激光焊接技術(shù)范文

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篇1

關(guān)鍵詞：激光焊接；焊接性能

中圖分類號：TB756 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-8937（2014）32-0016-03

傳統(tǒng)的焊接方法一般都有焊接溫度高、工藝過程復(fù)雜、焊接條件苛刻等特點，特別是高的焊接溫度，容易帶來許多問題，如對材料的物理性能（如熱膨脹系數(shù)）的不匹配更為敏感，或者可能引起工件變形甚至材料的有些性質(zhì)（如光學(xué)性質(zhì)）喪失或改變。對于非金屬材料的連接，傳統(tǒng)的方法有釬焊、熱壓擴散焊等。現(xiàn)在又發(fā)展了許多新技術(shù)，包括摩擦焊、電子束焊接、超聲波焊接、中性原子照射法等。比如對玻璃與金屬的封接，傳統(tǒng)的方法采用熔接或者膠接。熔接溫度高、接頭應(yīng)力高，而膠接連接強度不高、不耐腐蝕、容易老化等。

現(xiàn)代激光焊接技術(shù)已經(jīng)有了較大的發(fā)展，激光焊接是一種利用激光束與材料相互作用的原理來實現(xiàn)材料固態(tài)連接的一種焊接方法，在某種程度上可以克服一些傳統(tǒng)方法存在的問題。

1 激光器

1960年，世界上的第一個激光束利用閃光燈泡激發(fā)紅寶石晶粒所產(chǎn)生，因受限于晶體的熱容量，只能產(chǎn)生很短暫的脈沖光束且頻率很低。雖然瞬間脈沖峰值能量可高達(dá)10～6瓦，但仍屬于低能量輸出。使用釹（Nd）為激發(fā)元素的釔鋁石榴石晶棒（Nd：YAG）可產(chǎn)生1～8 kW的連續(xù)單一波長光束。YAG激光波長為1.06 um，可以通過柔性光纖連接到激光加工頭，設(shè)備布局靈活，適用焊接厚度0.5～6 mm的焊接件。使用CO2為激發(fā)物的CO2激光（波長10.6 um），輸出能量可達(dá)25 kW，可做出2 mm板厚單道全滲透焊接，工業(yè)界已廣泛用于金屬的加工上。

激光焊接屬于熔融焊接，以激光束為能源，沖擊在焊件接頭上。激光束可由平面光學(xué)元件（如鏡子）導(dǎo)引，隨后再以反射聚焦鏡片或元件將光束投射在焊縫上。激光焊接屬于非接觸式焊接，作業(yè)過程不需加壓，但需使用惰性氣體以防止熔池被空氣氧化，填料金屬偶有使用。激光焊可以與MIG焊組成激光MIG復(fù)合焊，實現(xiàn)大熔深焊接，同時熱輸入量比MIG焊大為減小。

Nd：YAG激光器的結(jié)構(gòu)由全反射鏡、工作物質(zhì)、玻璃套管、部分反射鏡、聚光鏡、氙燈、電源等組成。當(dāng)電源打開后，氙燈為工作物質(zhì)提供光能，玻璃套管濾去氙燈發(fā)出的紫外線，聚光鏡將氙燈發(fā)出的光能聚集在工作物質(zhì)上。激光在諧振腔內(nèi)來回反射共振，激光能量得到加強和改善。當(dāng)激光能量密度達(dá)到部分反射鏡界限時，透過部分反射鏡發(fā)射出激光。其中工作物質(zhì)是激光器的核心，將氙燈中部分光能轉(zhuǎn)換為相干光。固體激光器的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

2 激光同金屬材料間的相互作用

金屬材料中存在著大量的自由電子，這些自由電子在受到光頻電磁波的作用時，會被強迫振動而產(chǎn)生次波。而這些次波又會形成較弱的透射波和強烈的反射波。透射波部分在很薄的金屬表層被吸收，造成激光在金屬表面具有較高的反射比。而特別對紅外光而言，其光子的能量較相對較低，光頻電磁波僅只能對金屬中的自由電子起作用。對光子的能量較高的紫外光或可見光來說，由于金屬中的束縛電子的固有頻率處在紫外光或可見光頻段，因而能對金屬中的束縛電子發(fā)生作用。對束縛電子的作用，使金屬的反射能量降低、透射能力加強，增強了金屬對激光的吸收，使金屬呈現(xiàn)出某非金屬的光學(xué)性質(zhì)。

對于波長為10.6 μm的紅外波和波長為0.25 μm的紫外波的測量結(jié)果表明：光波在各種大多數(shù)金屬中穿透的深度能達(dá)到10 nm的數(shù)量級。其吸收系數(shù)大約為105～106 cm-1。

在激光光束的作用下，大多數(shù)金屬的光學(xué)性質(zhì)會發(fā)生改變。輻射作用下，可以得到在通常情況下它們的反射系數(shù)會相應(yīng)減小的結(jié)果。實質(zhì)上這是一種熱效應(yīng)，正是這種熱效應(yīng)使的金屬對熱損耗變得很敏感。在紅外波段，當(dāng)反射系數(shù)較大時，熱損耗更是如此。一般情況下，材料的吸收特性是通過計算發(fā)射率來進(jìn)行推導(dǎo)的，這是因為材料的發(fā)射率？著？姿？姿（T）通常是由下式給出的：

？著？姿（T）=1-R（T）（1）

式（1）中，λ為波長；Rλ為反射率；T指的是材料表面溫度數(shù)值。一般來說，？著？姿（T）是隨λ和T的變化而改變。

假設(shè)有一種表面沒有氧化金屬材料，若將其且置于真空中，則可通過公式計算其發(fā)射率。垂直入射時，材料的發(fā)射率為：

？著？姿（T）=（2）

式（2）中，K2為消光系數(shù)；n1為復(fù)發(fā)射率的實部。對該金屬材料來說，K2和n1均是λ和T的函數(shù)。

一般來說，電子與晶格的相互碰撞時間很短。所以，整體上金屬的反射系數(shù)存在隨溫度升高而減小規(guī)律。另外，熱金屬相對冷金屬較活躍，由于金屬表面存在的化學(xué)反應(yīng)（如氧化等），容易發(fā)生反射率不可逆的變化規(guī)律，但在高真空環(huán)境下，除此規(guī)律不可應(yīng)用。

當(dāng)前，可靠的實驗數(shù)據(jù)相對還比較少見，特別是在熱金屬的反射系數(shù)方面。但在紅外波段，我們可以獲得如下述描述，即認(rèn)為金屬的總吸收系數(shù)可由三大部分組成：自由電子（fe），帶間躍遷（ib）和表面效應(yīng)（surf），亦即：

1-R≈（1-R）（fe）+（1-R）ib+（1-R）（surf）（3）

但是，關(guān)于式中后兩項同溫度間的依賴關(guān)系，這里并沒有系統(tǒng)而全面地論述，它們賴于能帶所處的能態(tài)、能帶精細(xì)結(jié)構(gòu)、表面金屬的反應(yīng)能力。然而，在假設(shè)自由電子的密度與溫度無關(guān)的條件下，我們可以將自由電子項與直流電導(dǎo)率σ0的溫度關(guān)系聯(lián)系在一起，而后者常是已知的。

金屬材料的發(fā)射率與溫度、金屬電阻率有關(guān)，可用下式進(jìn)行計算：

？著？姿（T）=0.365[r20（1+？酌T）/？姿]1/2-0.0667[r20（1+？酌T）/？姿]1/2+-0.006[r20（1+？酌T）/？姿]1/2（4）

式（4）中，r20為20 ℃時的電阻率；？酌為電阻率隨溫度變化的系數(shù)；T為溫度。

工件對激光束能量的利用率決定于吸收率，金屬對光束的吸收率越大，激光釬焊越易進(jìn)行。材料對激光束的吸收主要取決于激光的波長、材料電阻系數(shù)和材料的表面狀態(tài)。

研究表明，在金屬熔化以前，吸收率隨溫度的增加而增加；當(dāng)溫度達(dá)到熔點時，吸收率急劇增加。多數(shù)金屬在熔化時其導(dǎo)電率急劇減小，減小到常溫時的1/2～1/3，這必然會導(dǎo)致反射率與導(dǎo)熱率的突變。

3 激光同非金屬材料間的相互作用

3.1 非金屬材料吸收激光時的反應(yīng)

非金屬與金屬大為不同，它對激光有較低的反射比，相反對應(yīng)的吸收比相對較高。對應(yīng)不同結(jié)構(gòu)特征非金屬，對不同波長激光具有強烈的選擇性。

在沒有收到激發(fā)時，半導(dǎo)體與絕緣體僅存在束縛電子，其中束縛電子不僅具有一定的固有頻率v0，同時其值由電子躍遷時的能量變化E決定，且有：

v0=E/h，

其中h為普朗克常量。但是當(dāng)材料內(nèi)束縛電子的固有頻率等于或約等于入射光波頻率時，內(nèi)部束縛電子會發(fā)生強烈諧振，輻射出次波，形成較強的透射波和較弱的反射波。但在該諧振頻率周圍，材料的反射比和吸收系數(shù)都是增加的，出現(xiàn)反射峰值和吸收值峰；而在其它頻率下，如果是均勻的半導(dǎo)體或絕緣體，按其本性應(yīng)該是透明的，且具有較低的反射比，較小的吸收系數(shù)。

一般情況下，半導(dǎo)體具有多個諧振頻率，并以其中價帶電子向?qū)кS遷產(chǎn)生的諧振最為重要。這種躍遷常叫做本征吸收或本征電離，又稱為電子的帶間躍遷。受激光照射時的半導(dǎo)體中，處于價帶的電離會因吸收光子而受激躍遷到導(dǎo)帶。電子躍遷時，根據(jù)有無聲子的帶間躍遷，可將躍遷分為間接躍遷和直接躍遷。這兩種要求最小光子能量應(yīng)均等于禁帶寬度的能量。然而，當(dāng)帶間躍遷產(chǎn)生足夠多的載流子對時，他們會反過來影響被照射材料物質(zhì)對激光的吸收。其中，半導(dǎo)體的的禁帶寬度應(yīng)對于可見光或紅外光光譜，而絕緣體的禁帶寬度應(yīng)于對紫外光光譜。此外，在熱或光的作用下，濃度較高的半導(dǎo)體自由載流子，會呈現(xiàn)出某種金屬的光學(xué)性質(zhì)。

除電子躍遷外，大多數(shù)非金屬當(dāng)然也可以通過有機物分子間的相對振動或者晶體點陣來進(jìn)行能量耦合。

3.2 激光與透明固體的作用

光束能夠引起得固體光學(xué)的性質(zhì)的所有變化，可以將其歸結(jié)為三種，可從按照輻照度增大的排列順度。它們分別是：

①熱的產(chǎn)生導(dǎo)致材料的電子性質(zhì)或密度發(fā)生改變，其中有關(guān)的效應(yīng)是：透明介質(zhì)中間的熱自聚焦，以及金屬和半導(dǎo)體中的“熱逃逸”現(xiàn)象。

②絕緣體和半導(dǎo)體中發(fā)生的自由載流的光學(xué)現(xiàn)象，是由碰撞電離或帶間躍遷引起的，導(dǎo)致明顯增大吸收系數(shù)，甚至?xí)锌赡芤饑?yán)重的爆炸性的材料損傷。

③強光束的電場使整個分子或電子軌道發(fā)生非線性畸變自聚焦和多光子吸收等許多非線性光學(xué)現(xiàn)象，都是由電場效應(yīng)而引起的自聚焦。而僅只有滯后部分的脈沖能經(jīng)歷自聚焦，能有效地抑制短脈沖自聚焦出現(xiàn)的方法是馳豫效應(yīng)。

另外，自聚焦并不僅只局限于窄的高斯光束，如果能夠調(diào)制足夠好的光束橫截面，則任意一種直徑的高斯光束都會產(chǎn)生自聚焦，使眾多夠強的峰值功率，可以彼此獨立地產(chǎn)生自聚焦而導(dǎo)致寬的強光束，并會在非線性介質(zhì)中，形成許許多多細(xì)小的絲狀路徑。

在激光同材料相互間作用時，激光引起的沖擊力和吸收能量的材料都將使受作用的材料部分向外膨脹。若每一部分材料都能夠自由膨脹，則雖有變形，材料也不會出現(xiàn)破壞或應(yīng)力。若各個部分的材料都不能自由膨脹，則各部分之間會產(chǎn)生應(yīng)力或爆炸破壞，因為他們之間相互制約。

激光同透明固體材料間相互作用的過程，是部分材料受激光輻射的過程，而本身材料是連續(xù)體，因而激光的作用將使材料內(nèi)部產(chǎn)生力學(xué)效應(yīng)，諸如應(yīng)力波、自聚焦或爆炸破壞等。

4 激光參數(shù)對焊接性能的影響

影響激光焊接過程中焊接性能的因素，主要有激光功率密度、激光光速直徑、材料本性、焊接速度等。

激光的功率密度必須在104～106 W/cm2范圍內(nèi)方能進(jìn)行激光焊接。

激光的光束直徑應(yīng)根據(jù)焊縫的寬度進(jìn)行調(diào)整，選擇同釬料寬度相差不大的光斑直徑，以盡量減小焊接熱影響區(qū)的大小。

材料對光能量的吸收決定了激光深熔焊的效率，影響材料對激光吸收的因素有兩個方面：一是材料的電阻系數(shù)。研究發(fā)現(xiàn)，激光對材料的吸收率與電阻系數(shù)的平方根成正比。二是材料的表面狀態(tài)。有時材料對激光的吸收率較低，可采用表面處理的方法改變材料表面性能，提升對材料的吸收率。

在一定的激光功率下，提高焊接速度，激光的線能量下降，激光對材料作用的熱量就相對減少；反之，激光對材料作用的熱量增加。

5 結(jié) 語

激光焊接可將入熱量降到最低的需要量，熱影響區(qū)金相變化范圍小，且因熱傳導(dǎo)所導(dǎo)致的變形亦最低。激光焊接焊接速度快，可降低厚板焊接所需的時間甚至可省掉填料金屬的使用。激光焊接不需使用電極，沒有電極污染或受損的顧慮，且因不屬于接觸式焊接制程，機具的耗損及變形接可降至最低。激光束易于聚焦、對準(zhǔn)及受光學(xué)儀器所導(dǎo)引，可放置在離工件適當(dāng)之距離，且可在工件周圍的機具或障礙間再導(dǎo)引，其他焊接法則因受到上述的空間限制而無法發(fā)揮。激光束可聚焦在很小的區(qū)域，可焊接小型且間隔相近的部件。激光焊接可焊材質(zhì)種類范圍大，可焊接不同物性（如不同電阻）的兩種金屬，亦可相互接合各種異質(zhì)材料。

參考文獻(xiàn)：

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篇2

關(guān)鍵詞：激光焊接；汽車；發(fā)展

Abstract: This paper mainly introduces the current situation of the development of laser welding technology and basic principle, expounds the characteristics of laser welding technology and its application in the automobile industry, because the laser welding technology has the advantages of high welding quality, high production efficiency, easy to realize automation, thus the laser welding technology has been widely used in automotive industry, but the equipment investment the problems of laser welding also limits the application of laser welding technology in the wider area.

Key words: laser welding; automobile; development

中圖分類號: TG456.7

激光焊接技術(shù)是一種重要的材料連接方法，早在1964年就有人開始在薄小零件的焊接中應(yīng)用激光焊接技術(shù)，激光焊接因其具有高密度能量、穿透能力強、焊接精度高、焊接柔性大等優(yōu)點，在航空、航天、電子、汽車、輪船等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。20世紀(jì)90年代初，歐美等國家已把激光焊接技術(shù)應(yīng)用在農(nóng)業(yè)等行業(yè)中。在汽車工業(yè)中，無論是車身的組裝，還是汽車零部件的生產(chǎn)，激光焊接技術(shù)都得到了廣泛的應(yīng)用[1]。

幾十年來，我國科研工作者也對激光焊接技術(shù)開展了廣泛而深入的研究，在焊接工藝優(yōu)化、焊接接頭組織性能演變機制等方面取得了大量研究成果。激光焊接技術(shù)具有其他焊接技術(shù)無法比擬的優(yōu)勢和特點，與其他焊接技術(shù)相比，激光焊接技術(shù)焊接速度快、深度大、變形較小。焊接設(shè)備組成較簡單、搭配靈活，同時激光焊接的應(yīng)用范圍較廣，能對各種易焊和難焊材料實施焊接[2]。但是，激光焊接技術(shù)對焊接設(shè)備精度的要求也較高，對技術(shù)人員的操作水平要求也高，激光焊接設(shè)備的成本代價也比其他焊接設(shè)備的成本要高出很多[3]，這在一定程度上阻礙了激光焊接技術(shù)的應(yīng)用范圍。但隨著激光焊接技術(shù)的不斷發(fā)展運用和技術(shù)的成熟，激光焊接已經(jīng)成為很多領(lǐng)域的必備工序。

1. 激光焊接技術(shù)的原理及特點

激光是一種發(fā)散性極小、能量密度極高的光源。利用激光這種特有的特性，將經(jīng)過偏光鏡反射的集中在聚焦裝置中的高強度激光光束照射到需要焊接的材料或工件表面，高強度的光能被材料吸收利用，轉(zhuǎn)化為熱量并將照射材料融化，從而實現(xiàn)材料或工件的連接，這就是激光焊接技術(shù)的基本原理[4]。與傳統(tǒng)的焊接技術(shù)相比，激光焊接技術(shù)具有很多優(yōu)點，由于激光光束高度的收斂集中，可以進(jìn)行較深的焊接，焊接時焊縫的寬度也就相應(yīng)的很窄，接頭區(qū)中高溫區(qū)域的縮小使工件的變形率降低，極大程度地提高了加工精度；激光焊接時，激光光束照射到焊接工件上，釋放出極高的熱量，即使是熔點很高的材料，照射部位也能被瞬間融化，這樣就提高了焊接速度，且焊接后工件接頭區(qū)域的表面平整完好，基本上不用進(jìn)行二次清理，節(jié)約了冗余工序和相應(yīng)的成本；另外，激光光束比較容易操控，可以精確的定位到焊接區(qū)域，易于進(jìn)行高自動化程度的焊接作業(yè)。

2. 激光焊接技術(shù)在汽車工業(yè)中的應(yīng)用

2.1激光焊接在汽車制造中的應(yīng)用

在汽車制造中，激光焊接技術(shù)主要應(yīng)用于汽車車身的制造和汽車相關(guān)零部件的制造[5]。采用激光拼焊工藝獲得的焊接接頭質(zhì)量優(yōu)良，且焊縫轉(zhuǎn)接也較為平穩(wěn)，可以大幅改善汽車零部件的抗沖擊性和抗疲勞性能。激光焊接技術(shù)應(yīng)用于汽車車身制造中可以減輕結(jié)構(gòu)件和零配件的使用數(shù)量，減輕整車重量，節(jié)約制造成本。近年來，發(fā)達(dá)國家在家用轎車制造中近60%的零部件已采用激光焊接技術(shù)，廣泛應(yīng)用于變速齒輪、半軸、傳動軸、離合器等汽車部件的制造[6]。

2.2激光焊接應(yīng)用現(xiàn)狀

把激光焊接技術(shù)應(yīng)用于汽車工業(yè)中最早的國家是德國。早在90年代中期，德國奧迪汽車公司就已經(jīng)有三百多萬輛轎車安裝上了用激光焊接的底板和車身輔助構(gòu)架。目前，在車身結(jié)構(gòu)焊接方面處于世界領(lǐng)先地位的是德國大眾汽車公司，該公司生產(chǎn)的的包括Golf、Passat、Polo等在內(nèi)的多種車型的車頂、車門等主要部位的焊接幾乎全部采用激光焊接技術(shù)，有效實現(xiàn)了減噪，也使得車身的結(jié)構(gòu)設(shè)計更加安全。盡管目前激光焊接技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到了相當(dāng)高的水平，但是人們對于激光焊接技術(shù)更深層次的探索從未停止過，國外已經(jīng)著手開始研究新的項目——用遠(yuǎn)程激光焊來焊接柔性車身。相信激光焊接技術(shù)會伴隨汽車工業(yè)的發(fā)展而不斷更新和進(jìn)步，并促進(jìn)汽車工業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展。

目前，激光焊接技術(shù)在汽車工業(yè)，特別是中高檔汽車工業(yè)的生產(chǎn)中的應(yīng)用已經(jīng)比較普遍。寶馬、凱萊斯勒一奔馳、通用、福特、大眾、豐田、亞菲特等各大汽車公司，都已經(jīng)建立了自己的激光加工生產(chǎn)線。僅美國通用公司就擁有200多臺激光器。激光焊接主應(yīng)用于車身框架的拼焊和汽車零部件的焊接。比如，為提高汽車車身機構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性，在汽車頂蓋和側(cè)面車身的焊接基本上已經(jīng)全部采用激光焊接技術(shù)，傳統(tǒng)的電阻焊已逐步被淘汰。變速器齒輪、氣門挺桿和車門鉸鏈等零部件，也已廣泛地采用了激光焊接技術(shù)，提高了這些部件的質(zhì)量和精度，也使得汽車整體性能有所提高[7]。

3. 激光焊接技術(shù)在汽車工業(yè)中應(yīng)用所面臨的問題

當(dāng)前，激光焊接技術(shù)在汽車工業(yè)中的應(yīng)用也面臨一些問題。第一，激光焊接一次性的設(shè)備投入要比傳統(tǒng)焊接的設(shè)備投入要高得多，焊接過程中單位時間內(nèi)的的成本也比傳統(tǒng)焊接高，一些規(guī)模相對較小的汽車公司就無力承擔(dān)這些昂貴的設(shè)備投入，影響了激光焊接技術(shù)的普及和應(yīng)用。第二，在激光焊接中實現(xiàn)利用計算機進(jìn)行結(jié)果預(yù)測和質(zhì)量監(jiān)管的技術(shù)問題有待進(jìn)一步研發(fā)和提高。由于激光焊接速度快、精密度高，在焊接前準(zhǔn)確預(yù)測焊接結(jié)果并實現(xiàn)對焊接質(zhì)量的有效控制是提高激光焊接效率和焊接質(zhì)量、節(jié)約成本和工序的關(guān)鍵所在，這項技術(shù)目前還不能夠完全實現(xiàn)，激光焊接研究工作者仍需在這些方面進(jìn)行進(jìn)一步的探索研究[8]。

參考文獻(xiàn):

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篇3

[關(guān)鍵詞]激光焊接；工作機理；工藝參數(shù)

中圖分類號：TN249 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-914X（2017）07-0370-01

一、激光焊接技術(shù)的工作機理

20世紀(jì)60年代以來，伴隨CO2、YAG等激光器的誕生，研究人員們也迅速將其利用到了焊接技術(shù)中，進(jìn)而開發(fā)了激光焊接技術(shù)，它的開發(fā)和應(yīng)用為焊接行業(yè)帶來了新的希望，并且很快被廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域中。激光焊接技術(shù)的工作機理由于激光器的不同也各有差異，因而，根據(jù)激光器提供的功率密度的大小可以將激光焊接技術(shù)分為兩類，一是激光傳熱熔化焊，二是激光深熔焊，他們的工作機理也各不相同。激光傳熱熔化焊所使用的激光器功率密度為105～106w/cm2，其工作機理是被焊工件表面吸收激光束熱量，然后利用熱傳導(dǎo)效應(yīng)在工件表面形成一定體積的熔池，使被焊部位熔化，然后進(jìn)行焊接工作。激光深熔焊所使用的激光器功率密度為106～108w/cm2，其工作機理為利用激光器功率密度高的特點，使材料達(dá)到瞬間汽化進(jìn)而在表面形成圓孔空腔，然后再通過控制激光束與工件間的相對運用使空腔附近的金屬熔化，進(jìn)而完成焊接工作。

二、激光焊接的工藝參數(shù)

1、功率密度

單位面積內(nèi)激光功率稱為功率密度，它直接影響材料的升溫時間，激光功率越大，材料表面溫度升得就越快。高功率密度在切割、打孔等材料去除加工中得到廣泛的應(yīng)用。低功率密度易形成良好的熔融焊接，在傳導(dǎo)型激光焊接中，其數(shù)值控制在104～105W/cm2。

2、激光脈沖波形

當(dāng)高強度激光束射至材料表面，金屬表面將會有60～98%的激光能量反射而損失掉，尤其是金、銀、銅、鋁、鈦等材料反射強、傳熱快。一個激光脈沖訊號過程中，金屬的反射率隨時間而變化。當(dāng)材料表面溫度升高到熔點時，反射率會迅速下降，當(dāng)表面處于熔化狀態(tài)時，反射穩(wěn)定于某一值。

3、激光脈沖寬度

脈寬是脈沖激光焊接的重要參數(shù)，。脈寬由熔深與熱影響分區(qū)確定，脈寬越長熱影響區(qū)越大，熔深隨脈寬的1/2次方增加。但脈沖寬度的增大會降低峰值功率，因此增加脈沖寬度一般用于熱傳導(dǎo)焊接方式，形成的焊縫尺寸寬而淺，尤其適合薄板和厚板的搭接焊。但是，較低的峰值功率會導(dǎo)致多余的熱輸入，每種材料都有一個可使熔深達(dá)到最大的最佳脈沖寬度。

4、離焦量

激光焊接通常需要一定的離焦量，因為激光焦點處光斑中心的功率密度過高，容易蒸發(fā)成孔。離開激光焦點的各平面上，功率密度分布相對均勻。離焦方式有兩種：正離焦與負(fù)離焦。焦平面位于工件上方為正離焦，反之為負(fù)離焦。按幾何光學(xué)理論，當(dāng)正負(fù)離焦平面與焊接平面距離相等時，所對應(yīng)平面上的功率密度近似相同，但實際上所獲得的熔池形狀有一定差異。負(fù)離焦時，可獲得更大的熔深，這與熔池的形成過程有關(guān)。

5、焊接速度

焊接速度低會使焊接材料過度熔化，從而導(dǎo)致工件焊穿，而焊接速度過快又會使焊接的熔深過淺。所以在現(xiàn)實生產(chǎn)中對特定材料的厚度和激光功率有一個合理的焊接速度范圍。

三、激光焊接工藝與方法

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)定的焊接過程和更好的焊縫成形質(zhì)量，其基本方法是同時將兩臺或兩臺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。隨著激光焊接技術(shù)應(yīng)用范圍的擴大，為減小在厚板焊接，特別是鋁合金焊接時容易出現(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、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)域的研究熱點之一。該方法的提出是由于隨著工業(yè)生產(chǎn)對激光焊接的要求，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焊前工件的加工裝配要求過高，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對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，又具有間隙敏感性低、焊接適應(yīng)性好的特點，是一種優(yōu)質(zhì)高效焊接方法。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)合焊方法實現(xiàn)較為簡單，但最大缺點是熱源為非對稱性，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稱的復(fù)合熱源，大大提高焊接過程穩(wěn)定性，并可方便地實現(xiàn)二維和三維焊接。

四、激光焊接技術(shù)在封裝塑料中的運用

塑料的激光焊接技術(shù)主要用于普通焊接技術(shù)難以適應(yīng)的塑料制品（如高密度線路板）、形狀復(fù)雜的塑料件以及有嚴(yán)格潔凈要求的塑料制品（如醫(yī)藥設(shè)備、電子傳感器等）等。激光便于計算機控制，采用光纖激光器輸出激光束可使激光靈活地達(dá)到零件各個微小部位，能夠焊接其他焊接方法不易達(dá)到的區(qū)域。傳統(tǒng)焊接技術(shù)無法焊接的異型塑料也有機會加以良好焊接，如用激光可將能透過近紅外激光的聚碳酸脂（PC）和30%玻纖增強的黑色聚對苯二甲酸丁二醇酯（PBT）焊接在一起，而其他的焊接方法根本不可能將2種在結(jié)構(gòu)、軟化點和增強材料等方面如此不同的聚合物連接起來。

激光焊接技術(shù)被廣泛運用在被黏接的非常精密的塑料零部件材料（如電子元件）或要求無菌環(huán)境（如醫(yī)療器械和食品包裝）中。激光焊接技術(shù)速度快，特別適用于汽車塑料零部件的流水線加工。另外，可以將激光焊接技術(shù)運用在那些很y使用其它焊接方法黏接的復(fù)雜的幾何體中。目前國內(nèi)使用的塑料焊接技術(shù)主要有熱熔焊接、高頻焊接、振動摩擦焊接及超聲波焊接等。塑料的激光焊接技術(shù)在歐美發(fā)達(dá)國家已經(jīng)得到了一定程度的應(yīng)用。我國這方面的技術(shù)尚在起步階段。

近年來，激光二極管廣泛用于焊接及塑料的連接。激光焊接已用于制造汽車傳感器、調(diào)速控制箱及薄壁醫(yī)用管的精細(xì)焊接。激光焊接要求所焊接的2種塑料對同一波長的光有不同的反應(yīng)，其中一種材料對激光必須具有穿透力，而另一種必須可被激光吸收，激光從上方接合處的穿透性元件傳到下方可吸收元件，這樣輻射能量就被轉(zhuǎn)化成局域性的熱能，此熱能導(dǎo)致塑料的熔化。而透明塑料部位的熔化是通過與非透明材料的接觸性熱傳導(dǎo)所致。在外部夾具的施壓下，由局部加溫而產(chǎn)生的焊接處熱膨脹可形成牢固接縫。

五、結(jié)語

總之，通過多年的激光焊接技術(shù)的研究與開發(fā)，逐步建立了生產(chǎn)、研究、開發(fā)相結(jié)合的激光焊接發(fā)展體制，并在個別的技術(shù)環(huán)節(jié)和應(yīng)用方面取得了一定的研究成果。未來，激光焊接技術(shù)在民用領(lǐng)域的應(yīng)用也將更加廣泛，從而進(jìn)一步推動社會的發(fā)展和進(jìn)一步，為全人類造福。

參考文獻(xiàn)

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關(guān)鍵詞：激光焊接設(shè)備；激光器；激光束；專利

1 簡介

激光焊接技術(shù)是以激光束為能源，使其沖擊在焊件接頭上以達(dá)到焊接目的的技術(shù)。自從20世紀(jì)60年代初激光器誕生后，它在焊接領(lǐng)域的應(yīng)用潛力便引起人們的極大關(guān)注。隨著高功率CO2和YAG激光器以及光纖傳輸技術(shù)的完善，激光焊接的應(yīng)用范圍越來越廣，廣泛應(yīng)用于車身制造、船舶制造，甚至于大飛機的制造中[1]。

激光焊接設(shè)備主要包括激光器種類、激光束成形和控制、保護(hù)氣氛和噴嘴結(jié)構(gòu)三部。本文立足世界專利，以激光器種類、激光束成形和控制、保護(hù)氣氛和噴嘴結(jié)構(gòu)這三個方面的專利申請數(shù)據(jù)為分析樣本，對激光焊接設(shè)備的發(fā)展動向、主要競爭對手、專利分布狀況等情況進(jìn)行了分析。

2 激光焊接設(shè)備專利技術(shù)分析

為了對激光焊接設(shè)備的專利狀況進(jìn)行分析，我們選擇使用Patentics索[2]。該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫包括了中國發(fā)明、實用新型全文，美國授權(quán)、申請專利全文，EPO申請全文，WO申請全文以及世界專利英文摘要，足以覆蓋我們要檢索的專利數(shù)據(jù)。

檢索完成后，首先根據(jù)后續(xù)專利分析的需要，確定需要采集的字段，將數(shù)據(jù)導(dǎo)出和保存，Patentics得到的數(shù)據(jù)以EXCEL格式保存。在數(shù)據(jù)采集之后，需要對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行清理、標(biāo)引。數(shù)據(jù)標(biāo)引完成后，用EXCEL對標(biāo)引完的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，得到所需圖表，從圖表對激光焊接技術(shù)的專利狀況進(jìn)行分析。

2.1 發(fā)展趨勢分析

焊接設(shè)備技術(shù)分為保護(hù)氣氛和噴嘴、激光器種類和激光束成形和控制三個部分。圖1為焊接設(shè)備的技術(shù)構(gòu)成，從圖上可以看出，激光束成形和控制申請量為2495件，占47%，保護(hù)氣氛和噴嘴申請量為2103件，占40%，激光器種類申請量為678件，占13%?？梢?，激光束成形和控制技術(shù)與保護(hù)氣氛和噴嘴技術(shù)為焊接設(shè)備的研究重點。

圖2為焊接設(shè)備各技術(shù)分支的專利類型占比圖，由上圖可見，焊接設(shè)備的各個技術(shù)分支中均以發(fā)明專利為主，發(fā)明專利均占總體的百分之九十左右，實用新型申請量總體較少。其中，激光束成形和控制的發(fā)明專利2298件，占92.1%；激光器種類的發(fā)明專利605件，占89.2%；保護(hù)氣氛和噴嘴1961件，占93.2%。

圖3為焊接設(shè)備的專利申請量發(fā)展趨勢（因為發(fā)明專利一般在申請后18個月才公開，因此，2015、2016的專利申請量不是準(zhǔn)確的數(shù)值，故在圖3-4、6中2015、2016用虛線表示）。由圖3可以看出，焊接設(shè)備的申請從1977年開始，至1989年處于緩慢發(fā)展期，1990年申請量為40件，從此，焊接設(shè)備的申請量逐年增加；2000年申請量已經(jīng)達(dá)到251件，1990-2007處于穩(wěn)步發(fā)展期；2008年以來，焊接設(shè)備的申請量更是急速上升，2013年達(dá)到了340件。

圖4為焊接設(shè)備各技術(shù)分支的申請量發(fā)展趨勢，激光束成形和控制與保護(hù)氣氛和噴嘴兩個技術(shù)分支的發(fā)展趨勢與其所屬二級分支的發(fā)展趨勢基本一致，其中可以明顯看出在2013年兩者的申請量都達(dá)到了最高點，分別為98件和171件。激光器種類的申請量在三個技術(shù)分支中相對較少，2001年達(dá)到最高點41件，其后又緩慢減少。

2.2 技術(shù)來源國分析

圖5給出了焊接設(shè)備專利申請的技術(shù)來源國構(gòu)成。從圖中可以看出，日本是最主要的技術(shù)來源國，為2253件，占全球申請的43%；中國排在第二位，為913件，占全球申請的17%。排在第3、4位的分別是美國和德國，為668和485件，占全球申請的13%和9%。其他國家相對較少。

圖6給出了焊接設(shè)備四個主要技術(shù)來源國的申請趨勢。作為主要的技術(shù)來源國，日本、中國和美國上世紀(jì)90年代開始進(jìn)入穩(wěn)步發(fā)展期，2000年日本的申請量達(dá)到了最高點，有150件申請；而中國的申請量一直穩(wěn)步上升，達(dá)到了最高點，截至2016年11月中國2015年的申請量達(dá)到157件；2013年美國的申請量達(dá)到了最高點，有58件申請；2008年德國的申請量達(dá)到了最高點，有36件申請。相對而言，2010年以前，日本的申請量領(lǐng)先，2011年開始中國的申請量開始超過日本，這和我國政府的創(chuàng)新發(fā)展政策有關(guān)。

3 結(jié)束語

從上面的分析可知，激光束成形和控制的專利申請量幾乎占焊接設(shè)備專利申請總量的一半，保護(hù)氣氛和噴嘴的申請量占40%，可見這兩個分支是焊接設(shè)備的研究熱點，激光器種類的申請量較少，這是由于激光器種類有限且技術(shù)突破比較難。從全球來看，日本在焊接設(shè)備方面處于領(lǐng)頭羊的位置，雖然近幾年專利申請量低于中國，但是其地位還是不容小覷的。我國企業(yè)在焊接設(shè)備的研究應(yīng)多借鑒日本的專利申請，在專利布局方面也應(yīng)重點關(guān)注日本企業(yè)的專利，避免侵權(quán)。

參考文獻(xiàn)

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關(guān)鍵詞：高速鋼；異種金屬焊接；顯微組織；力學(xué)性能

中圖分類號：TG456.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

異種金屬焊接能夠充分利用各種材料的優(yōu)異性能，且能減少貴重金屬的使用，降低成本，因此，在工程機械、交通運輸、航空航天等行業(yè)得到廣泛應(yīng)用[1-3].作為金屬鋸切工業(yè)中的重要組成部分，帶鋸條產(chǎn)品以其鋸切效率高、鋸切損耗小[4-6]、適應(yīng)性廣等特點，在加工工業(yè)中發(fā)揮著其重要作用.近年發(fā)展起來并獲得廣泛應(yīng)用的雙金屬帶鋸條則是采用高速鋼作為鋸齒材料[7]，高強度鋼帶作為鋸帶背體材料[1，8]，通過焊接而實現(xiàn)鋸條齒部高耐熱性、耐磨及背部高強韌性的理想結(jié)合.由于高速鋼中碳以及W，Mo等高熔點元素含量高，焊接性差，同時，與高強度鋼的理化性質(zhì)（如線膨脹系數(shù)）相差較大，因此采用傳統(tǒng)的焊接工藝難以實現(xiàn)兩者的理想焊接[2，8-9].激光焊接具有功率密度高，光斑直徑小，能量集中，速度高，焊縫熱影響區(qū)小，熱變形小等優(yōu)點，因此，對含有高熔點合金元素的異種金屬焊接具有優(yōu)異性[1-2]，成為雙金屬帶鋸條的理想焊接方式.但目前就其焊接工藝對接頭組織性能影響規(guī)律的研究較少.本文采用CO2激光器焊接，研究了不同焊接工藝參數(shù)對高速鋼M42鋼絲與高強度鋼帶X32焊接接頭組織及性能的影響，為實際應(yīng)用提供指導(dǎo).

焊前對上述母材表面進(jìn)行丙酮超聲波清洗.實驗采用TruLaser 1100 型CO2激光器，其最大輸出功率為4 000 W，光束模式為TEM00模，焦距250 mm，焊接時采用Ar氣作為保護(hù)氣體.實驗參數(shù)如表3所示，其中焊接速度為被焊材料相對激光束移動的速度.采用金相顯微鏡（OM）和電子掃描電鏡（SEM）對焊接接頭組織進(jìn)行觀察，利用顯微硬度計以焊縫中心為對稱軸，每隔0.05 mm進(jìn)行檢測（載荷力為9.8 N，保荷時間為15 s），對焊縫進(jìn)行硬度檢測.采用電子探針（EPMA）對焊縫附近區(qū)域進(jìn)行元素分布分析.焊縫強度檢測采用抗彎實驗，抗彎試樣為3.0 mm（寬）×1.1 mm（厚）.

分布呈明顯的分界現(xiàn)象.PMZ界面處W，Cr，Mo，V等元素發(fā)生了由齒材M42向焊縫的擴散.焊縫FZ中Mn，F(xiàn)e元素含量明顯高于母材M42，母材M42中C，Co含量明顯高于焊縫.母材M42中碳化物多為Mo，V，W，Cr元素聚集區(qū)域.由圖4可以看出，焊后背材X32焊縫中Cr，Mn，F(xiàn)e，V，Mo元素分布呈明顯的分界現(xiàn)象.C元素分布較為均勻，焊縫C含量略高于背材X32中C含量.Ni元素分布較為均勻.母材中碳化物位置為Cr，Mn，Mo元素聚集區(qū).焊縫中高亮區(qū)域為Mo，Cr，V元素聚集區(qū)域.Fe元素呈由背材向焊縫遞減的分布趨勢.

2.2不同激光功率和焊接速度對焊接接頭組織的

影響

1）圖5為激光焊接功率P=2 754 W，不同焊接速度焊接后接頭的SEM照片.由圖5可知，隨著焊接速度的增大，焊縫中心區(qū)的等軸晶增多，樹枝晶減少，焊縫中柱狀晶的生長越垂直于熔合線，且焊縫中平均晶粒尺寸減小.在靠近M42側(cè)熔合區(qū)，隨著焊接速度的增大，柱狀晶區(qū)變窄，等軸晶區(qū)變寬，且此區(qū)域生長的等軸晶越細(xì)小，依附于此等軸晶生長的柱狀晶越細(xì)小.

3討論

3.1焊接接頭的顯微組織形成機理

由圖1可知，PMZ與FZ區(qū)呈現(xiàn)出柱狀晶和等軸晶組織.由于接頭各區(qū)域的冷卻速度不同，在焊接過程中，其凝固組織會出現(xiàn)較大的差異.一般地，從FZ邊界到中心，溫度梯度（G）逐漸降低、結(jié)晶速度（R）升高，F(xiàn)Z區(qū)晶粒的生長模式從熔池邊界到中心會由于凝固參數(shù)G/R的降低而發(fā)生改變，依次為胞狀生長、柱狀樹枝晶生長、等軸樹枝晶及等軸晶生長，將胞狀晶和柱狀樹枝晶出現(xiàn)的區(qū)域合成為柱狀晶區(qū).沿著兩側(cè)的熔合線至焊縫中心方向上，由于此方向上G/R的值逐漸減小，在焊接熔池的凝固過程中，結(jié)晶沿最大散熱方向擇優(yōu)長大為柱狀晶及柱狀樹枝晶，由于熔池的過熱度和溫度梯度增大，使非自發(fā)形核質(zhì)點大為減少，G/R值相對較大，使柱狀晶顯著生長[4，10] .在本實驗中，靠近背材X32一側(cè)的熔合線附近，柱狀晶尺寸逐漸變小，存在一個細(xì)小的等軸晶區(qū)域；在靠近齒材M42一側(cè)的熔合線附近，樹枝晶的方向性被打亂，柱狀晶組織消失.這是由于靠近背材X32一側(cè)的背材尺寸較大，散熱相對較快，溫度梯度較小，而靠近齒材高速鋼側(cè)所含的高熔點合金元素較多，在焊接時會存在一些未熔的碳化物，未熔碳化物的存在，阻止了柱狀晶的生長[3，5，11].

焊縫中心區(qū)存在一個等軸晶區(qū)域，其形成的原因為：由圖3和圖4可以看出，焊縫中心區(qū)由于熔池含有W，Mo，V等高熔點元素，以溶質(zhì)質(zhì)點形式存在或形成碳化物并促使形成等軸晶.又由于焊縫中心區(qū)，溫度梯度最小，G/R值相對較低，熔體中成分過冷顯著，從而導(dǎo)致了等軸晶的形成.焊縫中心區(qū)晶粒細(xì)小，這是由于激光焊接的快速凝固所致.

3.3異種金屬激光焊接接頭顯微硬度分布討論

由于激光具有快速加熱和冷卻的特點，且被焊材料含碳量均很高，屬于易淬硬的材料，因此，焊后（圖2）接頭的焊縫區(qū)和熱影響區(qū)均生成高碳馬氏體，且生成快速凝固組織，所以硬度較高.在焊接過程中，熔池及其附近完全熔化區(qū)的母材金屬材料，特別是熔化了的晶界處，與其上的液態(tài)金屬之間進(jìn)行著碳元素的擴散交換，從而導(dǎo)致了熔池階段及凝固后的高溫階段，在不完全熔化區(qū)緊靠熔合線一定寬度范圍內(nèi)（近縫區(qū)）的碳含量降低[3，9，14].但由于激光焊接的自身特點，使焊后冷卻速度非?？?，致使碳元素的擴散行程較短，主要集中在熔合線焊縫區(qū)，以此該區(qū)形成高碳馬氏體，使該區(qū)的硬度較高，甚至高于焊縫區(qū)[5].同時由于Ni元素的特性，改變了碳的擴散特性，同時又由于高速鋼側(cè)W，V等強碳化合物元素的存在，也降低了碳的活度系數(shù)[2，7]，從而碳遷移減弱，使高速鋼近縫區(qū)的硬度較高.此外，在焊縫凝固后，由于熱傳導(dǎo)的作用，熱影響區(qū)發(fā)生相變，碳及合金元素從馬氏體及殘余奧氏體中脫溶，析出高強彌散的碳化物，發(fā)生了馬氏體的二次硬化，使靠近高速鋼融合區(qū)的硬度比近縫區(qū)的硬度要高.因此，在抗彎斷裂實驗中，斷裂位置均發(fā)生在靠近高速鋼M42側(cè)的熔合線附近[3，5，10，15].

4 結(jié)論

高速鋼M42與高強度鋼X32異種金屬CO2激光焊接接頭的典型組織為等軸晶加柱狀樹枝晶，焊縫中心區(qū)為等軸晶區(qū)域，焊縫中心區(qū)兩側(cè)為柱狀晶和柱狀樹枝晶.在靠近齒材M42一側(cè)的熔合線附近，樹枝晶的方向性被打亂，存在一個細(xì)小的等軸晶區(qū)域，且靠近此區(qū)域生長的柱狀晶較X32側(cè)熔合線附近的柱狀晶更細(xì)小.

隨著焊接速度的增加，焊縫中心區(qū)等軸晶增多，樹枝晶減少.靠近M42側(cè)熔合邊界等軸晶變的更細(xì)小.隨著激光功率的減小，焊縫中心區(qū)樹枝晶數(shù)量增多，等軸晶減少，焊縫與母材熔合邊界柱狀晶范圍變寬.M42/X32異種金屬激光焊接接頭抗彎斷裂均斷在靠近高速鋼M42側(cè)的熔合線附近.當(dāng)焊接功率為2 754 W，焊接速度為14 m/min時，焊接接頭性能優(yōu)良，抗彎強度值為112 MPa.

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篇6

【關(guān)鍵詞】激光焊；應(yīng)力場；數(shù)值模擬

激光焊接時由于激光束的能力密度高，局部的快速加熱與冷卻，在焊接過程中和焊接冷卻后會產(chǎn)生相當(dāng)大的焊接殘余應(yīng)力和殘余變形。它不僅可使焊縫產(chǎn)生裂紋，降低強度和韌性，而且這些殘余應(yīng)力與工作應(yīng)力疊加，使結(jié)構(gòu)的應(yīng)力強度增加，影響焊接結(jié)構(gòu)的安全可靠性。因此為了保證結(jié)構(gòu)的安全使用，準(zhǔn)確的評估焊接結(jié)構(gòu)的殘余應(yīng)力和變形已成為一個極為重要的研究課題。

激光焊接是不均勻的局部加熱，工件溫度變化范圍較大，要經(jīng)歷急速升溫和降溫的過程，是非靜態(tài)的。材料在高溫會發(fā)生相變，材料的機械性能和熱物理性能均隨溫度變化，是非線性的。所以激光焊接過程非常復(fù)雜，它包含相變、塑性和非線性等因素影響的熱彈塑性問題。只有借助與有限元法才能使這種復(fù)雜過程的數(shù)值分析與計算成為可能。

1 焊接應(yīng)力場的模型的建立

本文采用順序耦合方法進(jìn)行焊接應(yīng)力場的數(shù)值模擬。將前一個分析的結(jié)果作為載荷施加到下一個分析中的方式進(jìn)行耦合。激光焊接應(yīng)力應(yīng)變場分析是典型的熱-應(yīng)力順序耦合分析，先模擬出溫度場，再將熱分析中得到節(jié)點溫度作為“體載荷”施加到結(jié)構(gòu)分析中。

2 網(wǎng)格劃分

對激光焊應(yīng)力場的計算時，采用和溫度場模擬相同的網(wǎng)格。在溫度場的計算中，可將焊接過程看做是準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)的過程，在長度方向可以取較短的一部分進(jìn)行計算，而在應(yīng)力應(yīng)變場的計算中，模型尺寸的大小直接決定了焊接結(jié)構(gòu)的約束狀態(tài)，對應(yīng)力及應(yīng)變場的模擬結(jié)果影響很大。如果在應(yīng)力場的計算中采用和溫度場模擬中一樣的網(wǎng)格粗細(xì)大小，由于焊接長度的增加，會使得應(yīng)力場計算的時間大大加長。如果采用較粗的網(wǎng)格，就會損失一定的溫度場計算的精度。因此，需要在計算精度與計算時間之間做出妥協(xié)。

模型使用映射網(wǎng)格，在計算應(yīng)力場之前，首先把間隙板中的單元全部殺死，然后在計算焊接過程的子步中，逐步激活間隙板中的熔融溫度以上的單元加入計算，以此來模擬激光焊接熔池的形成。這樣，疊接的兩塊工件之間只有焊縫處的單元才結(jié)合在一起。

3 材料的力學(xué)性能參數(shù)

需定義20鋼和304不銹鋼的彈性模量E、熱膨脹系數(shù)α、泊松比μ、屈服強度σs、熱膨脹系數(shù)，材料塑性選項選取等向強化屈服準(zhǔn)則。

4 初始條件和約束條件

設(shè)焊前母材的初始應(yīng)力為0，初始溫度設(shè)為環(huán)境溫度25℃。本模型中不承受外載荷力，體積力、重力均忽略不計，只考慮熱應(yīng)力的作用。讀入各節(jié)點的溫度值，即溫度場計算的結(jié)果，進(jìn)行熱應(yīng)力計算，時間步長與溫度場計算時一樣，有利于溫度載荷的讀入和計算精度的提高。對焊接構(gòu)件自由度進(jìn)行約束，加載邊界條件要注意兩點：一是防止有限元計算過程中產(chǎn)生位移，二是不能嚴(yán)重阻礙焊接過程中應(yīng)力自由釋放和焊接結(jié)構(gòu)自由變形。

圖1為有限元模型的位移約束示意圖。在焊縫中心面E-F上施加對稱約束，對稱面約束指的是將該面的所有節(jié)點在平面外的移動和平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)都被設(shè)置為零。即限制E-F面的節(jié)點在垂直該面（Z軸方向）的位移和繞其它兩個軸（X、Y軸方向）的旋轉(zhuǎn)，總之，該面的節(jié)點只能在XY軸方向做平移運動。在有限元模型的A-D邊施加Y方向位移約束，在A-B邊和C-D邊施加Z方向的位移約束。這樣，即防止了數(shù)值模擬中產(chǎn)生位移，又沒有嚴(yán)重阻礙焊接過程中應(yīng)力的自由釋放和焊接結(jié)構(gòu)的自由變形。

5 應(yīng)力場計算結(jié)果及分析

以下結(jié)果均是在焊接工藝參數(shù)為I=350A，V=100mm/min，Δf=-1mm時計算出來的。平行于焊縫方向的殘余應(yīng)力稱為縱向焊接殘余應(yīng)力，記為σx，垂直于焊縫方向的殘余應(yīng)力稱為橫向焊接殘余應(yīng)力，記為σy，由于板的厚度很小，所以沿著厚度方向的殘余應(yīng)力較小，一般不作考慮。

圖2為焊后冷卻到259.88s之后的上表面等效殘余應(yīng)力云圖，在焊縫及其熱影響區(qū)附近，存在著較大的殘余應(yīng)力，為200-400MPa之間，個別區(qū)域大于400MPa，從焊縫中心向兩邊殘余應(yīng)力迅速降低。下表面在激光焊接的起始區(qū)域和結(jié)束區(qū)域，殘余應(yīng)力最大，存在著明顯的邊界效應(yīng)，特別是靠近焊接結(jié)束的地方，殘余應(yīng)力達(dá)到最大值，而終焊點的前端存在著一個低應(yīng)力區(qū)，如圖3。

焊接結(jié)束后，焊縫末端由于沒有熱量繼續(xù)施加，焊縫終了區(qū)域熔池中的液態(tài)金屬冷卻的速度比別處的要快很多，使此區(qū)域的溫度梯度很大，所以此區(qū)域的殘余應(yīng)力較其它區(qū)域要高，焊縫中最大的殘余應(yīng)力出現(xiàn)在此區(qū)域。

6 結(jié)論

焊縫及其熱影響區(qū)附近，存在著較大的殘余應(yīng)力，從焊縫中心向兩邊殘余應(yīng)力迅速降低。激光焊接的起始區(qū)域和結(jié)束區(qū)域，殘余應(yīng)力最大，存在著明顯的邊界效應(yīng)，特別是靠近焊接結(jié)束的地方，殘余應(yīng)力達(dá)到最大值，而終焊點的前端存在著一個低應(yīng)力區(qū)。

參考文獻(xiàn)：

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關(guān)鍵詞：激光焊接工藝；現(xiàn)狀分析；進(jìn)展

DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2016.08.007

激光焊接工藝在汽車制造業(yè)、鋁合金和鎂合金材料的焊接、塑料加工業(yè)、船舶制造業(yè)等領(lǐng)域都有著十分重要的地位，是一門高度綜合性的技術(shù)，能夠顯著提升產(chǎn)業(yè)效率和產(chǎn)品、服務(wù)質(zhì)量。在這個背景下，研究激光焊接工藝的現(xiàn)狀分析與進(jìn)展的諸多問題，具有重要的現(xiàn)實意義。

1 概述激光焊接工藝

激光焊接工藝是一種現(xiàn)代焊接方法。與傳統(tǒng)的焊接方法相比較，激光焊接擁有眾多特點，比如被焊接的工件變形情況較小，焊接的深度和寬度都較高，熱影響區(qū)域較小等。除此之外，激光焊接工藝不會受到磁場的影響，不會完全局限于導(dǎo)電材料和真空的工作環(huán)境，而且在工作的過程中也不會大量產(chǎn)生X射線。也正因為上述優(yōu)勢，激光焊接工藝在工業(yè)各個領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用較為廣泛。近些年來，制造部門漸漸將自動化技術(shù)應(yīng)用到焊接的整個過程中去，只有將激光和計算機控制進(jìn)行整合，實現(xiàn)有機結(jié)合，才能實現(xiàn)焊接過程的更好、更精確地控制，實現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量的提升。焊接產(chǎn)品質(zhì)量的提升要求激光焊接過程監(jiān)測和質(zhì)量控制水平的提升，這也已經(jīng)成為激光利用領(lǐng)域內(nèi)的關(guān)鍵日程之一，其中，電感、聲波、電容、光電等各種類型的傳感器的利用是其中的核心內(nèi)容。除此之外，利用電子計算機開展處理工作，根據(jù)焊接對象和要求的不同分別進(jìn)行焊縫跟蹤、缺陷檢測等項目的處理，利用反饋控制實現(xiàn)焊接工藝參數(shù)的調(diào)節(jié)，最終實現(xiàn)激光焊接的完全自動化。

2 激光焊接工藝的應(yīng)用現(xiàn)狀

與傳統(tǒng)的焊接工藝相比，激光焊接工藝能夠有效實現(xiàn)多種材料的“無縫”焊接，成為傳統(tǒng)焊接工藝的補充和擴展。從我國目前的焊接實踐來看，激光焊接工藝已經(jīng)成為這個領(lǐng)域的中流砥柱。

2.1 激光焊接工藝在電子元件領(lǐng)域內(nèi)的運用

在傳統(tǒng)的焊接工藝下，焊接面會存在過高的溫度和輻射，這種情況會損壞電子元件本身，造成電子元件斷裂或者接觸不良等，影響其周圍的環(huán)境。雖然這些不利影響能夠通過相關(guān)手段解決，但是這也無疑會對電子元件的使用壽命產(chǎn)生縮短的影響，甚至影響后續(xù)的正常工作。從我國目前的焊接實踐來看，激光焊接已經(jīng)被廣泛運用至電子元件的焊接領(lǐng)域。因為激光焊接工藝擁有可以開展局部微小范圍內(nèi)加熱的優(yōu)良特性，而且還能夠做到準(zhǔn)確控制電子元件焊接部位的局部溫度。通俗一點說，就是激光焊接工藝能夠?qū)崿F(xiàn)在微小領(lǐng)域產(chǎn)生較高平均溫度，而且不會對周邊的區(qū)域產(chǎn)生不利影響的理想狀態(tài)。

2.2 激光焊接工藝在鋁合金材料焊接中的運用

激光焊接工藝在汽車制造業(yè)的鋁合金材料焊接中的運用也較為廣泛。在對汽車相關(guān)器件進(jìn)行焊接的過程中，側(cè)吹保護(hù)氣體的方式是最為常用的一種焊接方式，能夠?qū)崿F(xiàn)車用鍍鋅板的全方位保護(hù)。從我國目前的汽車制造業(yè)發(fā)展實踐來看，鋁合金是一種較為普遍的工業(yè)材料，能夠起到車體防腐和減輕車重的作用。所以，在發(fā)動機、輪圈、儀表盤等眾多方面，鋁合金材料都有非常廣泛的運用。激光焊接工藝在鋁合金材料的焊接方面有著得天獨厚的優(yōu)勢，因為其能夠?qū)崿F(xiàn)鋁合金材料的高效保護(hù)。然而，在鋁合金焊接實踐中運用激光焊接工藝也存在著一定的弊端，這也是由鋁合金自身的熱力性能決定的。這種特性雖然能夠?qū)崿F(xiàn)鋁合金元件的有效保護(hù)，但是卻無法有效避免熔池飛濺、小孔塌陷等焊接過程中常發(fā)現(xiàn)象。

2.3 激光焊接工藝在鎂合金材料焊接中的運用

汽車制造業(yè)在近幾年得到了飛躍式發(fā)展，汽車零部件的制作材料逐漸從鋁合金過渡為鎂合金。比起鋁合金的汽車零部件，鎂合金具有分量輕的特點，而且剛性、強度、導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性等性能都有了一定的提升和優(yōu)化。除此之外，鎂合金能夠?qū)崿F(xiàn)循環(huán)利用，回收利用的效果較好，經(jīng)濟成本較低。激光焊接工藝在鎂合金材料的焊接過程中能夠在器件的焊接局部產(chǎn)生一種氧化膜，實現(xiàn)鎂合金器件的高效保護(hù)。不光是在汽車制造領(lǐng)域，航空航天領(lǐng)域內(nèi)鎂合金的廣泛運用也使激光焊接工藝成為主流焊接技術(shù)，因為其能夠滿足航空航天利用的機器器件生產(chǎn)和制造的復(fù)雜要求，還能夠有效減少飛機的自重。

3 激光焊接工藝的研究進(jìn)展

不管是從國內(nèi)還是從國外的激光焊接實踐狀況來說，未來的激光焊接技術(shù)的研究重點集中于以下三個方面：首先，是焊接過程的有效控制。其次，是激光器的研發(fā)和升級。最后，是焊縫缺陷的動態(tài)監(jiān)測方面。在第二個方面中，提升電光轉(zhuǎn)換效率是激光器研發(fā)和升級方面的核心內(nèi)容，因為我國目前的激光器結(jié)構(gòu)仍然十分復(fù)雜，如何實現(xiàn)激光器內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外部性能的完善和升級是當(dāng)下的重要任務(wù)之一。在第三個方面中，因為單一的傳感技術(shù)不能滿足眾多復(fù)雜檢驗任務(wù)的要求，所以在未來，需要進(jìn)一步發(fā)展焊接過程中的監(jiān)控技術(shù)，力圖將多種形式的傳感技術(shù)充分結(jié)合起來，不斷提升檢測任務(wù)的精確度。

在激光焊接工藝的發(fā)展歷程中，雙光束激光焊接技術(shù)、激光復(fù)合焊接技術(shù)以及三維可控激光頭的產(chǎn)生都對激光焊接工藝的成熟和發(fā)展起到了十分強勁的推進(jìn)作用。激光焊接工藝的優(yōu)越性使其成為最有朝氣的焊接方式之一，在未來，其在材料焊接上的運用主要集中在新型激光器的研發(fā)、高精度激光焊接設(shè)備的開發(fā)和投入使用、不同材料焊接工藝的完善和優(yōu)化方面。隨著激光焊接工藝不斷發(fā)展成熟，其適用的領(lǐng)域也會變得越來越寬廣。在某些領(lǐng)域，激光焊接工藝取代傳統(tǒng)的焊接工藝，成為主流的焊接技術(shù)，已經(jīng)指日可待。

4 總結(jié)

激光焊接工藝的深入發(fā)展能夠促進(jìn)國內(nèi)焊接技術(shù)的發(fā)展成熟。從我國目前的材料焊接實踐來看，激光焊接工藝主要在大批量生產(chǎn)、承辦大規(guī)模焊接的企業(yè)以及航空航天等受到國家財政支持的項目中運用，并沒有得到真正意義上的大范圍、廣領(lǐng)域普及。相關(guān)領(lǐng)域的工作和研究人員要致力于激光焊接工藝的優(yōu)化和完善工作，使其充分發(fā)揮優(yōu)勢，克服缺陷，為產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率的提升做出更大貢獻(xiàn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]戴景杰.鋁合金激光焊接工藝特性研究[J].電焊機，2010，40（03）：20-23.

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關(guān)鍵詞：軌道車輛 焊接技術(shù) 鋁合金

中圖分類號：U270.6 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）02（c）-0073-01

1 焊接工藝現(xiàn)狀分析

鋁合金的密度低，同時卻具有較高的機械強度，不易腐蝕，不會磁化，在低溫環(huán)境中也不易脆化，因此被廣泛用于高速動車的車體材料當(dāng)中。使用鋁合金作為車體的主體框架，可以使車體重量減少50%以上（相比較于鋼結(jié)構(gòu)）。但是由于鋁合金熔點低、導(dǎo)熱系數(shù)及熱膨脹系數(shù)較大，因此，在焊接時容易產(chǎn)生裂紋、融合不良、氣孔等缺陷。鋁合金的焊接方法有多種，包括惰性氣體的保護(hù)焊（MIG）、鎢極惰性氣體的保護(hù)焊（TIG）兩種焊接方法。在焊接過程中，主要會出氣孔、裂紋、焊接變形等問題。氣孔的形成主要是由于氫氣造成的，焊接的過程當(dāng)中，吸附在母材表面的水膜會在電弧的作用下分解成氣體，氣體沒有及時排除，就形成了氣泡；當(dāng)鋁合金受熱時，其膨脹系數(shù)是一般鋼材料的兩倍，當(dāng)焊接是沒有留有足夠的空隙時，那么就會造成焊接變形。在長時間的實踐過程中，已經(jīng)總結(jié)了很多抑制這些缺陷的方法，譬如對于較厚夾板的焊接，為了能夠保證焊接的質(zhì)量要使焊縫從分均勻地融合，而且使焊縫中的氣體順暢溢出，采用較慢的環(huán)節(jié)速度和較大的電流配合焊接；與之相反，如果板材較薄，如果焊接的時候焊槍的停留時間稍長，那么鋁材過熱就會很容易產(chǎn)生氣體，造成氣孔的產(chǎn)生，所以一般以小電流快速焊接。

2 軌道車輛焊接新技術(shù)

當(dāng)前，軌道車輛正朝著環(huán)保低碳、節(jié)省能源、質(zhì)量輕、高質(zhì)量、安全性及多樣化方向發(fā)展，并且我國對軌道車輛，尤其是以鋁合金車體為主的動車組需求量較大，因此，鋁合金車體的制造需要一種新的焊接技術(shù)，才能使得鋁合金車體焊接在傳統(tǒng)的材料連接方法基礎(chǔ)上向先進(jìn)的“無污染、高質(zhì)量、低消耗能源焊接制造”的方向發(fā)展。在本文中主要引入攪拌摩擦焊、激光焊接、激光電弧混合焊接。

2.1 攪拌摩擦焊

在軌道車輛生產(chǎn)中應(yīng)用攪拌摩擦焊技術(shù)，日本是最早的國家之一。1998年，日本在生產(chǎn)單壁結(jié)構(gòu)車體的過程中，對單壁6000系列的鋁合金型材率先利用攪拌摩擦焊取代了熔化極氬弧焊進(jìn)行了拼接。不再需要開坡口，采用攪拌摩擦焊就可以直接對單壁型材進(jìn)行焊接。攪拌頭的壓力有可能在焊接過程中導(dǎo)致變形，為此加裝桐墊板在焊縫下面，可以改善接頭質(zhì)量，同時提高生產(chǎn)效率。但是在雙壁型型材焊接的時候，就不易施加銅墊板防止變形，這時用搭接接頭來替換原來使用在熔化極氬弧焊的對接接頭，可以減少施加墊板的工序，同時接頭的剛性也得到了增加。攪拌摩擦焊在焊接的過程中，攪拌頭高速旋轉(zhuǎn)，在機械摩擦的作用下，材料的轉(zhuǎn)移過度量與摩擦作用在動態(tài)上達(dá)到平衡。在這個過程中，焊接的溫度并沒有達(dá)到材料的熔點，焊接材料不會融化，屬于固相連接的范疇。技術(shù)實現(xiàn)上，攪拌針的深入量和軸肩的壓入量都有工藝要求。在滿足工藝上的要求以后，粉碎、擠壓后的焊接材料在摩擦產(chǎn)生的熱量作用下產(chǎn)生熱塑性形變，而材料會在塑性變性能綜合摩擦熱的作用下實現(xiàn)流動，擴散到焊接點周圍實現(xiàn)連接。正因為攪拌摩擦焊的這種特點，母材不會發(fā)生諸如接頭變形，出現(xiàn)凝固裂紋，大面積受熱影響材料特性等問題，從而在鋁合金焊接中大量應(yīng)用。

2.2 激光焊接

激光焊的熱源是通過聚焦高功率能量得到的激光束，激光通過偏光鏡反射，在聚焦裝置中得到聚焦就會產(chǎn)生高能量，高能量發(fā)熱融化工件，工件結(jié)合發(fā)生物理變化，焊縫形成。結(jié)合是線結(jié)合的方式，沒有斷點是激光焊焊縫的特點，而間斷焊接的點焊方法用在電阻點焊的重疊構(gòu)件上，不能保證車體有效的達(dá)到高密閉性。激光焊接的技術(shù)優(yōu)點是可以處理出深寬比較大的焊縫、被高溫影響的母材區(qū)域窄、可以迅速完成焊接、使母材變形量減小。但是它的缺點也是明顯的，對裝配精度苛刻的要求以及焊接中出現(xiàn)的裂紋、咬邊和出現(xiàn)氣孔的缺陷經(jīng)常出現(xiàn)。

在鋁合金焊接的領(lǐng)域中，激光焊也以其顯著的優(yōu)點大量應(yīng)用。但是在現(xiàn)階段我國還沒有大規(guī)模的在鋁合金車體焊接中采用這種焊接方法，主要是限制于激光焊接設(shè)備高昂的成本和苛刻的使用要求。這些限制使得即使在國外，激光焊接也是在其他焊接方法無法完成焊接要求的時候才會使用。該技術(shù)的應(yīng)用解決了復(fù)合鋁合金板：1個非金屬夾層被2個薄鋁板夾住的焊接難題，相信在不久的將來必定被我國動車組鋁合金車體焊接中應(yīng)用。

2.3 激光-電弧復(fù)合焊

激光復(fù)合焊接是對TIG或者M(jìn)IG電弧焊與激光焊接復(fù)合焊接的通稱。在傳統(tǒng)的TIG焊接中，由于焊接過程中在大電流通過是鎢極融化的問題，使得這種焊接方法大多焊接3 mm以下的鋁合金車體薄板，另外一方面，動車組50%以上的部件采用MIG焊接，但焊接過程復(fù)雜且要求苛刻。激光電弧復(fù)合焊接主要是結(jié)合電弧焊與激光焊接的長處來處理工程上的問題。比如說，在激光焊接中，能量使用率比較低，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是激光在到達(dá)焊接材料之前就會被焊接過程中的出現(xiàn)的等離子體云散射和吸收，這種吸收作用與正負(fù)離子體密度的乘積成正比；如果有電弧存在在激光束附近，正負(fù)離子會被電弧吸引和抵消，這樣等離子體云的密度就會被稀釋，激光的效率得到提高。激光還有一個特性是物體表面的溫度升高以后，吸收激光能量的效率會進(jìn)一步提高，這樣，利用電弧對焊接材料先行加熱，再施加激光焊接，激光的吸收效率再次提高。另外，電弧會接受激光的引導(dǎo)和聚焦作用，電弧得到穩(wěn)定，電弧焊接的效率也更高。這樣，焊接熔深進(jìn)一步增加。這種效果尤其對于激光反射率高、導(dǎo)熱系數(shù)高的材料例如鋁合金上更加顯著。

動車組的車體中，有很多大部件焊接，如邊梁的焊接、底架的焊接等，這些都是焊接過程中的耗費工時的技術(shù)難點，在已進(jìn)行的實驗中，激光電弧復(fù)合焊接何以有效的提高這些焊接件的焊接效率，縮短組裝周期。因此，無論是從焊接質(zhì)量、焊接生產(chǎn)效率、焊接技術(shù)需求方面考慮，還是從降低焊接生產(chǎn)成本方面來考慮，激光-電弧復(fù)合熱源焊接技術(shù)在軌道車輛轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的焊接上都具有推廣應(yīng)用潛力和良好的發(fā)展前景。

3 結(jié)論

本文針對鋁合金車體主要對軌道車輛的焊接現(xiàn)狀現(xiàn)狀進(jìn)行簡單的回顧，然后著重介紹了三種先進(jìn)的焊接方法，摩擦攪拌焊接、激光焊接和激光復(fù)合焊接。通過介紹可以看到這三種焊接擁有這傳統(tǒng)焊接不可比擬的優(yōu)越性能，隨著這些焊接技術(shù)的不斷成熟，焊接成本的下降，以及對于軌道車輛性能的不斷提高，這些焊接方法必將得到巨大的發(fā)展，在提高焊接過程機械化、自動化水平，提高焊接質(zhì)量和生產(chǎn)率上起到重要的作用。

參考文獻(xiàn)

[1] 王炎金.鋁合金車體制造關(guān)鍵技木研究[J].裝備焊接，2012（3）.

篇9

關(guān)鍵詞：現(xiàn)代焊接技術(shù)；自動化；智能化；焊接工藝；發(fā)展前景 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

中圖分類號：TG434 文章編號：1009-2374（2015）21-0076-02 DOI：10.13535/ki.11-4406/n.2015.21.038

就我國現(xiàn)階段的工業(yè)化發(fā)展情況來說，焊接廣泛應(yīng)用于多種材料的連接，而隨著高新技術(shù)的不斷發(fā)展，原來的傳統(tǒng)焊接方式也轉(zhuǎn)化為激光、電子束焊等先進(jìn)的焊接技術(shù)?？梢哉f，無論是在建筑行業(yè)，還是車輛、機械、醫(yī)療設(shè)備等方面，離開焊接技術(shù)是根本無法運轉(zhuǎn)的。而隨著與國外交流的增多，現(xiàn)代焊接技術(shù)已經(jīng)有了異種材料的非金屬材料的連接技術(shù)，而在產(chǎn)品表面設(shè)計方面也有了更好的創(chuàng)新制作方法，可以說，焊接技術(shù)的發(fā)展前景是非常光明的，焊接技術(shù)的未來充滿了希望。

1 現(xiàn)代焊接技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

近年來，經(jīng)濟帶動了制造業(yè)的發(fā)展，焊接技術(shù)也隨之有了極大的進(jìn)步，焊接產(chǎn)品的效率也越來越高，而現(xiàn)在如何在保證產(chǎn)品質(zhì)量的前提之下實現(xiàn)焊接生產(chǎn)自動化和智能化已經(jīng)成為焊接行業(yè)的重要任務(wù)。現(xiàn)代高新技術(shù)比如說智能控制技術(shù)、圖像處理與傳感器技術(shù)等融入焊接技術(shù)，使得現(xiàn)代焊接技術(shù)有了更為切合時代潮流的

發(fā)展。

1.1 焊接生產(chǎn)自動化和智能化發(fā)展

焊接行業(yè)的智能化發(fā)展主要是體現(xiàn)在焊接智能機器人的發(fā)展，焊接自動化水平在一定程度上可以理解為焊接智能機器人的發(fā)展水平。目前使用最為廣泛的焊接機器人是示教再現(xiàn)型，即由人工引導(dǎo)機器人末端執(zhí)行器（安裝于機器人關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)末端的夾持器、工具、焊槍、噴槍等），或由人工操作導(dǎo)引機械模擬裝置，或用示教盒（與控制系統(tǒng)相連接的一種手持裝置，用以對機器人進(jìn)行編程或使之運動）來使機器人完成預(yù)期的動作，由于此類機器人的編程通過實時在線示教程序來實現(xiàn)，而機器人本身憑記憶操作，故能不斷重復(fù)出現(xiàn)。這就形成了焊接智能機器人的自動化焊接過程。

1.2 焊接工藝高速高效化

為實現(xiàn)焊接行業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展，需要優(yōu)化現(xiàn)今的焊接工藝，將傳統(tǒng)的焊接工藝轉(zhuǎn)化為高速、高效、高質(zhì)量的焊接工藝。而國內(nèi)外也在焊接工藝的優(yōu)化上投入了較多的精力，現(xiàn)今已經(jīng)在活性化焊接工藝、多元氣體保護(hù)焊接工藝上取得了不錯的成效。而在焊接速度的研究也有了長足的進(jìn)步，現(xiàn)今已經(jīng)可以達(dá)到1.8m/min，大大提升了焊接產(chǎn)品的效率。而隨著國外在數(shù)字化焊接電源和高新信息處理技術(shù)上的關(guān)注，中國市場也逐漸引入相關(guān)先進(jìn)產(chǎn)品和技術(shù)。數(shù)字化焊接電源解決了原先較為刻板的剛性化控制，能夠?qū)崿F(xiàn)對焊接過程的柔性化控制以及多功能集成，而對焊接的精度、焊接過程系統(tǒng)的穩(wěn)定性、產(chǎn)品的一致性、產(chǎn)品升級流程等方面都有更高的要求，能夠?qū)ΜF(xiàn)代焊接技術(shù)的發(fā)展有更好的幫助，使得焊接工藝實現(xiàn)高速和高效化。

1.3 焊接質(zhì)量的優(yōu)化保證

對于焊接產(chǎn)品來說，最為重要的就是焊接質(zhì)量，若是焊接質(zhì)量不盡如人意，對于產(chǎn)品日后的使用壽命是非常有限制的，而焊縫跟蹤技術(shù)對于控制焊接質(zhì)量是非常關(guān)鍵的。在焊縫跟蹤技術(shù)方面，焊接行業(yè)投入的比較多，也已經(jīng)有了較為成熟的技術(shù)。比如說較為先進(jìn)的熔滴過渡控制現(xiàn)今由于引入了數(shù)字化焊接電源，并且在系統(tǒng)上使用了先進(jìn)的電子元件，使得對熔淌控制上更為得心應(yīng)手，在這方面的應(yīng)用上也絲毫不輸于國外先進(jìn)水平，這在焊接行業(yè)是非常重要的部分，是保證焊接產(chǎn)品質(zhì)量的重要技術(shù)。

1.4 焊接技術(shù)現(xiàn)代先進(jìn)發(fā)展

現(xiàn)代焊接技術(shù)隨著與國外先進(jìn)技術(shù)的不斷交流與分享，已經(jīng)達(dá)到一個較高的水準(zhǔn)，以下筆者將以激光焊接為例闡述其優(yōu)點與新進(jìn)展。激光焊接技術(shù)屬于熔融焊接的部分，它是以激光束為能源，直接沖擊在焊件接頭上，這種焊接方式對于確定焊件位置的要求是非常高的，需要極為精確，需要保證焊件位置在激光束的聚焦范圍內(nèi)。激光焊接的最大可焊厚度是有限制的，一般滲透厚度超過19mm的工件是不建議激光焊接的，不僅對于焊接技術(shù)有較大的困難，對于焊件產(chǎn)品本身也不容易有較好的焊接質(zhì)量。此外，激光焊接具有高反射性及高導(dǎo)熱性，焊接性很容易受激光所改變，當(dāng)使用極高能量的激光束進(jìn)行焊接時，需要使用等離子控制器將熔池周圍的離子化氣體驅(qū)除，以確保焊道的再出現(xiàn)，如此才能完成焊接過程。激光焊接在焊接技術(shù)上屬于能量轉(zhuǎn)換效率十分低，一般最高也只有10%左右，而且焊道在快速凝固的狀態(tài)下，可能會有氣孔及脆化的問題，特別是進(jìn)行激光焊接所需的設(shè)備是較為昂貴的。為了消除或減少激光焊接的缺陷，使得焊接效率和焊接質(zhì)量更高，焊接領(lǐng)域內(nèi)先進(jìn)工作者提出了一些較有建設(shè)性的意見，就是用其他熱源與激光進(jìn)行復(fù)合焊接，復(fù)合焊接的方式主要有激光與電弧、激光與等離子弧、激光與感應(yīng)熱源等，這種復(fù)合焊接的方式使得焊接能量轉(zhuǎn)換效率更高，使得焊接質(zhì)量更好，對于焊接技術(shù)的發(fā)展是極其有幫助的。

2 現(xiàn)代焊接技術(shù)的未來發(fā)展展望

現(xiàn)代焊接技術(shù)雖已經(jīng)處于一個較為先進(jìn)的發(fā)展水平，但仍是有發(fā)展之處的，展望未來，針對現(xiàn)代焊接技術(shù)面臨的困難與任務(wù)，筆者有以下三點建議：

2.1 尋求解決焊接制約新材料的途徑

焊接技術(shù)發(fā)展到一定水平后，開發(fā)新材料也逐漸進(jìn)入了焊接領(lǐng)域工作者的視線，主要是從材料研制和焊接科技兩方面來入手。先進(jìn)的新材料對于焊接技術(shù)來說不一定是好的，它的可焊接性、材料的性能都是需要重新估量的，而往往材料的高性能和其可焊接性都是相互矛盾的。鑒于此種情況，為解決此矛盾，焊接行業(yè)工程師需要和材料研究工程師密切聯(lián)系與合作，將新型材料納入到焊接材料中去，使得焊接產(chǎn)品質(zhì)量更好，焊接效率更高，焊接領(lǐng)域整體發(fā)展水平更上一層樓。

2.2 著力提高焊接產(chǎn)品質(zhì)量

焊接產(chǎn)品的質(zhì)量和焊接的質(zhì)量是息息相關(guān)的，為了提高焊接產(chǎn)品的質(zhì)量，需要從思想上消除焊接是制造焊接產(chǎn)品的薄弱環(huán)節(jié)的錯誤思想，在此基礎(chǔ)上，焊接工藝工程師需要研究更好的焊接工藝，改善焊接工藝中的漏洞，進(jìn)一步提高焊接質(zhì)量，改善焊接產(chǎn)品的性能。

2.3 改善焊接領(lǐng)域整體環(huán)境

在大眾的視野里，焊接領(lǐng)域一直是較為“臟亂差”的代表，這也阻止了更多的高素質(zhì)人才邁入焊接行業(yè)發(fā)光發(fā)熱，貢獻(xiàn)自己的才華。而焊接行業(yè)需要注重自己的行業(yè)形象，盡可能減少煙塵、噪音、輻射等的影響，創(chuàng)造感覺整潔的整體焊接環(huán)境，這樣的工作環(huán)境才能更具吸引力。而現(xiàn)代焊接行業(yè)對于焊接自動化的重視，及其焊接機器人的進(jìn)一步投入研究，相信對于改變傳統(tǒng)焊接行業(yè)的形象是十分有幫助的，也會有更多的年輕科技工作者愿意踏入焊接行業(yè)領(lǐng)域，讓焊接行業(yè)有更好的

發(fā)展。

3 結(jié)語

在我國仍處于工業(yè)占主導(dǎo)行業(yè)的狀況下，現(xiàn)代焊接技術(shù)對于工業(yè)的推動發(fā)展作用是不言而喻的。隨著經(jīng)濟技術(shù)的發(fā)展，越來越多的研究者和科學(xué)家將重點放在了探究焊接新材料的角度上，這對于我們現(xiàn)今焊接行業(yè)的現(xiàn)狀來說是非常值得期待的，是尚未深入接觸過的領(lǐng)域，若是能在新材料上取得讓國內(nèi)外矚目的研究成果，這將是焊接領(lǐng)域幾十年來的一場革命。

參考文獻(xiàn)

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[3] 鄭電文.現(xiàn)代焊接技術(shù)發(fā)展的現(xiàn)狀及展望[J].城市建設(shè)理論研究（電子版），2013，（31）.

篇10

【關(guān)鍵詞】制造技術(shù)；焊接；自動化；機器人

一、工藝對焊接機器人的基本要求

焊接機器人是典型的工業(yè)機器人。在實際焊接中，弧焊機器人仰面要高精度的移動焊槍沿著焊縫運動并保證焊槍的姿態(tài)，另一方面在運動中不斷協(xié)調(diào)焊接參數(shù)。焊接工藝對焊接機器人的基本要求可歸納如下：（1）具有高度靈活的運動系統(tǒng)。能保證焊槍實現(xiàn)各種空間軌跡的運動，并能在運動中不斷調(diào)整焊槍的空間姿態(tài)，因此，運動系統(tǒng)最少需要具有5～6個自由度。（2）具有高精度的控制系統(tǒng)。其定位精確，對點焊機器人應(yīng)該達(dá)到±1mm，對弧焊機器人應(yīng)該至少達(dá)到±0.5mm，其中參數(shù)控制精度應(yīng)該達(dá)到1%。（3）其示教記憶的容量至少能保證機器人能夠連續(xù)工作1小時。對點焊機器人應(yīng)該至少儲存200～1000個位置點，對弧焊機器人應(yīng)至少儲存5000～10000個點位。（4）可設(shè)置和再現(xiàn)與運動相聯(lián)系的焊接參數(shù)，并能和焊接輔助設(shè)備交換到位信息。

二、焊接機器人的速度雅克比與速度分析

（1）焊接機器人可以簡單地理解為焊接用機械手，和一般工業(yè)機器人相似。對于n自由度的機器人的情況，關(guān)節(jié)變量可以把廣義關(guān)節(jié)變量q表示為[q1 q2…qn]T。當(dāng)關(guān)節(jié)為轉(zhuǎn)換關(guān)節(jié)時qi=θi，當(dāng)關(guān)節(jié)位移動關(guān)節(jié)時qi=di，dq=[dq1 dq2…dqn]T，反映了關(guān)節(jié)的微小運動。機器人末端在操作空間的位置和方式可用末端手抓的位置X來表示，它是關(guān)節(jié)變量的函數(shù)X=X（q）。函數(shù)X是一個6維列向量dX=[q1 q2…qn]T[dx，dy，dz，δφy，δφz]T，反映了操作空間的微小運動。它由機器人末端微小線位移和微小角位移組成的，可表示為：dx=J（q）dq。式子中，J是6*n的偏導(dǎo)數(shù)矩陣，成為n自由度機器人速度雅克比矩陣。它的第i行第j列的元素為：J■=■（i=1，2，3，4，5，6；j=1，2，3…n）。（2）焊接機器人的速度分析。對dx=J（q）dq左右兩邊各除以dt：■=J（q）■，或者V=J（q）■。V代表機器人末端在操作空間中的廣義速度，■代表機器人關(guān)節(jié)在關(guān)節(jié)空間中的關(guān)節(jié)速度。所以：■=J-1V。J-1稱為機器人的逆速度雅克比。

三、激光/電弧復(fù)合焊接技術(shù)

激光/電弧復(fù)合焊接技術(shù)是激光焊接與氣體保護(hù)焊的聯(lián)合，兩種焊接熱源同時作用于一個焊接熔池。隨著激光器和電弧焊設(shè)備性能的提高，以及激光器價格的不斷降低，同時為了滿足生產(chǎn)的迫切需求，激光/電弧復(fù)合焊接技術(shù)近年來成為焊接領(lǐng)域最重要的研究課題之一。激光/電弧復(fù)合焊接技術(shù)之所以受到青睞是由于其兼各熱源之長而補各自之短，具有1+1>2或更多的“協(xié)同效應(yīng)”。與激光焊接相比，對裝配間隙的要求降低，因而降低了焊前工件制備成本；另外由于有填充焊絲消除了激光焊接時存在的固有缺陷，焊縫更加致密。與電弧焊相比提高了電弧的穩(wěn)定性和功率密度，提高了焊接速度和焊縫熔深，熱影響區(qū)變小，降低了工件的變形，消除了起弧時的熔化不良缺陷。在這點上特別適合鋁及其合金的焊接。激光/電弧復(fù)合焊接技術(shù)是對激光焊接的重大發(fā)展，焊接同樣板厚的材料可降低激光功率一半左右，因此大大降低了企業(yè)的投資成本，該技術(shù)的發(fā)展對推動激光焊接的普及將起重要的作用。

國外機器人領(lǐng)域發(fā)展近幾年有如下幾個趨勢：（1）工業(yè)機

器人性能不斷提高（高速度、高精度、高可靠性、便于操作和維修），而單機價格不斷下降。（2）機械結(jié)構(gòu)向模塊化、可重構(gòu)化發(fā)展。例如關(guān)節(jié)模塊中的伺服電機、減速機、檢測系統(tǒng)三位一體化；由關(guān)節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構(gòu)造機器人整機。（3）工業(yè)機器人控制系統(tǒng)向基于PC機的開放型控制器方向發(fā)展，便于標(biāo)準(zhǔn)化、網(wǎng)絡(luò)化；器件集成度提高；大大提高了系統(tǒng)的可靠性、易操作性和可維修性。

參 考 文 獻(xiàn)