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20世纪80年代末,克莱斯勒公司的Kokomo分公司购进九台6kWCO2激光器,用于齿轮激光焊接,生产能力提高40%.90年代初,美国三大汽车公司投入40多台激光器用于传动部件焊接.奔驰公司经研究利用激光焊接代替电子束焊接,因为前者焊缝热影响区小.美国福特汽车公司用4.7kWCO2激光器焊接车轮钢圈,钢圈厚1mm,焊接速度为2.5m/min.该公司还采用带有视觉系统的激光焊接机,将六根轴与锻压出来的齿轮焊在一起,成为轿车自动变速器的齿轮架部件,生产率为200件/h[2].
德国ILT(激光科学技术研究所)和ISF(Aachen大学)共同开发研究了CO2激光及YAG激光与TIG或MIG电弧复合焊接法.日本大阪大学接合科学研究所,三菱重工株式会社等也进行了此方面的研究.首先,进行了厚板激光先行MIG在后的复合焊接(Combining Welding) ,从微观和宏观组织观察与硬度分布测试结果看,可以获得高质量接头.其次,开发了激光与电弧混合焊接法(Hybrid Welding),包括激光与TIG、离子体、MIG及双枪电弧同时使用.激光TIG混合焊接法对薄板有效,对AlMg3L铝合金,可以使焊接速度比激光单独焊时高2倍的方法.对于不同厚度的拼板,在激光与等离子体混合焊接法中,激光通过中间空心的圆形电极到达焊缝.本方法可提高焊接效率,同时因等离子体加热冷却速度变慢,有望减轻拼板焊接区的硬化.
为了得到高质量焊缝,希望采用可靠的监测系统控制焊接过程.实际上,激光焊接过程中存在许多有关物理现象的信息.关于过程监测,正在探讨等离子体放出的光、蒸气和等离子体;或熔池压力变化引起的声音、焊件中机械应力引起的超声波;金属蒸气或等离子介电常数、反射激光功率、熔池及小孔的直接观察等.对于利用反射光的方法,在YAG激光焊机头部装上只能透过反射YAG激光的滤光片(λ=1064±5nm)和1列Si光二极管激光焊接时,因波长长,利用了带小间隙或孔的聚光镜.熔深愈大,任一位置反射激光功率愈小,从而可知,熔深与反射激光之间存在关系.并揭示出反射激光功率在焦点位置附近小,而离焦点位置越远越大.还进一步发现,送丝速度越快,则熔深越浅,反射激光功率越高,对于5XXX铝合金,发现反射激光功率变动大,则多数生成气孔.从这一点看,利用反射激光功率监测气孔的生成是有可能的.根据高速摄像机和反射激光功率同时测试结果,熔池以350Hz在振荡.另外,日、德学者不仅对激光焊接中等离子体发光和声音,还对小孔和熔池进行了观察、监测,并进一步研究对此进行适应控制的方法.研究中用最高2900FPS高速摄像机,也开发了商用CMOS摄像机.拼板焊接时,可以区别全熔透和半熔透,也能监测出间隙大小.并且利用广范围领域观察的手段,能够判断试板与激光照射位置的关系,研究各种焊接缺陷的影响因素及适应控制方法.以上试验了利用对小孔和熔池的直接观察法及从小孔中反射出的激光直接显示焊接状况的方法,揭示了在熔池监测和控制中可以利用的可能性.对铝合金焊接,也有可能利用反射光诊断法评价过程稳定性,检测出气孔及飞溅.但这点需要今后进一步探讨.
激光焊接的原理:光子轰击金属表面形成蒸汽,蒸发的金属可防止剩余能量被金属反射掉.如果被焊金属有良好的导热性能,则会得到较大的熔深.激光在材料表面的反射、透射和吸收,本质上是光波的电磁场与材料相互作用的结果.激光的光波入射材料时,材料中的带电粒子依着光波电矢量的步调振动,使光子的辐射变成了电子的动能.物质吸收激光后,首先产生的是某些质点的过量能量,如自由电子的动能、束缚电子的激发能或者还有过量的声子.这些原始激发能经过一定的过程再转化为热能.激光加工时,材料吸收的光能转换是在极短的时间(约为10～9s)内完成的.在这个时间内,热能仅仅局限于材料的激光辐照区,而后通过热传导,热能由高温区传向低温区[1].
激光焊接与其它传统焊接工艺相比,有着许多优点.其最主要的优势之一就是能够将激光束集中于非常狭小的区域,从而产生高能量密度的热源,随后,该集中热源快速扫过被焊接缝,在这方面,激光束焊接可与电子束焊接相比拟,但激光焊接却有着优于电子束焊接的特点,即激光焊接可在大气压下进行,而无需真空室.通过视窗、透镜及光纤,可以实现远程位置与多工作台的激光焊接,而且,激光焊接还可以在焊条和电子束无法达到的三维构件内部细微区域中实施.与电子束焊接类似,激光焊接可以实现单面焊接双面成形,复层结构也可采取单面激光焊接,所以,对于那些用其它方法需从双面焊接的接头,如果采用激光焊接工艺,则可从单面施焊.这种灵活性开辟了接头设计的许多新思想,特别是针对某些包含不可接触表面的构件.
最近日本和英国等都开发了大功率YAG激光设备,与CO2激光焊接时进行比较,探讨了熔化特性及等离子体的影响.英国TWI采用将3台4kWYAG激光装置的激光束,在直径为1mm的SI光纤中合成为一束的方法,研究了C2Mn钢焊接的熔深,对15mm厚的钢板,获得了良好的熔透焊缝.为了保护镜头不受飞溅及烟尘损坏,利用了空气刀,并对同轴保护气体喷嘴与侧面喷嘴进行比较,还探讨了气体照射位置、种类和流量的最优化.输出功率大时,如何去除小孔中喷出的等离子体成为一个重要的技术问题.
美国最近开发出了利用Slab型Nd:YAG晶体的2台LD泵浦固体激光设备,1台为TRW公司开发的3kW级LD泵浦Nd:YAG激光,另1台为GE2Fibertek公司开发的500W级Q2Switch(开关型)脉冲激光设备.焊接用3kW级的设备是准CWLD阵列,最大20%负载率,其功率随脉冲频率而变化400Hz时,脉冲宽0.5ms,脉冲能量7.5J,功率达到3000W,1750Hz时,功率达到1950W.激光横模为长方型低次多模,在出射口整形成8mm×8m,用焦点距离350mm(F/50)的光学镜头聚焦后,含激光功率约95%的中央高辉度区域的尺寸为0.1mm,非常小,最大功率密度平均60MWPcm2,峰值300MWPcm2,焦点深度约1cm.焊缝熔深熔宽及断面形状因纵横模式不同而异,对板厚约70mm的低碳钢只需2道即可实现熔透焊接.虽然用高密度激光可进行大熔深焊接这一点已经证实,但其问题是焊缝宽度窄,表面下塌大,对于某些焊接条件与合金会发生气孔和裂纹等缺陷,因此其今后的解决方法受到关注.激光焊接因激光束直径小,为了扩大焊缝宽度,可采用摆动模式即横向移动1mm的方法进行焊接.
激光束焊具有能量密度高,热影响区小,空间位置转换灵活,可在大气环境下焊接,焊接变形极小等优点.它主要应用于飞机大蒙皮的拼接以及蒙皮与长桁的焊接,以保证气动面的外形公差.另外在机身附件的装配中也大量使用了激光束焊接技术,如腹鳍和襟翼的翼盒,结构不再是应用内肋条骨架支撑结构和外加蒙皮完成,而是应用了先进的钣金成形技术后,采闲激光焊接技术在三维空间完成焊接拼合,不仅产品质量好,生产效率高,而且工艺再现性好,减重效果明显.
