOdMed山mRoomtemPBadBadGoodGoodLiquidRoom
nitrog饥tem
P
22
激光束模式
在激光焊接中光束质量将直接影响焊接结果激光焊接的着眼点是利用极高的功率密
度在瞬间产生“束孔效应”要实现这种高功率密度的穿透效应要求采用的激光模式为低
阶模或基模模式越低聚焦的光斑尺寸越小,功率密度越高不同的模式输出会影响到激
光束的能量分布由D=f0式可知,激光束的束斑大小(D)决定于焦距(l)和发散角(O)
而发散角又取决于光腔的结构和激光输出的模式多模输出的发散角较大不适合于焊接