激光焊接工艺调研报告要点Word文档下载推荐.docx

1、在欧美等发达国家，激光拼焊不仅在交通运输装备制造业中被使用，还在建筑业、桥梁、家电板材焊接生产、轧钢线钢板焊接（连续轧制中的钢板连接）等领域中被大量使用。世界著名的激光焊接企业有瑞士Soudonic公司、法国阿赛洛钢铁集团、德国蒂森克虏伯集团TWB公司、加拿大Servo-Robot公司、德国Precitec公司等。中国的激光拼焊板技术应用刚刚起步，2002年10月25日，中国第一条激光拼焊板专业化商业生产线正式投入运行，由武汉蒂森克虏伯中人激光拼焊从德国蒂森克虏伯集团TWB公司引进。此后上海宝钢阿赛洛激光拼焊公司、一汽宝友激光拼焊有限公司等相继投产。2003年，国外实现了A318铝合金下壁板结

2、构双光束C02激光填丝焊和YAG激光填丝焊，它代替传统铆结构减轻了飞机机身重量的20%，同时也节约了20%的成本。巩水利认定激光焊接技术将对我国传统航空制造业改造升级产生重大意义。随后他立即申请多项相关预研课题，组织攻关团队，在国内率先将“双光束激光焊接”技术引入到课题研究中，并且从一开始就酝酿要将这项技术用到飞机制造中。中国专家团队向某飞机设计所交底初步技术，向他们推介双光束激光焊接的优越性和可行性。该设计所经多方考证和评估，毅然决定将该技术用于某飞机带筋壁板的制造，实现了最初要把“双光束激光焊接”技术应用到飞机制造的目标，突破了轻质合金激光焊接填丝精度控制等关键技术，集成创新研制了双光束激

3、光填丝复合焊接装置，建立了国内首个大功率双光束激光填丝焊接平台，实现了大型薄壁结构T型接头双光束双侧同步焊接，并首次成功应用于航空带筋壁板关键结构件的焊接制造中，在我国新型飞机研制中发挥了重要作用。2003年 由华工激光提供的国内首台大型带材在线式焊接成套设备通过离线验收。该设备集激光切割、焊接和热处理于一身，使我国华工激光成为世界上第四家能够生产此类设备的企业。2004年 华工激光法利莱“高功率激光切割,焊接及切焊组合加工技术与设备”项目获得国家科学技术进步二等奖,成为国内唯一具备该项技术与设备研制能力的激光企业。随着工业激光产业的快速发展，市场对激光加工技术的要求越来越高，激光技术已从单一

4、应用逐渐转向多元化应用，激光加工方面不再是单一的切割或者焊接，市场对激光加工要求切割和焊接一体化的需求也越来越多，激光切割和激光焊接的切焊一体化激光加工设备应运而生。华工激光法利莱研究开发Walc9030切焊一体机，93米超大幅面，是目前世界最大幅面的激光切焊一体化设备。Walc9030是集成了激光切割与激光焊接功能于一体的大幅面切焊设备，设备具有专业的切割头和焊接头，两个加工头共用一个横梁，用数控技术保证其不会互相干涉，设备能够完成同时需要切割与焊接两道工序。先切后焊，先焊后切，激光切割、焊接轻松进行切换，一台设备，两种功能，而不用另外添置新的设备，为应用厂家节约了设备成本，提高了加工效率和

5、加工范围，而且由于切焊一体，加工精度得到了完全的保障，设备性能高效稳定。 此外，它攻克了超大板材拼焊过程中板材易产生热变形和如何保持超长飞行光路稳定实现的难关，可以将两块长6米宽1.5米的平面板材一次性焊接完成，焊后表面光滑平整，无需其他后续加工。同时可以切割宽3米长度6米以上的20mm以下的板材，一次成型，无需二次位。中科院沈阳自动化研究所与日本石川岛播磨重工株式会社进行国际合作，遵循国家引进消化后再创新的科技发展战略，攻克激光拼焊若干个关键技术，于2006年9月开发出国内第一套激光拼焊成套生产线，并成功开发了机器人激光焊接系统，实现了平面和空间曲线的激光焊接。2013年10月，中国焊接专家

6、获得了焊接领域最高学术奖-布鲁克奖。英国焊接研究所（TWI）每年从来自120多个国家的4000余会员单位中推荐提名，最终将该奖项授予一位专家，以表彰其在焊接或连接科学技术与工业应用领域做出的卓越贡献。这次获奖不仅是对巩水利及其团队的认可，也是对中航工业推动材料连接技术进步的肯定。 激光焊接技术是激光材料在加工应用中所涉及到的重要技术之一，其发展最早可追溯至二十世纪六十年代，它是在传统焊接技术的基础上形成和发展起来的，是对传统技术的改革和创新，其焊接效率更高、不易变形、抗电磁干扰能力强、可达性较好。而到了二十世纪七十年代，激光焊接技术被直接应用于低速焊接和薄壁材料焊接，是一种热传导型的焊接，它通

7、过热传导的方式将焊接材料表面的热量迅速传递至内部，并经过一系列内部调控之后，实现了对激光脉冲宽度、能量值、重复频率等参数的有效控制，加工者可以按照自己的个性化需求进行调节，最终完成工件的熔化，从而形成了一个特定的熔池。随着大功率激光器的不断发展，激光焊接技术的应用领域也进一步扩展，越来越多地被应用至微型零件和小型零件等高精密度零件的焊接中。国内外该工艺发展状况及其企业发展状况国外对其研究现状由于国外激光技术以及制造业较为发达，因此他们早在上世纪八十年代就已经逐步开始研究以及分析如何将现代激光技术应用在传统制造业中。以欧盟、美国等西方国家和亚洲的日本为例，他们借助于自身发达的科学技术实力以及良好

8、的制造业基础，在政府合理的引导以及财政支持下，激光焊接技术发展非常快速，特别是进入新世纪以后，已经在许多的制造业和其他行业中能够看到激光焊接结束的应用，包括电子工业、造船工业、汽车工业等等，都能够看到现代激光焊接技术的应用。并且，他们为了能够对整个技术进行合理的应用，已经初步形成了焊接技术的行业标准，从而使得其能够在一个合理可控的范围内得到应用。与此同时，为了进一步提升焊接效率，使得激光焊接技术能够更好地应用于现代大型生产，特别是大型制造业以及建筑业，西方发达国家近年来在积极研究如何提升激光焊接的效率，通过大功率激光器的研究，进一步推动和实现大功率激光焊接技术的实现，由此真正将其应用到大型制造

9、业、建筑业甚至是军事领域，进行潜艇以及军舰的制造。国内对其研究现状相对于国外成熟的技术而言，我国指导改革开放之后在开始逐步接触和了解激光技术，而直到上世纪九十年代末才开始逐渐将激光技术与传统焊接应用相结合。目前，激光焊接技术研究在国内走在前列的当属哈尔滨焊接研究所。近年来，其除了进一步拓宽和研发新的激光焊接种类以及设备之外，也在积极模仿以及参照国外研究的最新动向，不断寻求大功率激光焊接技术的突破与发展。而最新的研究成果显示，他们成功克服了国内大型构件的焊接难题，这无疑标志着我国在激光焊接技术领域的重大突破，也为未来大型工程重大应用奠定了基础。除此之外，目前国内的激光焊接技术研究还集中在激光热丝

10、焊、异种金属焊等领域，他们都是现代激光焊接技术研究的最新课题。而国外在相关研究领域已经取得了突破，特别是德国已经初步掌握了异种金属焊的技巧和方式，而未来我国要想真正熟练的应用以及掌握激光焊接技术，将其应用到更多的领域以及行业内，无疑就必须要攻破上述课题，要进一步完善以及优化激光焊接技术。总体而言，虽然国内的激光焊接技术与国外目前的研究以及发展进度存在一定的差距，但是随着研究的不断深入，这一差距正在被逐步缩短，未来其必然会被广泛应用于实际生产和生活中。 激光拼焊（TailoredBlandLaserWelding）技术在国外轿车制造中得到广泛的应用6 ，据统计，2000年全球范同内剪裁坯板激光拼

11、焊生产线超过100条，年产轿车构件拼焊坯板7000万件，并继续以较高速度增长。国内生产的引进车型Passat，Bulck，Audi等也采用了一些剪裁坯板结构。日本以CO2激光焊代替了闪光对焊进行制钢业轧钢卷材的连接，超薄板焊接，如板厚100tm 以下的箔片无法熔焊，但通过有特殊输出功率波形的YAG激光焊得以成功，显示了激光焊的广阔前途。日本还在世界上首次成功开发了将YAG激光焊用于核反应堆中蒸气发生器细管的维修等161，在同内苏宝蓉等还进行了齿轮的激光焊接技术7。20世纪80年代后期，千瓦级激光器成功应用于T业生产，而今激光焊接生产线已大规模出现在汽车制造业，或为汽车制造业突出的成就之一 。9

12、O年代美国通用、福特和克莱斯特公司竞相将激光焊接引入汽车制造，尽管起步较晚，但发展很快。意大利菲亚特在大多数钢板组，牛的焊接装配中采用了激光焊接，日本的日产、本田和丰田汽车公司在制造车身覆盖件中都使用了激光焊接和切割工艺，高强钢激光焊接装配件因其性能优良在汽车车身制造中使用的越来越多，根据美国金属市场统计，至2002年底，激光焊接钢结构的消耗将达到7万吨， 比1998年增加3倍。随着科学技术的不断发展许多技术对材料有特殊要求应用冶铸方法制造的材料已不能满足需要。由于粉末冶金材料具有特殊的性能和制造优点在某些领域如汽车、飞机、工具刃具制造业中正在取代传统的冶铸材料，随着粉末冶金材料的日益发展它与

13、其它零件的连接问题显得日益突出使粉末冶金材料的应用受到限8。在20世纪80年代初期激光焊以其独特的优点进入粉末冶金材料加T领域，为粉末冶金材料的应用开辟了新的前景，如采用粉末冶金 。料连接中常用的钎焊方法焊接金刚石，由于结合强度低，热影响区宽特别是不能适应高温及强度要求高而引起钎料熔化脱落，采用激光焊接可以提高焊接强度以及耐高温性能9-11。激光焊接在电子T业中，特别是微电子工业中得到了广泛的应用12。由于激光焊接热影响区小，加热集中迅速、热应力低，因而正在集成电路和半导体器件壳体的封装中显示了独特的优越性，在真空器件研制中，激光焊接也得到了应用，如钼聚焦极与不锈钢支持环、快热阴极灯丝组件等。

14、传感器或温控器中的弹性薄壁波纹片其厚度在00501mm，采用传统焊接方法难以解决， 电弧焊容易焊穿，等离子焊稳定性差，影响因素多，而采用激光焊接效果很好，得到广泛的应用。生物组织的激光焊接始于20世纪70年代，Klink等及Jain13用激光焊接输卵管和血管的成功及显示出来的优越性，使更多研究者尝试焊接各种生物组织，并推广到其它组织的焊接14,15。有关激光焊接神经方面，目前同内外的研究主要集中在激光波长、剂量及对功能恢复及激光焊料选择等方面16-181，刘铜军在激光焊接小血管及皮肤19等基础研究的基础上又对大白鼠胆总管进行了焊接研究20。激光焊接疗法与与传统的缝合方法比较激光焊接具有吻合速度

15、快愈合过程中没有异物反应，保持焊接部位的机械性质，被修复组织按其原生物力学性状牛长等优点21，将在以后的生物医学中得到更广泛的应用。在其他行业中，激光焊接也逐渐增加，特别是在特种材料焊接方面，我国进行了许多研究，如对BT20钛合金22、HE130合金23、Liion24电池 等激光焊接。德国玻璃机械制造商Glamaco Coswig公司与IFW 接合技术与材料实验研究院合作开发出了一种用于平板玻璃的激光焊接新技术。激光焊接的激光发生器及其工艺发展趋势目前的激光焊接所使用的激光器主要为大功率CO2，激光器和脉冲Nd：YAG激光器，对于CO2气体激光要解决大功率激光器的放电稳定性，对于YAG 固体

16、激光器要研制大容量、长寿命的光泵激励光源。光纤激光器具有高转换效率和极低损耗，极好光束质量、高效率和可靠性，并且结构非常紧凑，在不远的将来，单光纤、单模光纤的输出功率将超过千瓦级，在激光焊接领域将得到应用。采用直接二极管阵列激光输出波长在近红外区域的激光平均功率已达lkW，光电转换效率接近50，这些激光设备和技术，将在焊接应用方面发挥更大的作用。在激光光束质量及加r外罔装置方面，应研究各种激光加工工艺对激光光束的质量要求、激光光束和加工质量监控技术、光学系统及加工头设计和研制，开展焊接 艺及材料、焊接T艺对设备要求及焊接过程参数监测和控制技术研究，从而掌握普通钢材、有色金属及特殊钢材的焊接工艺

17、。激光焊接设备的智能化控制激光焊接监控自动化的关键之一是熔池的实时监视，因此，跟踪传感器的选择成了一个至关重要的前提：在所有传感器中，光学传感器以其灵敏度和测量精度高，动态特性好，与I 件无接触及包含的信息量大等特点，成为发展最快的跟踪传感器。而CCD（Chargecoupled Device电荷耦合装置 集成光学器件的应用，又使得光学传感器上升到视频传感的新高度25。激光焊接的优点之一是焊接速度快，薄板的焊接速度可达10mmin以上26，但在高速连续的焊接过程中，如果出现焊接缺陷，将在极短的时间内造成大量的废品。实现在线的激光焊接质量监测是保汪质量十分重要的环节，华中科技大学设计的信号处理及

18、反馈控制系统，通过将声、光传感器所采集的信号放大、滤波、双限比较后进行AD转换，再将数字信号由微机进行处理等，对激光输出功率、焊接速度、离焦量等r艺参数进行控制实现最佳工艺参数27。解决熔透问题，基本前提是对激光焊接过程进行实时检测和控制，提取激光焊接的特征信号。复合焊接人们在广泛应用激光焊接技术的同时，不断地对其进行深入的研究，发现它有一定的缺点：在激光焊接过程中，母材受热熔化、汽化，形成深熔小孔，孔中充满金属蒸汽，金属气体 激光作用形成等离子云。等离子云吸收、反射激光，降低金属材料对激光的吸收率，使激光的能量利用率降低；对焊接母材端面接要求高， 容易产生错位；容易生成气孔疏松和裂纹；焊后在

19、母材端面之问的接口部位存在凹陷，焊接过程不稳定等。为减少或消除单热源激光焊接的缺陷，人们在保持激光加热优点的基础上，利用其他热源的加热特性来改善激光对工件的加热，从而把激光与其他热源一起进行复合热源焊接，主要有激光与电弧、激光与等离子弧、激光与感应热源复合焊接以及双激光束焊接等。激光与电弧焊接结合起来，这种复合工艺综合了激光与电弧的优点，即将激光的高能量密度和电弧的较大加热区组合起来，其优点：1）可增加焊接熔深；2）提高焊接速度与生产率；3）改善接头性能；4）降低设备成本，同时通过激光与电弧的相互作用，来改善激光能量的耦合特性和电弧的稳定性，以获得一种综合的效果，但是由于电弧的引入增加了焊接的

20、热输入，从而使焊接热影响区和热变形增大。激光焊机焊接是利用激光束作为热源的一种热加工工艺，它与电子束等离子束和一般机械加工相比较，具有许多优点。激光束的激光焦点光斑小，功率密度高，能焊接一些高熔点、高强度的合金材料。激光焊接是无接触加工，没有工具损耗和工具调换等问题。激光焊机焊接热影响区小，材料变形小，无需后续工序处理。激光可通过玻璃焊接处于真空容器内的工件及处于复杂结构内部位置的工件。激光束易于导向、聚焦，实现各方向变换。激光焊接与电子束加工相比较，不需要严格的真空设备系统，操作方便。激光焊接生产效率高，加工质量稳定可靠，经济效益和社会效益好。激光焊机用来封焊传感器金属外壳是一种最先进的加工

21、工艺方法，主要基于激光焊接有以下特点高的深宽比。焊缝深而窄，焊缝光亮美观。最小热输入。由于功率密度高，熔化过程极快，输入工件热量很低，焊接速度快，热变形小，热影响区小。高致密性。焊缝生成过程中，熔池不断搅拌，气体易出，导致生成无气孔熔透焊缝。焊后高的冷却速度又易使焊缝组织微细化，焊缝强度、韧性和综合性能高。强固焊缝。高温热源和对非金属组份的充分吸收产生纯化作用，降低了杂质含量，改变夹杂尺寸和其在熔池中的分布，焊接过程中无需电极或填充焊丝，熔化区受污染小，使焊缝强度、韧性至少相当于甚至超过母体金属。精确控制。因为聚焦光斑很小，焊缝可以高精度定位，光束容易传输与控制，不需要经常更换焊炬、喷咀，显著

22、减少停机辅助时间，生产效率高，光无惯性，还可以在高速下急停和重新启始。用自控光束移动技术则可焊复杂构件。非接触、大气环境焊接过程。因为能量来自激光，工件无物理接触，因此没有力施加于工件。另磁和空气对激光都无影响。由于平均热输入低，加工精度高，可减少再加工费用，另外，激光焊接运转费用较低，从而可降低工件成本。容易实现自动化，对光束强度与精细定位能进行有效控制。激光焊接的控制在激光焊接熔透控制研究中，建立熔池形状参数与焊接工艺间的关系是关键问题，在实验过程中，对熔池形状信息获知越丰富，对焊接过程熔透控制的效果越理想。许多学者根据激光深熔焊中的小孔机制，对激光焊接的温度场、液体流动及小孔形状、尺寸进

23、行了计算并取得了一定效果。激光焊工艺参数及其说明激光焊接技术的内涵激光焊接顾名思义就是传统焊接技术与现代激光科技的结合，其主要是利用利用高能量密度的激光束作为热源的一种高效精密焊接方法，利用激光本身的高度聚焦，在短时间内形成强烈的脉冲，从而对材料进行加工和切割。相对于传统焊接而言，其本身精度更高，更加的灵敏，焊接小了也更高，因而适用于在材料的微小区域进行焊接。激光焊接技术借助于特定的戒指的往复振荡，将其转化为高辐射能量，并且对这一辐射能量进行聚焦，由此超过材料的燃点，最终实现不同材料之间的粘连。从现代激光焊接的发展现状以及特点来看，其主要分为两类，一是激光深焊接，其主要是通过将大功率激光束直接

24、投射到材料表面，利用热能与光能的转化，从而使得材料在持续照射下软化直至融化；另一类是是热传导焊接技术，与激光深焊接的主要差异在于材料表层的热量通过热传导方式继续向材料内部传送，最终实现使焊接材料合二为一。上述两种激光焊接其主要是利用了不同能量之间的转换从而实现了对于不同材料的粘连，即实现了焊接。由于激光焊接本身精度更高，更加容易对能量进行聚焦，因而更加容易控制，且能够实现较远距离的焊接，因此其本身的应用更多的是在现代高新技术行业，例如电子器件以及仪表器件等对于焊接精度要求较高的行业，借助于其独特的优点，目前已成功应用于微、小型零件的精密焊接中。而未来随着现代科学技术的发展以及不断进步，对于激光

25、焊接的应用以及发展也变得更加的多元化，从而形成更多的分类，例如双光束复合焊、激光-MIG复合焊、激光-电弧复合焊等等，他们的出现无疑能够进一步拓宽激光焊接技术的应用领域，提升整体传统制造业的焊接效率和精准度。（1）功率密度。 功率密度是激光加工中最关键的参数之一。采用较高的功率密度，在微秒时间范围内，表层即可加热至沸点，产生大量汽化。因此，高功率密度对于材料去除加工，如打孔、切割、雕刻有利。对于较低功率密度，表层温度达到沸点需要经历数毫秒，在表层汽化前，底层达到熔点，易形成良好的熔融焊接。因此，在传导型激光焊接中，功率密度在范围在104106W/CM2。（2）激光脉冲波形。 激光脉冲波形在激光

26、焊接中是一个重要问题，尤其对于薄片焊接更为重要。当高强度激光束射至材料表面，金属表面将会有6098%的激光能量反射而损失掉，且反射率随表面温度变化。在一个激光脉冲作用期间内，金属反射率的变化很大。（3）激光脉冲宽度。 脉宽是脉冲激光焊接的重要参数之一，它既是区别于材料去除和材料熔化的重要参数，也是决定加工设备造价及体积的关键参数。（4）离焦量对焊接质量的影响。 激光焊接通常需要一定的离焦量，因为激光焦点处光斑中心的功率密度过高，容易蒸发成孔。离开激光焦点的各平面上，功率密度分布相对均匀。离焦方式有两种：正离焦与负离焦。焦平面位于工件上方为正离焦，反之为负离焦。按几何光学理论，当正负离焦平面与焊

27、接平面距离相等时，所对应平面上功率密度近似相同，但实际上所获得的熔池形状不同。负离焦时，可获得更大的熔深，这与熔池的形成过程有关。实验表明，激光加热50200us材料开始熔化，形成液相金属并出现部分汽化，形成高压蒸汽，并以极高的速度喷射，发出耀眼的白光。与此同时，高浓度汽体使液相金属运动至熔池边缘，在熔池中心形成凹陷。当负离焦时，材料内部功率密度比表面还高，易形成更强的熔化、汽化，使光能向材料更深处传递。所以在实际应用中，当要求熔深较大时，采用负离焦；焊接薄材料时，宜用正离焦。（5）焊接速度。焊接速度的快慢会影响单位时间内的热输入量，焊接速度过慢，则热输入量过大，导致工件烧穿，焊接速度过快，则

28、热输入量过小，造成工件焊不透。激光焊接是将高强度的激光辐射至金属表面，通过激光与金属的相互作用，金属吸收激光转化为热能使金属熔化后冷却结晶形成焊接。图1显示在不同的辐射功率密度下熔化过程的演变阶段，激光焊接的机理有两种：（1）热传导焊接；（2）激光深熔焊。激光焊接的焊缝形状对于大功率深熔焊由于在焊缝熔池处的熔化金属，南于材料的瞬时汽化而形成深穿的闭孔空腔，随着激光束与工件的相对运动使小孔周边金属不断熔化、流动、封闭、凝同而形成连续焊缝，其焊缝形状深而窄，即具有较大的熔深熔宽比，在高功率器件焊接时，深宽比可达5：1，最高可达10：12。图2显示四种焊法在316不锈钢及DUCOL W30钢上的焊缝

29、截面形状的比较，对比的结论有以下几点：（1）激光焊与电子束焊、钨极惰性气体电弧焊、等离子焊的主要优点相似：焊缝窄、穿透性强、焊缝两边平、热影响区小（2）电弧焊和等离子焊投资少，广泛应用了很多年，经验比较多；（3）激光焊和电子束焊须在真空或局部真空中进行，也可在空气中，但电子束穿透能力比激光差；（4）激光焊和电子束焊，焊缝窄且热影响区小因而变形小。激光焊接焊缝的组织性能大功率激光焊接，因其能量密度极高，被焊工件经受快速加热和冷却的反复作用，使得焊缝和热影响区域极窄，硬度远远高于母材3，该区域的塑性相对较低。为了降低接头区域的硬度，应采取焊接前预热和焊后回火等相应的工艺措施。在激光焊接中，现行焊接 艺一般不需要填充金属。在这种情况下，焊缝的组织和硬度主要南钢板的化学成分和激光照射条件来决定。采用填充焊丝的激光焊接南于可以选择任意合金成分的焊丝作为最佳的焊缝过渡合金，因而可以保证两侧母材的联结具有最佳性能4 。 传感器密封焊接采用的方法有：电阻焊、氩弧焊、电子束焊、等离子焊等。1