對(duì)激光焊接工藝的簡(jiǎn)要探討
[摘要]激光焊接是一種新的高科技技術(shù)，具有很多特點(diǎn)，本文對(duì)激光焊接工藝、方法及激光焊接過(guò)程監(jiān)測(cè)與質(zhì)量控制進(jìn)行了探討。
 
[關(guān)鍵詞]激光焊接；工藝；質(zhì)量
 
前言
 
激光是輻射的受激發(fā)射光放大的簡(jiǎn)稱，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。控制上述各參數(shù)就可利用激光進(jìn)行各種不同的焊接加工，這種焊接工藝在未來(lái)工業(yè)事業(yè)中將會(huì)得到廣泛的應(yīng)用與研究。激光焊接與傳統(tǒng)的焊接方法相比，激光焊接尚存在設(shè)備昂貴，一次性投資大，技術(shù)要求高的問(wèn)題，使得激光焊接在我國(guó)的工業(yè)應(yīng)用還相當(dāng)有限，但激光焊接生產(chǎn)效率高和易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的特點(diǎn)使其非常適于大規(guī)模生產(chǎn)線和柔性制造。其中，激光焊接在汽車制造領(lǐng)域中的許多成功應(yīng)用已經(jīng)凸現(xiàn)出激光焊接不同于傳統(tǒng)焊接方法的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，也為許多大功率激光器制造商和激光焊接設(shè)備制造商提供了更為誘人的經(jīng)濟(jì)效益前景。
 
1.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)：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；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；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；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；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；激光束易于導(dǎo)向、聚焦，實(shí)現(xiàn)各方向變換；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；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。
 
2.激光焊接工藝與方法
 
2，1雙／多光束焊接。雙／多光束焊接的提出最初是為了獲得更大的熔深和更穩(wěn)定的焊接過(guò)程和更好的焊縫成形質(zhì)量，其基本方法是同時(shí)將兩臺(tái)或兩臺(tái)以上的激光器輸出的光束聚焦在同一位置，以提高總的激光能量。后來(lái)，隨著激光焊接技術(shù)應(yīng)用范圍的擴(kuò)大，為減小在厚板焊接，特別是鋁合金焊接時(shí)容易出現(xiàn)氣孔傾向，采用以前后排列或平行排列的兩束激光實(shí)施焊接，這樣可以適當(dāng)提高焊接小孔的穩(wěn)定性，減少焊接缺陷的產(chǎn)生幾率。
 
2.2激光－電弧復(fù)合焊。激光－電弧復(fù)合焊是近年激光焊接領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。該方法的提出是由于隨著工業(yè)生產(chǎn)對(duì)激光焊接的要求，激光焊接本身存在的間隙適應(yīng)性差，即極小的激光聚焦光斑對(duì)焊前工件的加工裝配要求過(guò)高，此外，激光焊接作為一種以自熔性焊接為主的焊接方法，一般不采用填充金屬，因此在焊接一些高性能材料時(shí)對(duì)焊縫的成分和組織控制困難。而激光一電弧復(fù)合焊集合了激光焊接大熔深、高速度、小變形的優(yōu)點(diǎn)，又具有間隙敏感性低、焊接適應(yīng)性好的特點(diǎn)，是一種優(yōu)質(zhì)高效焊接方法。其特點(diǎn)在于：可降低工件裝配要求，間隙適應(yīng)性好；有利于減小氣孔傾向；可以實(shí)現(xiàn)在較低激光功率下獲得更大的熔深和焊接速度，有利于降低成本；電弧對(duì)等離子體有稀釋作用，可減小對(duì)激光的屏蔽效應(yīng)，同時(shí)激光對(duì)電弧有引導(dǎo)和聚焦作用，使焊接過(guò)程穩(wěn)定性提高；利用電弧焊的填絲可改善焊縫成分和性能，對(duì)焊接特種材料或異種材料有重要意義：激光與電弧復(fù)合焊的方法包括兩種，即旁軸復(fù)合焊和同軸復(fù)合焊。旁軸激光電弧復(fù)合焊方法實(shí)現(xiàn)較為簡(jiǎn)單，但最大缺點(diǎn)是熱源為非對(duì)稱性，焊接質(zhì)量受焊接方向影響很大，難以用于曲線或三維焊接。而激光和電弧同軸的焊接方法則可以形成一種同軸對(duì)稱的復(fù)合熱源，大大提高焊接過(guò)程穩(wěn)定性，并可方便地實(shí)現(xiàn)二維和三維焊接。
 
3.激光焊接過(guò)程監(jiān)測(cè)與質(zhì)量控制
 
激光焊接過(guò)程監(jiān)測(cè)與質(zhì)量控制一直是激光焊接領(lǐng)域研究和發(fā)展的一個(gè)重要內(nèi)容，利用電感、電容、聲波、光電、視覺(jué)等各種傳感器，通過(guò)人工智能和計(jì)算機(jī)處理方法，針對(duì)不同的激光焊接過(guò)程和要求，實(shí)現(xiàn)諸如焊縫跟蹤、缺陷檢測(cè)、焊縫成形質(zhì)量監(jiān)測(cè)等，并通過(guò)反饋控制調(diào)節(jié)焊接工藝參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的自動(dòng)化激光焊接過(guò)程。
 
3.1激光焊接過(guò)程監(jiān)測(cè)。利用各種傳感器對(duì)激光焊接過(guò)程中產(chǎn)生的等離子體進(jìn)行檢測(cè)是常用和有效的方法，如圖1所示。根據(jù)檢測(cè)信號(hào)的不同，激光焊接質(zhì)量檢測(cè)主要包括以下幾種方式：光信號(hào)檢測(cè)，檢測(cè)對(duì)象為激光焊接過(guò)程中的等離子體（包括工件上方和小孔內(nèi)部）光輻射和熔池光輻射等。從檢測(cè)裝置的安裝來(lái)看，主要包括與激光束同軸的直視檢測(cè)、側(cè)面檢測(cè)和背面檢測(cè)。使用的傳感器主要有光電二極管、光電池、CCD和高速攝像機(jī)，以及光譜分析儀等。聲音信號(hào)檢測(cè)，檢測(cè)對(duì)象主要為焊接過(guò)程中等離子體的聲振蕩和聲發(fā)射。等離子體電荷信號(hào)，檢測(cè)對(duì)象為焊接噴嘴和工件表面等離子體的電荷。利用光電傳感器檢測(cè)激光焊接過(guò)程中等離子體光輻射強(qiáng)度的變化是激光焊接過(guò)程監(jiān)測(cè)與控制的重要方法之一。國(guó)內(nèi)外研究工作表明，利用光電傳感器可以自動(dòng)檢測(cè)出焊接過(guò)程中因激光功率、焊接速度、焦點(diǎn)位置、噴嘴至工件表面距離、對(duì)接間隙等工藝條件的波動(dòng)引起的焊縫熔深和成形質(zhì)量的變化，不僅可以診斷出諸如咬邊、燒穿、駝峰等焊縫成形缺陷，而且在一定工藝條件下還可以檢測(cè)焊縫內(nèi)部質(zhì)量，例如，氣孔傾向的嚴(yán)重程度。
 
3.2激光焊接過(guò)程控制。激光焊接過(guò)程控制的主要內(nèi)容就是對(duì)焊接工藝參數(shù)的控制。在激光焊接時(shí)，光束焦點(diǎn)位置是影響激光深熔焊質(zhì)量最關(guān)鍵而又最難監(jiān)測(cè)和控制的工藝參數(shù)之一。在一定激光功率和焊接速度下，只有焦點(diǎn)處于最佳焦點(diǎn)位置范圍時(shí)，才可獲得最大熔深和良好的焊縫成形。偏離這個(gè)范圍，熔深則下降，甚至破壞穩(wěn)定的深熔焊過(guò)程，變?yōu)槟Ｊ讲环€(wěn)定焊接或熱導(dǎo)焊。但實(shí)際激光焊接時(shí)，存在多種因素影響焦點(diǎn)位置的穩(wěn)定性，包括因非平面工件和焊接變形引起的焊接噴嘴一工件距離變化，激光器窗口、聚焦鏡等元件熱透鏡效應(yīng)引起焦點(diǎn)位置的變化，以及光束在飛行光路中不同位置引起焦點(diǎn)位置的變化等。如何迅速確定激光焦點(diǎn)位置并將其控制在合適的范圍，一直是激光焊接迫切要求解決而又難度很大的課題。
 
4.結(jié)束語(yǔ)
 
激光焊接技術(shù)是一種高新技術(shù)，由于其獨(dú)有的特點(diǎn)，特別適合在傳感器密封焊中使用，目前國(guó)外許多生產(chǎn)傳感器的廠家均利用激光焊接工藝生產(chǎn)傳感器，而國(guó)內(nèi)采用此工藝的廠家不多，主要是一些生產(chǎn)軍用傳感器產(chǎn)品的廠家和部分科研機(jī)構(gòu)在采用此種工藝，且采用國(guó)外激光焊接機(jī)的較多。為提高國(guó)內(nèi)傳感器整體水平以及發(fā)展民族激光產(chǎn)業(yè)，我國(guó)的傳感器生產(chǎn)廠家應(yīng)盡快采用國(guó)產(chǎn)激光焊接機(jī)來(lái)生產(chǎn)加工傳感器，以增加產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力，開(kāi)拓國(guó)際市場(chǎng)。