激光焊接技術(shù)
- 2016-03-14 13:34:00
- sawchina 原創(chuàng)
- 8732
按焊接熔池形成的機(jī)理區(qū)分，激光焊接有兩種基本模式：熱導(dǎo)焊和深熔焊，前者所用激光功率密度較低（105～106W／cm2），工件吸收激光后，僅達(dá)到表面熔化，然后依靠熱傳導(dǎo)向工件內(nèi)部傳遞熱量形成熔池。這種焊接模式熔深淺，深寬比較小。后者激光動車密度高（106～107W／cm2），工件吸收激光后迅速熔化乃至氣化，熔化的金屬在蒸汽壓力作用下形成小孔激光束可直照孔底，使小孔不斷延伸，直至小孔內(nèi)的蒸氣壓力與液體金屬的表面張力和重力平衡為止。小孔隨著激光束沿焊接方向移動時，小孔前方熔化的金屬繞過小孔流向后方，凝固后形成焊縫（圖1）。這種焊接模式熔深大，深寬比也大。在機(jī)械制造領(lǐng)域，除了那些微薄零件之外，一般應(yīng)選用深熔焊。
由于經(jīng)聚焦后的激光束光斑小（0.1～0.3mm），功率密度高，比電弧焊（5×102～104W/cm2）高幾個數(shù)量級，因而激光焊接具有傳統(tǒng)焊接方法無法比擬的顯著優(yōu)點：加熱范圍小，焊縫和熱影響區(qū)窄，接頭性能優(yōu)良；殘余應(yīng)力和焊接變形小，可以實現(xiàn)高精度焊接；可對高熔點、高熱導(dǎo)率，熱敏感材料及非金屬進(jìn)行焊接；焊接速度快，生產(chǎn)率高；具有高度柔性，易于實現(xiàn)自動化。
激光焊與電子束焊有許多相似之處，但它不需要真空室，不產(chǎn)生X射線，更適合生產(chǎn)中推廣應(yīng)用。激光焊接實際上已取得了電子束焊接20年前的地位，成為高能束焊接技術(shù)發(fā)展的主流。
2．激光焊接設(shè)備
激光焊接設(shè)備主要由激光器、導(dǎo)光系統(tǒng)、焊接機(jī)和控制系統(tǒng)組成。
1．激光器
用于激光焊接的激光器主要有CO2氣體激光器和YAG固體激光器兩種。兩者優(yōu)缺點比較如表1所示。
2. 導(dǎo)光和聚焦系統(tǒng)
導(dǎo)光聚焦系統(tǒng)由圓偏振鏡、擴(kuò)束鏡、反射鏡或光纖、聚焦鏡等組成，實現(xiàn)改變光束偏振狀態(tài)、方向，傳輸光束和聚焦的功能。這些光學(xué)零件的狀況對激光焊接質(zhì)量有極其重要的影響。在大功率激光作用下，光學(xué)部件，尤其是透鏡性能會劣化使透過率下降；會產(chǎn)生熱透鏡效應(yīng)（透鏡受熱膨脹焦距縮短）；表面污染也會增加傳輸損耗。所以光學(xué)部件的質(zhì)量，維護(hù)和工作狀態(tài)監(jiān)測對保證焊接質(zhì)量至關(guān)重要。
3．激光焊接機(jī)
它的作用是實現(xiàn)光束與工件之間的相對運動，完成激光焊接，分焊接專機(jī)和通用焊接機(jī)兩種。后者常采用數(shù)控系統(tǒng)，有直角坐標(biāo)二維、三維焊接機(jī)或關(guān)節(jié)型激光焊接機(jī)器人。
3．改善和發(fā)展激光焊接的新技術(shù)
以下幾項技術(shù)有助擴(kuò)展激光焊接的應(yīng)用范圍及提高激光焊接自動控制水平
l. 填充焊絲激光焊
激光焊接一般不填充焊絲，但對焊件裝配間隙要求很高，實際生產(chǎn)中有時很難保證，限制了其應(yīng)用范圍。采用填絲激光焊，可大大降低對裝配間隙的要求。例如板厚2mm的鋁合金板，如不采用填充焊絲，板材間隙必須為零才能獲得良好的成形，如采用φ1.6mm的焊絲做為填充金屬，即使間隙增至1.0mm，也可保證焊縫良好的成形。
此外，填充焊絲還可以調(diào)整化學(xué)成分或進(jìn)行厚板多層焊。
2. 光束旋轉(zhuǎn)激光焊
使激光束旋轉(zhuǎn)進(jìn)行焊接的方法，也可大大降低焊件裝配以及光束對中的要求。例如在2mm厚高強(qiáng)合金鋼板對接時，容許對縫裝配間隙從0.14mm增大到0.25mm；而對4mm厚的板，則從0.23mm增大到0.30mm。光束中心與焊縫中心的對準(zhǔn)允許誤差從0.25mm增加至0.5mm。
利用等離子體的光、聲、電荷信號對激光焊接過程進(jìn)行檢測，近年來已成為國內(nèi)外研究的熱點，少數(shù)研究成果已達(dá)到了閉環(huán)控制的程度。圖1是激光焊接質(zhì)量檢測和控制系統(tǒng)的實例。
該系統(tǒng)所用傳感器及其功能簡單介紹如下：
（l）等離子體監(jiān)測傳感器
1）等離子體光學(xué)傳感器（PS）：它的作用是采集等離子體的特征光-紫外光信。
2）等離子體電荷傳感器（PCS）；利用噴嘴做探針檢測由于等離子體帶電粒子（正離子、電子）的不均勻擴(kuò)散而在噴嘴和工件之間形成的電位差。
（2）系統(tǒng)功能
1）識別激光焊接過程屬于何種方式。穩(wěn)定深熔焊過程，有等離子體，PS、PCS信號均很強(qiáng)；
穩(wěn)定熱導(dǎo)焊過程，不產(chǎn)生等離子體，PS、PCS信號幾乎等于零；
模式不穩(wěn)定焊過程，等離子體間斷性地產(chǎn)生和消失，相應(yīng)地PS、PCS信號間斷性地上升和下降。
2）診斷傳輸?shù)胶附訁^(qū)的激光功率是否正常。當(dāng)其他參數(shù)一定時，PS和PCS信號的強(qiáng)弱與入射到焊接區(qū)的功率大小有對應(yīng)關(guān)系。因此，監(jiān)視PS和PCS信號就可以知道導(dǎo)光系統(tǒng)是否正常，焊接區(qū)的功率是否發(fā)生了波動。
3）噴嘴高度自動跟蹤。 PCS信號隨噴嘴-工件距離的增加而減小。利用這一規(guī)律進(jìn)行閉環(huán)控制可以保證噴嘴-工作距離不變，實現(xiàn)高度方向的自動跟蹤。
4）焦點位置自動尋優(yōu)和閉環(huán)控制。在深熔焊范圍內(nèi)，光束焦點位置發(fā)生波動時，PS接收到的等離子體光信號亦隨之變化，以最佳焦點位置處（此對小孔最深）PS信號最小。依據(jù)所發(fā)現(xiàn)的這個規(guī)律，可以實現(xiàn)焦點位置自動尋優(yōu)與閉環(huán)控制，使焦點位置波動小于0.2mm，熔深波動小于0.05mm。
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