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激光焊接2

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通過上文,大家對激光焊接已經有認識了。激光焊接不簡單,甚至可以隔一段距離操作,更神奇的是可以用在醫療了,焊接組織、血管直至神經!


哈爾濱焊接研究所,國內激光焊接走在前列,進一步拓寬激光焊接種類及設備,成功攻克服了國內大型構件的焊接難題。


寧波中物激光與光電技術研究所,中國工程物理研究院技術轉移中心寧波分中心,也不甘居人之后,與廠家合作,成功研制出激光熱處理、激光熔覆、激光焊接、激光加工等整套設備組件和方案。


目前國內的激光焊接技術研究還集中在激光熱絲焊、異種金屬焊等領域,他們都是現代激光焊接技術研究的最新課題。
德國已經初步掌握了異種金屬焊的技巧和方式,而未來我國要想真正熟練的應用以及掌握激光焊接技術,將其應用到更多的領域以及行業內,無疑就必須要攻破上述課題,要進一步完善以及優化激光焊接技術。

(常見材料的激光焊接)

連續CO2激光焊的工藝參數


厚度/mm

焊速/(cm/s)

縫寬/mm

深寬比

功率/kw

對接焊縫

321不銹鋼(1Cr18Ni9Ti)

0.13

3.81

0.45

全焊透

5

0.25

1.48

0.71

全焊透

5

0.42

0.47

0.76

部分焊透

55

17-7不銹鋼(0Cr7Ni7A1)

0.13

4.65

0.45

全焊透

5

302不銹鋼(1Cr18Ni9)

0.13

2.12

0.50

全焊透

5

0.20

1.27

0.50

全焊透

5

0.25

0.42

1.00

全焊透

5

6.35

2.14

0.80

7

3.5

8.9

1.27

1.00

3

8

12.7

0.42

1.00

5

20

20.3

21.1

1.00

5

20

6.35

8.47

——

3.5

16

因康鎳合金600

0.10

6.35

0.25

全焊透

5

0.25

1.69

0.45

全焊透

5

鎳合金200

0.13

1.48

0.45

全焊透

5

蒙乃爾合金400

0.25

0.60

0.60

全焊透

5

工業純鈦

0.13

5.92

0.38

全焊透

5

0.25

2.12

0.55

全焊透

5

低碳鋼

1.19

0.32

——

0.63

0.65

搭接焊縫

鍍錫鋼

0.30

0.85

0.76

全焊透

5

302不銹鋼(1Cr18Ni9)

0.40

7.45

0.76

部分焊透

5

0.76

1.27

0.60

部分焊透

5

0.25

0.60

0.60

全焊透

5

角縫焊

321不銹鋼(1Cr18Ni9Ti)

0.25

0.85

——

——

5

端接焊縫

321不銹鋼(1Cr18Ni9Ti)

0.13

3.60

——

——

5

0.25

1.06

——

——

5

0.42

1.90

——

——

5

17-7不銹鋼(0Cr17Ni7A1)

0.13

3.60

——

——

5

因康鎳合金600

0.10

1.06

——

——

5

0.25

0.60

——

——

5

0.42

0.76

——

——

5

鎳合金200

0.18

1.06

——

——

5

蒙乃爾合金400

0.25





優點
(1)可將入熱量降到最低的需要量,熱影響區金相變化范圍小,且因熱傳導所導致的變形亦最低;
(2)32mm板厚單道焊接的焊接工藝參數業經檢定合格,可降低厚板焊接所需的時間甚至可省掉填料金屬的使用;
(3)不需使用電極,沒有電極污染或受損的顧慮。且因不屬于接觸式焊接制程,機具的耗損及變形皆可降至最低;
(4)激光束易于聚焦、對準及受光學儀器所導引,可放置在離工件適當之距離,且可在工件周圍的機具或障礙間再導引,其他焊接法則因受到上述的空間限制而無法發揮;
(5)工件可放置在封閉的空間(經抽真空或內部氣體環境在控制下);
(6)激光束可聚焦在很小的區域,可焊接小型且間隔相近的部件;
(7)可焊材質種類范圍大,亦可相互接合各種異質材料;
(8)易于以自動化進行高速焊接,亦可以數位或電腦控制;
(9)焊接薄材或細徑線材時,不會像電弧焊接般易有回熔的困擾;
(10)不受磁場所影響(電弧焊接及電子束焊接則容易),能精確的對準焊件;
(11)可焊接不同物性(如不同電阻)的兩種金屬;
(12)不需真空,亦不需做X射線防護;
(13)若以穿孔式焊接,焊道深一寬比可達10:1;
(14)可以切換裝置將激光束傳送至多個工作站。


缺點
(1)焊件位置需非常精確,務必在激光束的聚焦范圍內;
(2)焊件需使用夾治具時,必須確保焊件的最終位置需與激光束將沖擊的焊點對準;
(3)最大可焊厚度受到限制滲透厚度遠超過19mm的工件,生產線上不適合使用激光焊接;
(4)高反射性及高導熱性材料如鋁、銅及其合金等,焊接性會受激光所改變;
(5)當進行中能量至高能量的激光束焊接時,需使用等離子控制器將熔池周圍的離子化氣體驅除,以確保焊道的再出現;
(6)能量轉換效率太低,通常低于10%;
(7)焊道快速凝固,可能有氣孔及脆化的顧慮;
(8)設備昂貴。

為了消除或減少激光焊接的缺陷,出現了一些用其它熱源與激光進行復合焊接的工藝,主要有激光與電弧、激光與等離子弧、激光與感應熱源復合焊接、雙激光束焊接以及多光束激光焊接等。還發展了各種輔助工藝措施,如激光填絲焊(可細分為冷絲焊和熱絲焊)、外加磁場輔助增強激光焊、保護氣控制熔池深度激光焊、激光輔助攪拌摩擦焊等。



應用領域
制造業
1、激光拼焊(TailoredBlandLaserWelding)技術,在國外轎車制造中得到廣泛的應用,據統計,2000年全球范圍內剪裁坯板激光拼焊生產線超過100條,年產轎車構件拼焊坯板7000萬件,并繼續以較高速度增長。

國內生產的引進車型Passat,Buick,Audi等也采用了一些剪裁坯板結構。

日本以CO2激光焊代替了閃光對焊進行制鋼業軋鋼卷材的連接,在超薄板焊接的研究,如板厚100微米以下的箔片,無法熔焊,但通過有特殊輸出功率波形的YAG激光焊得以成功,顯示了激光焊的廣闊前途。

日本還在世界上首次成功開發了將YAG激光焊用于核反應堆中蒸氣發生器細管的維修等,在國內蘇寶蓉等還進行了齒輪的激光焊接技術。


2、粉末冶金
隨著許多工業技術上對材料特殊要求,應用冶鑄方法制造的材料已不能滿足需要。由于粉末冶金材料具有特殊的性能和制造優點,在某些領域如汽車、飛機、工具刃具制造業中正在取代傳統的冶鑄材料。但粉末冶金材料與其它零件的連接問題顯得日益突出,應用受到限制。

八十年代初期,激光焊進入粉末冶金材料加工領域,如采用粉末冶金材料連接中常用的釬焊的方法焊接金剛石,由于結合強度低,熱影響區寬特別是不能適應高溫及強度要求高而引起釬料熔化脫落,采用激光焊接可以提高焊接強度以及耐高溫性能。


3、汽車工業
20世紀80年代后期,千瓦級激光成功應用,激光焊接生產線已大規模出現在汽車制造業。

德國奧迪、奔馳、大眾、瑞典的沃爾沃等歐洲的汽車制造廠早在20世紀80年代就率先采用激光焊接車頂、車身、側框等鈑金焊接。

90年代美國通用、福特和克萊斯勒公司竟相將激光焊接引入汽車制造,盡管起步較晚,但發展很快。

意大利菲亞特,在大多數鋼板組件的焊接裝配中采用了激光焊接。

日本的日產、本田和豐田汽車公司在制造車身覆蓋件中都使用了激光焊接和切割工藝。

高強鋼激光焊接裝配件因其性能優良在汽車車身制造中使用得越來越多,根據美國金屬市場統計,至2002年底,激光焊接鋼結構的消耗將達到7萬噸比1998年增加3倍。

根據汽車工業批量大、自動化程度高的特點,激光焊接設備向大功率、多路式方向發展。

在工藝方面美國Sandia國家實驗室與PrattWitney聯合進行在激光焊接過程中添加粉末金屬和金屬絲的研究。

德國不萊梅應用光束技術研究所在使用激光焊接鋁合金車身骨架方面進行了大量的研究,認為在焊縫中添加填充余屬有助于消除熱裂紋,提高焊接速度,解決公差問題,開發的生產線已在奔馳公司的工廠投入生產。


4、電子工業
電子和微電子工業中,激光焊接得到了廣泛應用。

由于激光焊接熱影響區小、加熱集中迅速、熱應力低,因而正在集成電路和半導體器件殼體的封裝中,顯示出獨特的優越性,在真空器件研制中,激光焊接也得到了應用。

如鉬聚焦極與不銹鋼支持環、快熱陰極燈絲組件等。傳感器或溫控器中的彈性薄壁波紋片其厚度在0.05-0.1mm,采用傳統焊接方法難以解決,TIG焊容易焊穿,等離子穩定性差,影響因素多。采用激光焊接效果則很好。
近年來,激光焊接又逐漸應用到印制電路板的裝聯過程中。隨著電路的集成度越來越高,零件尺寸越來越小,引腳間距也變得更小,以往的工具已經很難在細小的空間操作。激光由于不需要接觸到零件即可實現焊接,很好的解決了這個問題,受到電路板制造商的重視。


4、生物醫學
生物組織的激光焊接始于20世紀70年代,Klink等及jain用激光焊接輸卵管和血管,取得成功,使更多研究者嘗試焊接各種生物組織,并推廣到其他組織的焊接。

有關激光焊接神經方面國內外的研究,主要集中在激光波長、劑量及其對功能恢復以及激光焊料的選擇等方面的研究。

劉銅軍進行了激光焊接小血管及皮膚等基礎研究的基礎上,又對大白鼠膽總管進行了焊接研究。

與傳統的縫合方法查相比,激光焊接具有吻合速度快,愈合過程中沒有異物反應,保持焊接部位的機械性質,被修復組織按其原生物力學性狀生長等優點將在以后的生物醫學中得到更廣泛的應用。

不管采用光纖激光或光纖耦合二極管激光加工,激光焊接焊縫寬度都可以達到微米級,同時不影響焊縫形狀的靈活性和焊接面積的大小,特別適用于醫療器械焊接領域。
醫療儀器產品越來越小型化,醫用微流控器件和診斷設備所要求的精度只有激光技術才能達到。如果配備高速掃描振鏡,更是可以輕易達到規定的效果。
對比傳統醫療行業焊接技術,激光焊接機不僅環保清潔方面優勢明顯,在工藝技術方面更是有無可比擬的。醫療器械正逐漸成為激光焊接機的大客戶。


5、其他
在其他行業中,激光焊接也逐漸增加特別是在特種材料焊接中國內進行了許多研究,如對BT20鈦合金、HEl30合金、Li-ion電池等激光焊接,德國玻璃機械制造商GlamacoCoswig公司與IFW接合技術與材料實驗研究院合作開發出了一種用于平板玻璃的激光焊接新技術。


傳感器密封焊接方法比較

采用的方法有:電阻焊、氬弧焊、電子束焊、等離子焊等。
1.電阻焊:它用來焊接薄金屬件,在兩個電極間夾緊被焊工件通過大的電流熔化電極接觸的表面,即通過工件電阻發熱來實施焊接。工件易變形,電阻焊通過接頭兩邊焊合,而激光焊只從單邊進行,電阻焊所用電極需經常維護以清除氧化物和從工件粘連著的金屬,激光焊接薄金屬搭接接頭時并不接觸工件,再者,光束還可進入常規焊難以焊及的區域,焊接速度快。


2. 氬弧焊:使用非消耗電極與保護氣體,常用來焊接薄工件,但焊接速度較慢,且熱輸入比激光焊大很多,易產生變形。


3. 等離子弧焊:與氬弧類似,但其焊炬會產生壓縮電弧,以提高弧溫和能量密度,它比氬弧焊速度快、熔深大,但遜于激光焊。


4.電子束焊:它靠一束加速高能密度電子流撞擊工件,在工件表面很小密積內產生巨大的熱,形成"小孔"效應,從而實施深熔焊接。電子束焊的主要缺點是需要高真空環境以防止電子散射,設備復雜,焊件尺寸和形狀受到真空室的限制,對焊件裝配質量要求嚴格,非真空電子束焊也可實施,但由于電子散射而聚焦不好影響效果。電子束焊還有磁偏移和X射線問題,由于電子帶電,會受磁場偏轉影響,故要求電子束焊工件焊前去磁處理。X射線在高壓下特別強,需對操作人員實施保護。激光焊則不需 真空室和對工件焊前進行去磁處理,它可在大氣中進行,也沒有防X射線問題,所以可在生產線內聯機操作,也可焊接磁性材料。



為什么德企喜歡激光焊接?
(激光焊與電阻焊、電弧焊區別)
1、焊接速度快,每分鐘能達到數十米,加快了生產節拍,相當于降低成本。大眾每月單車型3萬臺(朗逸能達到5萬)的產量是很了不起的。
2、柔性化程度高。激光焊接是非接觸式焊接,一般距離鋼板15cm以上,留給車身的空間很大,并且針對不同的車型,只需變化夾具和機器人編程就可以投產。單線多車型的生產可以降低設備風險,激光焊接的高投入和降風險是成正比的。
3、焊接形變量小。由于能量集中而且是非接觸焊接,與點焊相比,激光焊接的熱變形區域很窄,點焊中伴有的機械扭曲和波浪邊緣在激光焊接中不會產生。在點焊中要維護易損件例如電極帽、電極桿等等,而在激光焊接中則不需要這些維護。
4、節省材料。點焊是將兩個板料搭接在一起,給焊接處留出足夠的焊接面積,電極伸入板料重疊處焊接。而激光焊接只需對翻邊的一面進行焊接(單面焊接),減少預留的焊接邊緣,減少搭接板料可以降低車身的質量,在輕量化如此艱難的情況下,一絲一毫的減重都是技術的提升。同時,單面焊接讓設計更自由,有利于板件布置。









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