第一篇：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構的制造技術。近幾年中國完成的一些標志性工程來看，焊接技術發揮了重要作用。但傳統焊接已不能滿足越來越高的技術要求和條件限制，激光焊接便有了很大的發展空間。激光技術涉及材料學、力學、計算機科學等。研發是一個消耗的過程，其投入要求高，資金回收期較長。單靠企業研發，速度很難跟上，于是有一部分壓力轉移到國家科研機構。所以產業化需要強大的經濟實體后盾和政策支持。關鍵詞：焊接技術

關鍵制造工藝

激光焊接

產業化

焊接是一種將材料永久連接，并成為具有給定功能結構的制造技術。幾乎所有的產品，從幾十萬噸巨輪到不足1克的微電子元件，在生產制造中都不同程度地應用焊接技術。焊接已經滲透到制造業的各個領域，直接影響到產品的質量、可靠性和壽命以及生產的成本、效率和市場反應速度。中國2005年鋼產量達到3．49億噸，成為世界最大的鋼材生產與消費國，而焊接結構的用鋼量也突破1．3億噸，相當于美國一年的鋼產量，成為世界上空前最大的焊接鋼結構制造國。近幾年中國完成的一些標志性工程來看，焊接技術發揮了重要作用。例如三峽水利樞紐的水電裝備就是一套龐大的焊接系統，包括導水管、蝸殼、轉輪、大軸、發電機機座等，其中馬氏體不銹鋼轉輪直徑10．7m高5．4m重440t，為世界最大的鑄－焊結構轉輪。該轉輪由上冠、下環和13或15個葉片焊接而成，每個轉輪的焊接需要用12t焊絲，耗時4個多月。神舟6號飛船的成功發射與回收，標志著中國航天事業的巨大進步，其中兩名航天員活動的返回艙和軌道艙都是鋁合金的焊接結構，而焊接接頭的氣密性和變形控制是焊接制造的關鍵。由第一重型機械集團為神華公司制造的中國第一個煤直接液化裝置的加氫反應器，直徑5．5m長62m厚337mm重2060t，為當今世界最大、最重的鍛－焊結構加氫反應器，采用國內自主知識產權的全自動雙絲窄間隙埋弧焊技術，每條環焊縫需連續焊接5天。西氣東輸的管線長4000km，是中國第一條高強鋼（X70）大直徑長輸管線，所用的螺旋鋼管和直縫鋼管全部是板－焊形式的焊接管。2005年我國造船的總噸位達到1212萬噸，占世界造船總量的17％，居于日、韓之后，穩居世界第三位，正向年產2500萬噸的世界水平邁進。國內制造的30萬噸超級油輪、新型5668標箱集裝箱船、15萬噸散裝貨船，以及為世界矚目的，被稱為“中華第一盾”的170艦，都是中國造船界的驕傲，船體是典型的板－焊結構。另外，上海中瀘浦大橋是世界最長的全焊鋼拱橋；國家大劇院的橢球型穹頂是世界最重的鋼結構穹頂；奧林匹克主體育場的鳥巢式鋼結構重4萬多噸，也是世界之最。這些大型結構都是中國焊接制造的最大、最重、最長、最高、最厚、最新的具有代表性的重要產品。由此可見，焊接在國民經濟發展和國防建設中具有非常重要的地位和作用。從“十一五”規劃的二十項國家重大技術裝備的研制項目可以看出，在百萬千瓦級核電機組、超超臨界火力發電機組成套設備、高水頭超大容量水電機組、大型抽水蓄能機組、30～60萬瓦級循環硫化床（CFB）鍋爐的成套技術裝備、百萬噸級大型乙烯成套設備、百萬噸級大型對苯二甲酸成套設備、大型煤制氣成套設備以及大型煤礦綜合采掘成套技術與裝備中，焊接制造都是關鍵制造工藝之一。

但傳統焊接已不能滿足越來越高的技術要求和條件限制，激光焊接便有了很大的發展空間。

1、激光焊接原理——激光是輻射的受激發射光放大的簡稱，由于其獨有的高亮度、高方向性、高單色性、高相干性，自誕生以來，其在工業加工中的應用十分廣泛，成為未來制造系統共同的加工手段。用激光焊接加工是利用高輻射強度的激光束，激光束經過光學系統聚焦后，其激光焦點的功率密度為104~107W/cm2，加工工件置于激光焦點附近進行加熱熔化，熔化現象能否產生和產生的強弱程度主要取決于激光作用材料表面的時間、功率密度和峰值功率。控制上述各參數就可利用激光進行各種不同的焊接加工。

2、激光焊接的一般特點——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械加工相比較，具有許多優點：（1）激光束的激光焦點光斑小，功率密度高，能焊接一些高熔點、高強度的合金材料；（2）激光焊接是無接觸加工，沒有工具損耗和工具調換等問題。激光束能量可調，移動速度可調，可以多種焊接加工；（3）激光焊接自動化程度高，可以用計算機進行控制，焊接速度快，功效高，可方便的進行任何復雜形狀的焊接；（4）激光焊接熱影響區小，材料變形小，無需后續工序處理；（5）激光可通過玻璃焊接處于真空容器內的工件及處于復雜結構內部位置的工件；（6）激光束易于導向、聚焦，實現各方向變換；（7）激光焊接與電子束加工相比較，不需要嚴格的真空設備系統，操作方便；（8）

激光焊接生產效率高，加工質量穩定可靠，經濟效益和社會效益好。中國科學院力學研究所發動機科學與工程聯合實驗室近期在渦輪增壓器異種材料激光焊接技術方面取得重要進展，優化后的激光焊接工藝為提高柴油發動機性能提供了重要支持。

目前，柴油發動機應用廣泛，在國民經濟發展中占據重要地位。作為柴油發動機的關鍵部件，渦輪增壓器對于發動機動力性能的改善有顯著作用，其異種材料焊接質量對整機性能有重要影響。在柴油發動機增壓器中，渦輪葉片和渦軸桿的材料不同，參數有很大差異，對兩者進行連接時易形成焊接裂紋，具有淬硬傾向。目前，業界多采用摩擦焊方式進行連接，但強度不高、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題。與傳統焊接工藝相比，優化后的激光焊接工藝在滿足高焊接強度要求的同時，極大提高了焊接效率，為提高柴油發動機性能提供了重要技術支持。

中國科學院力學所發動機科學與工程聯合實驗室副主任虞剛認為，隨著市場需求的擴大，汽車行業近年來的發展勢頭很好，但自主技術稀少、自主研發環境欠缺的問題始終沒能解決。國內企業與跨國公司合作，很難獲得核心技術。“沒有核心技術以及后續的研發、改進，將會給產業發展帶來不良影響。當前，一些汽車制造企業及科研機構已經開始獨立研發，但?拿來主義?的觀念仍然很強，真正的自主研發成果少之又少。”

激光技術涉及材料學、力學、計算機科學等。研發是一個消耗的過程，其投入要求高，資金回收期較長。單靠企業研發，速度很難跟上，于是有一部分壓力轉移到國家科研機構。中國科學院下屬研究所包含所有自然科學及工程研究領域，從技術上講，是國家最有代表性的部門。虞剛說：“正是在這樣的背景下，我們力學所從最基礎的角度著手開始攻關。在激光異種材料焊接這個領域，國際上一直沒有新進展。經過長期努力，我們力學所取得了突破性進展，領先國際水平。可以說，這是一項百分之百擁有自主知識產權的國際先進技術。”

談到異種材料激光焊接技術的產業化前景，虞剛說，這項技術已經非常成熟，市場也有這方面的需求，其產業化潛力很大。但產業化有風險。虞剛給記者算了一筆賬，如果一項基礎研究只要投入1元錢，那么，將這項研究成果變成可用的技術就需要10元錢，而真正的產業化則需要100元錢。“這個比例讓很多企業承受不了。國內大部分企業還不具備這種抗風險的能力，所以許多企業不愿意做。所以產業化需要強大的經濟實體后盾和政策支持。參考文獻：

《實用焊接手冊》顧紀清 上海科學技術出版社

《現代焊接生產手冊》 上海市焊接協會 上海科技(2007-05出版)《焊接技術手冊》 河南科學技術出版社2004 年7月(1999-04出版)《激光原理與技術》 閻吉祥高等教育出版社 【書 號】 7040145677 個人介紹“

姓 名：孟軍

性別：男

出生年月：1980.06 畢業院校：蘭州理工大學

專業：機電工程學院機械制造

畢業時間：2003.06 工作單位：蘭州鐵路機電工廠 地址：蘭州市紅山東路98號 郵編：730000

第二篇：激光焊接總結

激光焊接總結

就“鵬桑普”焊接板芯208片，分析總結！

自2011年8月18日整板裁剪好開始調試焊接起，24小時連續工作五天完成任務。前期我已對0.2mm銅板進行焊接調試，就調試板可以完美焊接了。可是焊接德國進口鍍膜板時，又回出現焊接不上及焊點太大的問題。

經過調試，同樣是0.2mm的銅板用不同的工藝焊接，后面發現主要有兩個問題：

1、銅板材質不一樣，表面發光效果會影響激光焊接工藝；

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

在整批任務的完成過程中還出現了很多問題:

1、伺服電機卡死現象；------先調伺服電機5A編輯器不成功，后更換。（主要是Y軸方向不能靈活運動）

2、有漏焊及脫焊現象；------通過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、德國進口鍍膜銅板反面出現兩種顏色，一種很光潔（要求功率會相對高點），一種看起來有氧化現象（相對功率低點，而且容易焊接）；------工藝偏向光潔面，功率偏大，氧化面焊點較大，有銅飛濺。

4、在焊接過程中，因為功率太大，銅板飛濺也就很大，保護鏡片損害相當嚴重，使用監視器查看焊縫越來越模糊，越是模糊就越要加大功率，最后鏡片不能使用；------在保證焊點的前提下勁量調小功率，讓飛濺減小。鏡片稍模糊時用棉布搽拭干凈，鏡片嚴重模糊時更換鏡片。

5、在連續焊接24小時后，監視器的電源無故失效；------更換類似電源。

6、在焊接過程中，由于工裝不完善經常出現碰撞現象；------焊接過程中多注意觀察調節，要認真、要專心的工作。

7、工裝不完善，剪板公差無法精確到1mm以下；------工裝要根據銅板與板芯中心對稱，剪板要求精準。

8、焊接到最里面的時候，需要爬上平臺進行調試很不方便。------把易焊的一面裝在里面。

經過大批量焊接，機器穩定了好多，我們也都學著能夠熟悉掌握它了！

第三篇：激光焊接工藝實踐課程教學大綱講解

《激光焊接工藝實踐》教學大綱

學時：48 學分：3

一、課程的地位與任務

“激光焊接工藝實踐”課屬于光機電應用技術教學資源庫核心課程體系之一的激光加工技術類。光機電應用技術教學資源庫建設規劃的五門課程體系分別是激光原理及技術、激光設備機械設計基礎、激光設備機電控制技術及應用、激光加工技術和激光3D打印技術。“激光焊接工藝實踐”是一門實訓為主的專業主干課程，主要介紹不同激光焊接參數對常用金屬材料焊接質量的影響和不同類型激光焊接設備在材料焊接領域的應用。

激光焊接工藝實踐為面向光機電類專業學生開設的一門專業必修的基礎實訓類課程，課程設置為48學時，合計3學分。學習本課程之前，學生應完成激光加工技術和工程材料基礎等預備性課程的學習。目標是使學生掌握不同激光焊接參數對常用金屬材料焊接的影響規律和不同類型激光設備在材料焊接方面的選擇應用，培養學生分析、解決生產實際問題的能力，為將來從事激光焊接設備操作打下基礎，從而使其在掌握專業知識的基礎上獲得所需要的職業技能。

二、課程的基本內容

第一章 激光焊接設備的種類及應用

通用激光焊接設備的構成

CO2激光焊接設備介紹 YAG激光焊接設備介紹 DISK激光焊接設備介紹 半導體激光焊接設備介紹 光纖激光焊接設備介紹 激光掃描振鏡的應用

準連續光纖激光器在焊接上的應用

通快激光焊接工作站

美國PRC激光焊接設備的特點

PRC激光器的維護 激光焊接設備的選用

第二章 激光焊接參數及其影響

激光焊接工藝特點介紹 激光焊接工藝參數介紹 激光功率對焊接的影響

焊接速度對激光焊接的影響 離焦量對激光焊接的影響 保護氣體對激光焊接的影響 等離子體對激光焊接的影響 激光焊接光束焦點的常用測定方法 高功率激光焊接的離焦量恒定問題

材料吸收率對激光焊接的影響 離焦量對激光焊縫成形的影響

焊接速度對600MPaTRIP鋼焊縫成形的影響 焊接速度對600MPaDP鋼焊縫成形的影響 焊接速度對1000MPaTRIP鋼焊縫成形的影響

激光焊接熔池的動態觀察 激光功率對焊接熔池動態的影響

激光焊接的脈沖波形 激光焊接的脈沖頻率

焊接速度對奧氏體不銹鋼激光焊接的影響

功率對奧氏體不銹鋼激光焊接的影響

激光焊接參數對接頭強度的影響

焊接速度對1.2mm厚1200MPaTRIP鋼接頭性能的影響

激光焊接速度對1000MPaTRIP鋼接頭性能的影響

激光焊接速度對1000MPaTRIP鋼接頭性能的影響（He保護）

激光焊接速度對800MPaTRIP鋼焊縫成型的影響

1mm不銹鋼薄板的YAG激光焊接 1.2mm不銹鋼薄板的YAG激光焊接 2mm厚低碳鋼板的CO2激光焊接 3mm厚低碳鋼板的CO2激光焊接 4mm厚低碳鋼板的CO2激光焊接

第三章 激光焊接設備操作及維護

YAG脈沖激光焊接設備操作方法 DISC激光焊接系統操作規程

Rofin二氧化碳激光焊接系統操作規程

光纖激光焊接系統操作規程 YAG激光焊接設備的維護 DISC激光焊接設備的維護 光纖激光焊接設備的維護 二氧化碳激光焊接設備的維護 半導體激光焊接設備的維護 IPG激光焊接設備的運行模式 IPG激光焊接設備的操作步驟 IPG激光焊接設備的非手動操作模式

通快碟片激光器的操作 通快碟片系列激光器的接口

通快碟片激光器的操作程序TruControl 1000

-2-第四章 激光焊接實例

第五章 激光復合焊接技術

塑料的激光焊接 三光點激光釬焊工藝

德國LIMO公司塑料激光焊接機

激光半熔透焊接工藝介紹

激光拼焊板工藝介紹

激光熔焊在乘用車白車身上的應用 激光釬焊在乘用車白車身上的應用

傳動齒輪的激光焊接 傳感器的激光焊接

應用激光焊接金剛石鋸片實例

動力電池的激光焊接 納秒脈沖激光器的焊接應用 光纖激光器在白車身焊接中的應用 激光自體釬焊在醫療器械上的應用

1mm厚低碳鋼薄板的激光焊接 800MPaTRIP鋼的激光焊接

激光焊接與電阻點焊在白車生上應用對比

SUS304L不銹鋼的激光焊接

薄壁件的激光脈沖焊接

激光填絲焊接

激光脈沖焊接傳感器實例 上海寶鋼阿賽洛激光拼焊板介紹 汽車座椅轉角器的激光焊接實例

激光電焊的特點

激光點焊在白車身上應用

鋁合金的激光焊接 長春三友激光拼焊板介紹 汽車剎車盤的激光焊接實例

閥門的激光焊接 黃銅閥門的激光焊接 鋼鋁異種材料的激光焊接 鈦合金板材的激光焊接

奧氏體不銹鋼波紋板的激光焊接

600MPaTRIP鋼的激光焊接 600MPaDP鋼的激光焊接 1000MPaTRIP鋼的激光焊接

采用He保護的1000MPaTRIP鋼的激光焊接

600MPaPH鋼的激光焊接

采用He保護的600MPaPH鋼的激光焊接

華菱安賽樂米塔爾激光拼焊板介紹

激光電弧復合焊技術介紹 激光MIG復合焊接應用 激光MIG復合焊接系統介紹

激光等離子復合焊介紹 激光電弧復合焊應用對比

激光-TIG復合焊介紹

激光電弧復合焊接接頭化學成分均勻性的影響因素

第六章 能量負反饋激光焊接工藝第七章 激光焊接缺陷及檢驗

第八章 激光焊接操作安全與防護激光自體復合焊介紹 激光單熱源焊接特點介紹 激光復合熱源焊接特點介紹

激光-TIG復合焊介紹

能量反饋式激光焊接原理 激光焊接能量負反饋設備介紹

激光拼焊板常見缺陷分析

激光焊接接頭的形式 激光焊接接頭坡口形核 激光焊接的焊縫介紹 激光焊縫中的氣孔缺陷 激光焊接中的冷裂紋缺陷 激光焊接中的熱裂紋缺陷 激光焊縫缺陷的外觀檢驗 激光焊接接頭的密封性檢驗 激光焊接接頭的金相檢驗 激光焊接接頭的耐壓檢驗 激光焊縫缺陷的RT檢測 激光焊縫缺陷的UT檢測 激光焊縫缺陷的MT檢測 激光焊縫缺陷的PT檢測 激光焊縫缺陷的ET檢測

激光焊接接頭的耐腐蝕性能檢驗

激光焊接接頭的質量評定 轎車白車身激光焊接質量的檢驗 激光焊接奧氏體不銹鋼薄板接頭的缺陷

激光焊接設備操作常用工程防護措施介紹 激光焊接設備操作常用個人防護措施介紹

激光焊接設備操作安全培訓介紹 激光焊接設備操作醫學監督措施介紹

氣體激光焊接設備維護介紹 半導體激光焊接設備維護介紹 DISK激光焊接設備維護介紹 YAG激光焊接設備維護介紹

光纖激光焊接設備維護介紹

激光輻射的危害

激光焊接設備使用的安全防護 現代封閉式激光焊接工作站介紹 高功率激光焊接設備使用注意事項 高功率光纖激光器維護與故障處置

光纖激光器光纖的清潔處理 羅芬板條系列激光器使用須知 通快系列激光器的安全配置 通快碟片激光器運行中斷應對措施

通快碟片系列激光器的標牌 激光焊接設備的分級（國際標準）激光焊接設備的分級（國家標準）

三、課程的基本要求

1．本課程在注重學生基礎理論知識理解的同時，要求更側重對學生實踐動手能力的培養；

2．采取理論教學和實踐觀摩教學相結合的方式以增強課程學習的直觀性和針對性；

四、課程的實踐環節安排

根據系里實驗室設備情況，安排實踐觀摩教學。

五、推薦教材和主要參考書

推薦教材：

《激光加工工藝與設備》，鄭啟光，邵丹 主編，機械工業出版社，2010； 推薦參考書：

1.《激光焊接/切割/熔覆及時》李亞江 主編，化學工業出版社，2012； 2.《材料激光工藝過程》 威廉.M.斯頓 主編 機械工業出版社，2012。

六、面向對象

光機電一體化專業高職院校學生

七、考核方式及標準

學生學習考核標準請參見本課程資源“考核方案”

課程主講人：王文權

第四篇：鋁合金激光焊接技術

一、鋁合金激光焊接的發展

鋁合金密度低，但強度比較高，塑性好，可加工成各種型材，具有優良的導電性、導熱性和抗蝕性，在航空、航天、汽車、機械制造、船舶及化學工業中已大量應用。鋁合金的廣泛應用促進了鋁合金焊接技術的發展，同時焊接技術的發展又拓展了鋁合金的應用領域，因此鋁合金的焊接技術正成為研究的熱點之一。

不過，鋁合金本身的特性使得其相關的焊接技術面臨著一些亟待解決的問題：表面難溶的氧化膜、接頭軟化、易產生氣孔、容易熱變形以及熱導率過大等。以往的生產實踐中，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、生產效率低等缺點。用這些傳統的、應用于黑色金屬的焊接方法焊接鋁合金，并不能達到工業上高效、無缺陷、性能佳的要求，于是人們開始尋求新的焊接方法，20世紀中后期激光技術逐漸開始應用于工業。歐洲空中客車公司生產的A340飛機機身，就采用激光焊接技術取代原有的鉚接工藝，使機身的重量減輕18 %左右，制造成本降低了近25 %。德國奧迪公司A2和A8全鋁結構轎車也獲益于鋁合金激光焊接技術的開發和應用。這些成功的事例大大促使對激光焊接鋁合金的研究，激光技術已經成為了未來鋁合金焊接技術的主要發展方向，因為激光焊接具有其獨特的優點：

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

(2)冷卻速度快，焊縫組織微細，故焊接接頭性能良好。

(3)焊接能量可精確控制，可靠性高，針對不同的要求有較高的適應性。(4)可進行微型焊接或實現遠距離傳輸，不需要真空裝置，利于大批量自動化生產。

二、激光焊接鋁合金的難點及解決措施 1.鋁合金表面的高反射性和高導熱性

這一特點可以用鋁合金的微觀結構來解釋。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（強烈的電磁波）強迫震動而產生次級電磁波，造成強烈的反射波和較弱的透射波，因而鋁合金表面對激光具有較高的反射率和很小

吸收率。同時，自由電子的布朗運動受激而變得更為劇烈，所以鋁合金也具有很高的導熱性。

針對鋁合金對激光的高反射性，國內外學者都作了大量研究，試驗結果表明，進行適當的表面預處理如噴砂處理、砂紙打磨、表面化學浸蝕、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光束能量的吸收。另外，從焊接結構設計方面考慮，在鋁合金表面人工制孔或采用光收集器形式接頭，開V形坡口或采用拼焊(拼接間隙相當于人工制孔)方法，都可以增加鋁合金對激光的吸收，獲得較大的熔深。另外，還可以利用合理設計焊接縫隙來增加鋁合金表面對激光能量的吸收(如圖1)。從圖上可以直觀的反應出，將焊縫和激光束的位置關系由圖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多次反射，形成一個人工小孔，增加了焊件對激光能量的吸收。

圖1 改變焊縫幾何形狀

2.小孔的誘導和維持

小孔的誘導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特性造成的。激光焊接的過程中，小孔可看成是鋁合金的黑體，能大大提高材料對激光的吸收率，為母材獲得更多的能量耦合，這有利于提高焊接接頭的質量。但由于鋁合金的高反射性和高導熱性，要誘導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沸點低、易蒸發且蒸汽壓大，雖然這有助于小孔的形成，但等離子體的冷卻作用（等離子體對能量的屏蔽和吸收，減少了激光對母材的能量輸入）使得等離子體本身“過熱”，卻阻礙了小孔維持連續存在。

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

三、激光焊接鋁合金容易產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，焊縫氣孔的形成機理比較復雜，一般認為存在兩類氣孔:氫氣孔和由于小孔的破滅而產生的氣孔。氫氣孔是由于氫（主要來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，不能維持穩定而塌陷，液態金屬來不及填充就造成孔洞。另外，低熔點、高蒸氣壓合金元素蒸發導致氣孔，表面氧化膜在焊接過程中溶解到熔池中也會形成氣孔。

從氫氣孔的形成原理可知，表層物質是氫元素的主要來源，因此選擇正確的焊前表面預處理可以有效地減少氫氣孔的產生。對于由小孔塌陷引發的氣孔，則要求選擇適當的保護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(負值)的焊接方式，可以進一步消除氣孔的產生。

2.熱裂紋

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

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，提高接頭強度。此外，調整激光能量的輸入方式，合理選擇脈沖點焊時的脈沖波形，焊縫熔化凝固重復進行，以降低熔池凝固時的凝固速度，這種在凝固過程中增加熱循環的控制方法同樣可以減少結晶裂紋。

3.Mg、Zn等元素的燒損

使用激光焊接鋁合金時，焊縫的加熱和凝固速度都非常快，這使得Mg，Zn 等低熔點強化元素發生燒損，導致焊縫硬度和強度下降。Mg 的沸點為1 380 K，比Al 的2 727 K低，Mg首先蒸發燒損。燒損現象使得焊縫成型時的晶粒大小嚴重不均勻，從金屬學角度講，大晶粒的存在破壞合金元素的強化作用，導致焊縫的強度明顯比母材低。

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

鋁激光焊接的工藝參數主要有: 功率密度、焊接速度、焦點位置、保護氣體種類及流量等，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。當其他工藝參數保持不變時，隨著功率密度的增大，焊縫深寬比增大。因為功率密度增大時，蒸汽壓力能克服熔化成液態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”。但是如果功率密度過大，使金屬強烈汽化，嚴重燒損合金，焊縫成型組織的晶粒過大，焊縫的硬度和強度均下降。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。但是速度過快，到達焊縫處的線能量密度較低，會使熔深達不到焊接要求；速度過慢，則線能量密度過高，母材過度熔化和燒損，降低接頭性能，甚至引發熱裂紋。因此，對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使工件過熱的最佳焊速，這可以從以往的生產實踐中總結經驗或者查閱相關文獻獲得。

3.焦點位置

研究表明，鋁合金激光焊接的焦點位置與熔深的關系如圖2所示。我們可以看出，熔深隨焦點位置的變化有一個跳躍性變化過程：當焦點處于偏離工件表面較大(2 mm)時，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

導為主的熔化焊，熔深較淺； 而當焦點靠近工件表面某一位置(2 mm)時，工件表面入射光束能量密度值增大到臨界值，產生小孔效應，因此熔深發生跳躍性增加。經試驗得到，當焦點位置在工件表面上方1 mm 處時焊縫熔深最大。

圖2 焦點位置對焊縫熔深的影響

4.保護氣

和電子束焊接相比，激光焊接不需要真空環境，但焊接鋁合金需采用保護氣體，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自被離子化的金屬母材蒸汽，而且和保護氣體本身性質也有很大的關系。通過增加電子與離子和中性原子三體碰撞來增加電子的復合速率，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，復合速率越高；另一方面，保護氣體本身的電離能應該高，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上采用的保護氣體主要有三種：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，不同保護氣體差別很小。研究表明，在相同條件下，使用N2容易誘導小孔，主要是N2和Al 之間可發生放熱反應，生成的Al－N－O 三元化合物對激光的吸收率要高一些，純N2 會在焊縫中產生AlN 脆性相，同時易形成氣孔。而采用惰性氣體保護時，由于質輕而逸出，氣孔形成機率小，因此采用混合氣體保護效果較好。現在也有采用Ar－O2，N2－O2等氣體進行鋁合金激光焊接的研究越來越多。

五、先進的鋁合金激光焊接技術 1.鋁合金的激光-電弧復合焊

現在激光焊接鋁合金還處于發展階段，設備成本高、接頭間隙允許度小、工件準備工序要求嚴等制約了純激光焊接鋁合金的應用。目前，激光-電弧復合焊在德國和日本等發達國家研究比較多，激光-電弧復合主要是激光與TIG電弧、MIG電弧及等離子體復合，分別如圖3、4所示。這種工藝在汽車制造業中已有一定的應用，如德國大眾汽車公司的Phaeton前門上就有48處激光-M IG焊道，而且還可以用來焊接車體及輪軸。鋁合金激光-電弧復合焊很好地解決了激光焊接的功率、鋁合金表面對激光束的吸收率以及深熔焊的閾值等問題。這是因為焊接鋁合金時，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，產生良好的復合效應——兩種熱源同時作用在一個相同區域的疊加效應——高的能量密度導致了高的焊接速度，顯著提高焊接效率。

圖3 激光-TIG復合焊接鋁合金原理圖

圖4 激光-MIG復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，由于小孔的塌陷而容易產生氣孔。李俐群[10]等學者研究表明，采用如圖5所示的雙光束焊接鋁合金，焊縫成形美觀、無飛濺或凹坑等缺陷，對焊接參數適應性更好；等離子體穩定性提高；氣孔大大減少。這是因為采用雙光束激光焊接時，第一束激光產生熔池，并對焊接區域附近進行預熱積累熱量。當第二束激光照射該處時，更多的母材能夠熔化，從而使得形成焊縫更寬。同時，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已經在德國軍用飛機EADS進氣管的焊接上得到了應用。

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

在新興的鋁合金焊接技術中，攪拌摩擦焊需要針對被焊母材的形狀和接口要求設計專用夾具，鋁合金激光填絲技術則解決了對工件裝夾、拼裝要求嚴的問題，而且用較小功率激光器就能實現厚板窄焊道的多層焊。另外通過調節焊絲成分，改善焊縫區組織性能，對裂紋等缺陷更易控制，顯著提高鋁合金焊接穩定性與適應性。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

前面已經提到，日本和德國等發達國家已經開始將激光焊接鋁合金應用于汽車制造業。由于鋁合金具有高比強度、耐銹蝕、熱穩定性好、易成形、再生性好和簡化結構等一系列優點，在汽車業中倍受青睞。大量的對比研究和反復實踐證明，選用鋁合金材料是實現汽車輕量化的有效途徑。減輕汽車重量以降低能耗、減少污染、提高燃油效率，這是解決汽車節能和環保問題的最有效的措施。而激光焊接技術效率高、熱影響區小、能獲得良好的接頭質量。在鋁合金頗受汽車業青睞的大環境下，激光焊接鋁合金將會成為越來越成熟的工藝，并被推廣至船舶制造行業和航空航天產業。其實，上文也已經提到過，歐洲的空中客車已經在使用激光焊接鋁合金的技術部分取代傳統的鉚接技術。這種自動化程度極高、質量穩定的焊接方式甚至能夠滿足載人航天和可重復使用航天器對焊接結構的可靠性提出了更高的要求。我們可以預見，鋁合金激光焊接技術在近幾年將成為航天焊接研究領域工作者熱點之一。

第五篇：激光焊接在船舶制造中的應用前景

激光焊接在船舶制造中的應用前景

在20世紀90年代中期，激光作為一種重工業制造工具用于造船工業。大型艦船制造方法逐漸實現由鉚接到焊接的變革，焊接方法、工藝和設備也穩步發展，從早先的氣焊、電弧焊，發展到激光焊。造船技術的不斷發展，帶動了造船材料和設計的重大變化。圖1所示為造船工業中三明治夾層板的激光焊接。

圖1 造船工業中“三明治”板的激光焊接

早期日本的一些船廠就使用激光切割設備獲得了準確的切割尺寸和良好的切割質量，并從中受益。1992年，Vosper Thornycroft在歐洲船廠安裝了第一臺激光切割設備。90年代中、后期，歐洲船廠紛紛安裝了用于焊接和切割的成套設備。在美國，Bender 船廠是第一家使用高功率激光切割設備的船廠。1999年Bender 使用6KW的Tanaka LMX Ⅲ激光器，在制造成本和質量上取得了巨大進步。2001年，聯邦電動船部在其移動實驗室安裝了4KW的ESAB系統。激光切割設備在Bender的應用，引起了對發展高效激光焊接技術的關注。下面幾個圖為激光制造技術與系統在歐洲幾個船廠的應用實例。

圖2 Vosper Thornycroft船廠在歐洲最先使用激光切割設備

圖3 Meyer Werft船廠采用的船板焊接頭

圖4 Odense船廠采用的Triagon激光焊接頭

目前世界工業領域都向著低能耗、短流程方向發展，激光制造具有許多傳統制造方法無法比擬的優點，世界各國都加大了對發展制造業的重視程度。但與國外相比，我國激光技術達到應用推廣的還是不多，還沒有發揮出應有的作用。究其原因，首先在于激光制造系統的高成本、高投入；為了更廣泛的普及激光制造技術的應用，彌補高投入的問題，需要在充分認識影響激光制造技術應用關鍵因素的基礎上，綜合考慮船舶本身需求、激光加工系統的投入等因素，控制成本，尋找最佳加工條件、提高加工效率的方法，最終形成我國新一代激光制造產業鏈。

現代激光制造作為通用的加工手段，其前沿領域之一是應用領域的擴展，激光制造應用技術提出并解決新的問題。重點針對汽車、航天運載器、船舶和車輛等運輸機械的輕型化、冶金工業和循環經濟的發展趨勢，實現激光制造技術在國防和重點工業領域的產業化應用。同時對激光制造系統技術提出新的要求，如激光器小型化、高轉換效率與集成化等，光纖激光器和半導體激光器將得到大力發展。推動我國激光制造技術向著效率更高、能耗更低、流程更短、光束質量更高、性能更好、數字化、智能化程度更高、成本更低的方向發展，改變我國大工業用激光制造裝備完全依賴進口的現狀。

本文由萬向聯軸器www.tmdps.cn 冷鐓機www.tmdps.cn 聯合整理發布 激光技術在船舶制造中的應用又具有其獨特性，這跟船舶本身的加工和應用特點以及激光制造系統的特性息息相關。目前鋁合金材料逐漸成為運輸機械制造的關鍵材料，全鋁結構船顯示出良好的發展前景，配合先進的激光制造技術，展示了無限發展潛力。(end)文章內容僅供參考()(2010-8-21)

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