激光焊接技術范文

導語：如何才能寫好一篇激光焊接技術，這就需要搜集整理更多的資料和文獻，歡迎閱讀由公務員之家整理的十篇范文，供你借鑒。

篇1

關鍵詞：激光焊接；焊接性能

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

傳統的焊接方法一般都有焊接溫度高、工藝過程復雜、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）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（如光學性質）喪失或改變。對于非金屬材料的連接，傳統的方法有釬焊、熱壓擴散焊等?，F在又發展了許多新技術，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，傳統的方法采用熔接或者膠接。熔接溫度高、接頭應力高，而膠接連接強度不高、不耐腐蝕、容易老化等。

現代激光焊接技術已經有了較大的發展，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材料固態連接的一種焊接方法，在某種程度上可以克服一些傳統方法存在的問題。

1 激光器

1960年，世界上的第一個激光束利用閃光燈泡激發紅寶石晶粒所產生，因受限于晶體的熱容量，只能產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10～6瓦，但仍屬于低能量輸出。使用釹（Nd）為激發元素的釔鋁石榴石晶棒（Nd：YAG）可產生1～8 kW的連續單一波長光束。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為激發物的CO2激光（波長10.6 um），輸出能量可達25 kW，可做出2 mm板厚單道全滲透焊接，工業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元件（如鏡子）導引，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復合焊，實現大熔深焊接，同時熱輸入量比MIG焊大為減小。

Nd：YAG激光器的結構由全反射鏡、工作物質、玻璃套管、部分反射鏡、聚光鏡、氙燈、電源等組成。當電源打開后，氙燈為工作物質提供光能，玻璃套管濾去氙燈發出的紫外線，聚光鏡將氙燈發出的光能聚集在工作物質上。激光在諧振腔內來回反射共振，激光能量得到加強和改善。當激光能量密度達到部分反射鏡界限時，透過部分反射鏡發射出激光。其中工作物質是激光器的核心，將氙燈中部分光能轉換為相干光。固體激光器的結構示意圖如圖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，使金屬呈現出某非金屬的光學性質。

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

在激光光束的作用下，大多數金屬的光學性質會發生改變。輻射作用下，可以得到在通常情況下它們的反射系數會相應減小的結果。實質上這是一種熱效應，正是這種熱效應使的金屬對熱損耗變得很敏感。在紅外波段，當反射系數較大時，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射率來進行推導的，這是因為材料的發射率？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值。一般來說，？著？姿（T）是隨λ和T的變化而改變。

假設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射率。垂直入射時，材料的發射率為：

？著？姿（T）=（2）

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

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存在隨溫度升高而減小規律。另外，熱金屬相對冷金屬較活躍，由于金屬表面存在的化學反應（如氧化等），容易發生反射率不可逆的變化規律，但在高真空環境下，除此規律不可應用。

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

1-R≈（1-R）（fe）+（1-R）ib+（1-R）（surf）（3）

但是，關于式中后兩項同溫度間的依賴關系，這里并沒有系統而全面地論述，它們賴于能帶所處的能態、能帶精細結構、表面金屬的反應能力。然而，在假設自由電子的密度與溫度無關的條件下，我們可以將自由電子項與直流電導率σ0的溫度關系聯系在一起，而后者常是已知的。

金屬材料的發射率與溫度、金屬電阻率有關，可用下式進行計算：

？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；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、材料電阻系數和材料的表面狀態。

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

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

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

在沒有收到激發時，半導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。但是當材料內束縛電子的固有頻率等于或約等于入射光波頻率時，內部束縛電子會發生強烈諧振，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都是增加的，出現反射峰值和吸收值峰；而在其它頻率下，如果是均勻的半導體或絕緣體，按其本性應該是透明的，且具有較低的反射比，較小的吸收系數。

一般情況下，半導體具有多個諧振頻率，并以其中價帶電子向導帶躍遷產生的諧振最為重要。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體中，處于價帶的電離會因吸收光子而受激躍遷到導帶。電子躍遷時，根據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均等于禁帶寬度的能量。然而，當帶間躍遷產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對激光的吸收。其中，半導體的的禁帶寬度應對于可見光或紅外光光譜，而絕緣體的禁帶寬度應于對紫外光光譜。此外，在熱或光的作用下，濃度較高的半導體自由載流子，會呈現出某種金屬的光學性質。

除電子躍遷外，大多數非金屬當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的性質的所有變化，可以將其歸結為三種，可從按照輻照度增大的排列順度。它們分別是：

①熱的產生導致材料的電子性質或密度發生改變，其中有關的效應是：透明介質中間的熱自聚焦，以及金屬和半導體中的“熱逃逸”現象。

②絕緣體和半導體中發生的自由載流的光學現象，是由碰撞電離或帶間躍遷引起的，導致明顯增大吸收系數，甚至會有可能引起嚴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生非線性畸變自聚焦和多光子吸收等許多非線性光學現象，都是由電場效應而引起的自聚焦。而僅只有滯后部分的脈沖能經歷自聚焦，能有效地抑制短脈沖自聚焦出現的方法是馳豫效應。

另外，自聚焦并不僅只局限于窄的高斯光束，如果能夠調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生自聚焦，使眾多夠強的峰值功率，可以彼此獨立地產生自聚焦而導致寬的強光束，并會在非線性介質中，形成許許多多細小的絲狀路徑。

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，材料也不會出現破壞或應力。若各個部分的材料都不能自由膨脹，則各部分之間會產生應力或爆炸破壞，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，而本身材料是連續體，因而激光的作用將使材料內部產生力學效應，諸如應力波、自聚焦或爆炸破壞等。

4 激光參數對焊接性能的影響

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范圍內方能進行激光焊接。

激光的光束直徑應根據焊縫的寬度進行調整，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。研究發現，激光對材料的吸收率與電阻系數的平方根成正比。二是材料的表面狀態。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 語

激光焊接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。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。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。激光焊接可焊材質種類范圍大，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材料。

參考文獻：

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篇2

關鍵詞：激光焊接；汽車；發展

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用激光焊接技術，激光焊接因其具有高密度能量、穿透能力強、焊接精度高、焊接柔性大等優點，在航空、航天、電子、汽車、輪船等領域得到了廣泛的應用。20世紀90年代初，歐美等國家已把激光焊接技術應用在農業等行業中。在汽車工業中，無論是車身的組裝，還是汽車零部件的生產，激光焊接技術都得到了廣泛的應用[1]。

幾十年來，我國科研工作者也對激光焊接技術開展了廣泛而深入的研究，在焊接工藝優化、焊接接頭組織性能演變機制等方面取得了大量研究成果。激光焊接技術具有其他焊接技術無法比擬的優勢和特點，與其他焊接技術相比，激光焊接技術焊接速度快、深度大、變形較小。焊接設備組成較簡單、搭配靈活，同時激光焊接的應用范圍較廣，能對各種易焊和難焊材料實施焊接[2]。但是，激光焊接技術對焊接設備精度的要求也較高，對技術人員的操作水平要求也高，激光焊接設備的成本代價也比其他焊接設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的應用范圍。但隨著激光焊接技術的不斷發展運用和技術的成熟，激光焊接已經成為很多領域的必備工序。

1. 激光焊接技術的原理及特點

激光是一種發散性極小、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，轉化為熱量并將照射材料融化，從而實現材料或工件的連接，這就是激光焊接技術的基本原理[4]。與傳統的焊接技術相比，激光焊接技術具有很多優點，由于激光光束高度的收斂集中，可以進行較深的焊接，焊接時焊縫的寬度也就相應的很窄，接頭區中高溫區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域的表面平整完好，基本上不用進行二次清理，節約了冗余工序和相應的成本；另外，激光光束比較容易操控，可以精確的定位到焊接區域，易于進行高自動化程度的焊接作業。

2. 激光焊接技術在汽車工業中的應用

2.1激光焊接在汽車制造中的應用

在汽車制造中，激光焊接技術主要應用于汽車車身的制造和汽車相關零部件的制造[5]。采用激光拼焊工藝獲得的焊接接頭質量優良，且焊縫轉接也較為平穩，可以大幅改善汽車零部件的抗沖擊性和抗疲勞性能。激光焊接技術應用于汽車車身制造中可以減輕結構件和零配件的使用數量，減輕整車重量，節約制造成本。近年來，發達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，廣泛應用于變速齒輪、半軸、傳動軸、離合器等汽車部件的制造[6]。

2.2激光焊接應用現狀

把激光焊接技術應用于汽車工業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架。目前，在車身結構焊接方面處于世界領先地位的是德國大眾汽車公司，該公司生產的的包括Golf、Passat、Polo等在內的多種車型的車頂、車門等主要部位的焊接幾乎全部采用激光焊接技術，有效實現了減噪，也使得車身的結構設計更加安全。盡管目前激光焊接技術已經發展到了相當高的水平，但是人們對于激光焊接技術更深層次的探索從未停止過，國外已經著手開始研究新的項目——用遠程激光焊來焊接柔性車身。相信激光焊接技術會伴隨汽車工業的發展而不斷更新和進步，并促進汽車工業的進一步發展。

目前，激光焊接技術在汽車工業，特別是中高檔汽車工業的生產中的應用已經比較普遍。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，都已經建立了自己的激光加工生產線。僅美國通用公司就擁有200多臺激光器。激光焊接主應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的穩定性和安全性，在汽車頂蓋和側面車身的焊接基本上已經全部采用激光焊接技術，傳統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，提高了這些部件的質量和精度，也使得汽車整體性能有所提高[7]。

3. 激光焊接技術在汽車工業中應用所面臨的問題

當前，激光焊接技術在汽車工業中的應用也面臨一些問題。第一，激光焊接一次性的設備投入要比傳統焊接的設備投入要高得多，焊接過程中單位時間內的的成本也比傳統焊接高，一些規模相對較小的汽車公司就無力承擔這些昂貴的設備投入，影響了激光焊接技術的普及和應用。第二，在激光焊接中實現利用計算機進行結果預測和質量監管的技術問題有待進一步研發和提高。由于激光焊接速度快、精密度高，在焊接前準確預測焊接結果并實現對焊接質量的有效控制是提高激光焊接效率和焊接質量、節約成本和工序的關鍵所在，這項技術目前還不能夠完全實現，激光焊接研究工作者仍需在這些方面進行進一步的探索研究[8]。

參考文獻:

[1]李曉娜,許先果,邊美華.激光焊接在汽車工業中的應用[J].電焊機,2006,36(4):47-49.

[2]李亞江,王娟,劉鵬.特種焊接技術及應用. [M].北京: 機械工業出版社, 2004

[3]陳根余,陳建明,梅麗芳,王祖建.汽車白車身激光焊接生產線單元設計及分析[J].激光技術,2011,36(1):7-10.

[4]丁志宏 激光技術在金屬加工中的應用[J].現代制造,2003 (11):34-37.

[5]張旭東,陳武柱.激光焊接技術進展及其在汽車制造中的應用[J].世界汽車,2003 (7):53-56

[6]湯旭東,徐平.汽車車身制造的激光焊接應用[J].自動化博覽,2012 (3):48-51.

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[關鍵詞]激光焊接；工作機理；工藝參數

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

一、激光焊接技術的工作機理

20世紀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中，進而開發了激光焊接技術，它的開發和應用為焊接行業帶來了新的希望，并且很快被廣泛應用于各個領域中。激光焊接技術的工作機理由于激光器的不同也各有差異，因而，根據激光器提供的功率密度的大小可以將激光焊接技術分為兩類，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，然后利用熱傳導效應在工件表面形成一定體積的熔池，使被焊部位熔化，然后進行焊接工作。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，使材料達到瞬間汽化進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，進而完成焊接工作。

二、激光焊接的工藝參數

1、功率密度

單位面積內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用。低功率密度易形成良好的熔融焊接，在傳導型激光焊接中，其數值控制在104～105W/cm2。

2、激光脈沖波形

當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。當材料表面溫度升高到熔點時，反射率會迅速下降，當表面處于熔化狀態時，反射穩定于某一值。

3、激光脈沖寬度

脈寬是脈沖激光焊接的重要參數，。脈寬由熔深與熱影響分區確定，脈寬越長熱影響區越大，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致多余的熱輸入，每種材料都有一個可使熔深達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：正離焦與負離焦。焦平面位于工件上方為正離焦，反之為負離焦。按幾何光學理論，當正負離焦平面與焊接平面距離相等時，所對應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。負離焦時，可獲得更大的熔深，這與熔池的形成過程有關。

5、焊接速度

焊接速度低會使焊接材料過度熔化，從而導致工件焊穿，而焊接速度過快又會使焊接的熔深過淺。所以在現實生產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定的焊接過程和更好的焊縫成形質量，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。隨著激光焊接技術應用范圍的擴大，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，這樣可以適當提高焊接小孔的穩定性，減少焊接缺陷的產生幾率。

2、激光-電弧復合焊

激光-電弧復合焊是近年激光焊接領域的研究熱點之一。該方法的提出是由于隨著工業生產對激光焊接的要求，激光焊接本身存在的間隙適應性差，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。而激光一電弧復合焊集合了激光焊接大熔深、高速度、小變形的優點，又具有間隙敏感性低、焊接適應性好的特點，是一種優質高效焊接方法。激光與電弧復合焊的方法包括兩種，即旁軸復合焊和同軸復合焊。旁軸激光電弧復合焊方法實現較為簡單，但最大缺點是熱源為非對稱性，焊接質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合熱源，大大提高焊接過程穩定性，并可方便地實現二維和三維焊接。

四、激光焊接技術在封裝塑料中的運用

塑料的激光焊接技術主要用于普通焊接技術難以適應的塑料制品（如高密度線路板）、形狀復雜的塑料件以及有嚴格潔凈要求的塑料制品（如醫藥設備、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到零件各個微小部位，能夠焊接其他焊接方法不易達到的區域。傳統焊接技術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種在結構、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）或要求無菌環境（如醫療器械和食品包裝）中。激光焊接技術速度快，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運用在那些很y使用其它焊接方法黏接的復雜的幾何體中。目前國內使用的塑料焊接技術主要有熱熔焊接、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在歐美發達國家已經得到了一定程度的應用。我國這方面的技術尚在起步階段。

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、調速控制箱及薄壁醫用管的精細焊接。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，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化成局域性的熱能，此熱能導致塑料的熔化。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所致。在外部夾具的施壓下，由局部加溫而產生的焊接處熱膨脹可形成牢固接縫。

五、結語

總之，通過多年的激光焊接技術的研究與開發，逐步建立了生產、研究、開發相結合的激光焊接發展體制，并在個別的技術環節和應用方面取得了一定的研究成果。未來，激光焊接技術在民用領域的應用也將更加廣泛，從而進一步推動社會的發展和進一步，為全人類造福。

參考文獻

篇4

關鍵詞：激光焊接設備；激光器；激光束；專利

1 簡介

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

激光焊接設備主要包括激光器種類、激光束成形和控制、保護氣氛和噴嘴結構三部。本文立足世界專利，以激光器種類、激光束成形和控制、保護氣氛和噴嘴結構這三個方面的專利申請數據為分析樣本，對激光焊接設備的發展動向、主要競爭對手、專利分布狀況等情況進行了分析。

2 激光焊接設備專利技術分析

為了對激光焊接設備的專利狀況進行分析，我們選擇使用Patentics索[2]。該系統的數據庫包括了中國發明、實用新型全文，美國授權、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據。

檢索完成后，首先根據后續專利分析的需要，確定需要采集的字段，將數據導出和保存，Patentics得到的數據以EXCEL格式保存。在數據采集之后，需要對采集到的數據進行清理、標引。數據標引完成后，用EXCEL對標引完的數據進行統計分析，得到所需圖表，從圖表對激光焊接技術的專利狀況進行分析。

2.1 發展趨勢分析

焊接設備技術分為保護氣氛和噴嘴、激光器種類和激光束成形和控制三個部分。圖1為焊接設備的技術構成，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與保護氣氛和噴嘴技術為焊接設備的研究重點。

圖2為焊接設備各技術分支的專利類型占比圖，由上圖可見，焊接設備的各個技術分支中均以發明專利為主，發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明專利2298件，占92.1%；激光器種類的發明專利605件，占89.2%；保護氣氛和噴嘴1961件，占93.2%。

圖3為焊接設備的專利申請量發展趨勢（因為發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確的數值，故在圖3-4、6中2015、2016用虛線表示）。由圖3可以看出，焊接設備的申請從1977年開始，至1989年處于緩慢發展期，1990年申請量為40件，從此，焊接設備的申請量逐年增加；2000年申請量已經達到251件，1990-2007處于穩步發展期；2008年以來，焊接設備的申請量更是急速上升，2013年達到了340件。

圖4為焊接設備各技術分支的申請量發展趨勢，激光束成形和控制與保護氣氛和噴嘴兩個技術分支的發展趨勢與其所屬二級分支的發展趨勢基本一致，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分支中相對較少，2001年達到最高點41件，其后又緩慢減少。

2.2 技術來源國分析

圖5給出了焊接設備專利申請的技術來源國構成。從圖中可以看出，日本是最主要的技術來源國，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給出了焊接設備四個主要技術來源國的申請趨勢。作為主要的技術來源國，日本、中國和美國上世紀90年代開始進入穩步發展期，2000年日本的申請量達到了最高點，有150件申請；而中國的申請量一直穩步上升，達到了最高點，截至2016年11月中國2015年的申請量達到157件；2013年美國的申請量達到了最高點，有58件申請；2008年德國的申請量達到了最高點，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，這和我國政府的創新發展政策有關。

3 結束語

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備專利申請總量的一半，保護氣氛和噴嘴的申請量占40%，可見這兩個分支是焊接設備的研究熱點，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突破比較難。從全球來看，日本在焊接設備方面處于領頭羊的位置，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。我國企業在焊接設備的研究應多借鑒日本的專利申請，在專利布局方面也應重點關注日本企業的專利，避免侵權。

參考文獻

篇5

關鍵詞：高速鋼；異種金屬焊接；顯微組織；力學性能

中圖分類號：TG456.7 文獻標識碼：A

異種金屬焊接能夠充分利用各種材料的優異性能，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、航空航天等行業得到廣泛應用[1-3].作為金屬鋸切工業中的重要組成部分，帶鋸條產品以其鋸切效率高、鋸切損耗小[4-6]、適應性廣等特點，在加工工業中發揮著其重要作用.近年發展起來并獲得廣泛應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]，通過焊接而實現鋸條齒部高耐熱性、耐磨及背部高強韌性的理想結合.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（如線膨脹系數）相差較大，因此采用傳統的焊接工藝難以實現兩者的理想焊接[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，焊縫熱影響區小，熱變形小等優點，因此，對含有高熔點合金元素的異種金屬焊接具有優異性[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，為實際應用提供指導.

焊前對上述母材表面進行丙酮超聲波清洗.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氣作為保護氣體.實驗參數如表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進行檢測（載荷力為9.8 N，保荷時間為15 s），對焊縫進行硬度檢測.采用電子探針（EPMA）對焊縫附近區域進行元素分布分析.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象.PMZ界面處W，Cr，Mo，V等元素發生了由齒材M42向焊縫的擴散.焊縫FZ中Mn，Fe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元素聚集區域.由圖4可以看出，焊后背材X32焊縫中Cr，Mn，Fe，V，Mo元素分布呈明顯的分界現象.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.焊縫中高亮區域為Mo，Cr，V元素聚集區域.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側熔合區，隨著焊接速度的增大，柱狀晶區變窄，等軸晶區變寬，且此區域生長的等軸晶越細小，依附于此等軸晶生長的柱狀晶越細小.

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區呈現出柱狀晶和等軸晶組織.由于接頭各區域的冷卻速度不同，在焊接過程中，其凝固組織會出現較大的差異.一般地，從FZ邊界到中心，溫度梯度（G）逐漸降低、結晶速度（R）升高，FZ區晶粒的生長模式從熔池邊界到中心會由于凝固參數G/R的降低而發生改變，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的區域合成為柱狀晶區.沿著兩側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，結晶沿最大散熱方向擇優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，使非自發形核質點大為減少，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X32一側的熔合線附近，柱狀晶尺寸逐漸變小，存在一個細小的等軸晶區域；在靠近齒材M42一側的熔合線附近，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].

焊縫中心區存在一個等軸晶區域，其形成的原因為：由圖3和圖4可以看出，焊縫中心區由于熔池含有W，Mo，V等高熔點元素，以溶質質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，溫度梯度最小，G/R值相對較低，熔體中成分過冷顯著，從而導致了等軸晶的形成.焊縫中心區晶粒細小，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）接頭的焊縫區和熱影響區均生成高碳馬氏體，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的母材金屬材料，特別是熔化了的晶界處，與其上的液態金屬之間進行著碳元素的擴散交換，從而導致了熔池階段及凝固后的高溫階段，在不完全熔化區緊靠熔合線一定寬度范圍內（近縫區）的碳含量降低[3，9，14].但由于激光焊接的自身特點，使焊后冷卻速度非常快，致使碳元素的擴散行程較短，主要集中在熔合線焊縫區，以此該區形成高碳馬氏體，使該區的硬度較高，甚至高于焊縫區[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W，V等強碳化合物元素的存在，也降低了碳的活度系數[2，7]，從而碳遷移減弱，使高速鋼近縫區的硬度較高.此外，在焊縫凝固后，由于熱傳導的作用，熱影響區發生相變，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，發生了馬氏體的二次硬化，使靠近高速鋼融合區的硬度比近縫區的硬度要高.因此，在抗彎斷裂實驗中，斷裂位置均發生在靠近高速鋼M42側的熔合線附近[3，5，10，15].

4 結論

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，焊縫中心區為等軸晶區域，焊縫中心區兩側為柱狀晶和柱狀樹枝晶.在靠近齒材M42一側的熔合線附近，樹枝晶的方向性被打亂，存在一個細小的等軸晶區域，且靠近此區域生長的柱狀晶較X32側熔合線附近的柱狀晶更細小.

隨著焊接速度的增加，焊縫中心區等軸晶增多，樹枝晶減少.靠近M42側熔合邊界等軸晶變的更細小.隨著激光功率的減小，焊縫中心區樹枝晶數量增多，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側的熔合線附近.當焊接功率為2 754 W，焊接速度為14 m/min時，焊接接頭性能優良，抗彎強度值為112 MPa.

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篇6

【關鍵詞】激光焊；應力場；數值模擬

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生相當大的焊接殘余應力和殘余變形。它不僅可使焊縫產生裂紋，降低強度和韌性，而且這些殘余應力與工作應力疊加，使結構的應力強度增加，影響焊接結構的安全可靠性。因此為了保證結構的安全使用，準確的評估焊接結構的殘余應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，要經歷急速升溫和降溫的過程，是非靜態的。材料在高溫會發生相變，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雜過程的數值分析與計算成為可能。

1 焊接應力場的模型的建立

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

2 網格劃分

對激光焊應力場的計算時，采用和溫度場模擬相同的網格。在溫度場的計算中，可將焊接過程看做是準穩態的過程，在長度方向可以取較短的一部分進行計算，而在應力應變場的計算中，模型尺寸的大小直接決定了焊接結構的約束狀態，對應力及應變場的模擬結果影響很大。如果在應力場的計算中采用和溫度場模擬中一樣的網格粗細大小，由于焊接長度的增加，會使得應力場計算的時間大大加長。如果采用較粗的網格，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。

模型使用映射網格，在計算應力場之前，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合在一起。

3 材料的力學性能參數

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

4 初始條件和約束條件

設焊前母材的初始應力為0，初始溫度設為環境溫度25℃。本模型中不承受外載荷力，體積力、重力均忽略不計，只考慮熱應力的作用。讀入各節點的溫度值，即溫度場計算的結果，進行熱應力計算，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。對焊接構件自由度進行約束，加載邊界條件要注意兩點：一是防止有限元計算過程中產生位移，二是不能嚴重阻礙焊接過程中應力自由釋放和焊接結構自由變形。

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點在平面外的移動和平面內旋轉都被設置為零。即限制E-F面的節點在垂直該面（Z軸方向）的位移和繞其它兩個軸（X、Y軸方向）的旋轉，總之，該面的節點只能在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，即防止了數值模擬中產生位移，又沒有嚴重阻礙焊接過程中應力的自由釋放和焊接結構的自由變形。

5 應力場計算結果及分析

以下結果均是在焊接工藝參數為I=350A，V=100mm/min，Δf=-1mm時計算出來的。平行于焊縫方向的殘余應力稱為縱向焊接殘余應力，記為σx，垂直于焊縫方向的殘余應力稱為橫向焊接殘余應力，記為σy，由于板的厚度很小，所以沿著厚度方向的殘余應力較小，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力云圖，在焊縫及其熱影響區附近，存在著較大的殘余應力，為200-400MPa之間，個別區域大于400MPa，從焊縫中心向兩邊殘余應力迅速降低。下表面在激光焊接的起始區域和結束區域，殘余應力最大，存在著明顯的邊界效應，特別是靠近焊接結束的地方，殘余應力達到最大值，而終焊點的前端存在著一個低應力區，如圖3。

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

6 結論

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

參考文獻：

篇7

關鍵詞：激光焊接工藝；現狀分析；進展

DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2016.08.007

激光焊接工藝在汽車制造業、鋁合金和鎂合金材料的焊接、塑料加工業、船舶制造業等領域都有著十分重要的地位，是一門高度綜合性的技術，能夠顯著提升產業效率和產品、服務質量。在這個背景下，研究激光焊接工藝的現狀分析與進展的諸多問題，具有重要的現實意義。

1 概述激光焊接工藝

激光焊接工藝是一種現代焊接方法。與傳統的焊接方法相比較，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，不會完全局限于導電材料和真空的工作環境，而且在工作的過程中也不會大量產生X射線。也正因為上述優勢，激光焊接工藝在工業各個領域內的應用較為廣泛。近些年來，制造部門漸漸將自動化技術應用到焊接的整個過程中去，只有將激光和計算機控制進行整合，實現有機結合，才能實現焊接過程的更好、更精確地控制，實現產品質量的提升。焊接產品質量的提升要求激光焊接過程監測和質量控制水平的提升，這也已經成為激光利用領域內的關鍵日程之一，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容。除此之外，利用電子計算機開展處理工作，根據焊接對象和要求的不同分別進行焊縫跟蹤、缺陷檢測等項目的處理，利用反饋控制實現焊接工藝參數的調節，最終實現激光焊接的完全自動化。

2 激光焊接工藝的應用現狀

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

2.1 激光焊接工藝在電子元件領域內的運用

在傳統的焊接工藝下，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，影響其周圍的環境。雖然這些不利影響能夠通過相關手段解決，但是這也無疑會對電子元件的使用壽命產生縮短的影響，甚至影響后續的正常工作。從我國目前的焊接實踐來看，激光焊接已經被廣泛運用至電子元件的焊接領域。因為激光焊接工藝擁有可以開展局部微小范圍內加熱的優良特性，而且還能夠做到準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實現在微小領域產生較高平均溫度，而且不會對周邊的區域產生不利影響的理想狀態。

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的鋁合金材料焊接中的運用也較為廣泛。在對汽車相關器件進行焊接的過程中，側吹保護氣體的方式是最為常用的一種焊接方式，能夠實現車用鍍鋅板的全方位保護。從我國目前的汽車制造業發展實踐來看，鋁合金是一種較為普遍的工業材料，能夠起到車體防腐和減輕車重的作用。所以，在發動機、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勢，因為其能夠實現鋁合金材料的高效保護。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。這種特性雖然能夠實現鋁合金元件的有效保護，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現象。

2.3 激光焊接工藝在鎂合金材料焊接中的運用

汽車制造業在近幾年得到了飛躍式發展，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、導電性、導熱性等性能都有了一定的提升和優化。除此之外，鎂合金能夠實現循環利用，回收利用的效果較好，經濟成本較低。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生一種氧化膜，實現鎂合金器件的高效保護。不光是在汽車制造領域，航空航天領域內鎂合金的廣泛運用也使激光焊接工藝成為主流焊接技術，因為其能夠滿足航空航天利用的機器器件生產和制造的復雜要求，還能夠有效減少飛機的自重。

3 激光焊接工藝的研究進展

不管是從國內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，是激光器的研發和升級。最后，是焊縫缺陷的動態監測方面。在第二個方面中，提升電光轉換效率是激光器研發和升級方面的核心內容，因為我國目前的激光器結構仍然十分復雜，如何實現激光器內部結構和外部性能的完善和升級是當下的重要任務之一。在第三個方面中，因為單一的傳感技術不能滿足眾多復雜檢驗任務的要求，所以在未來，需要進一步發展焊接過程中的監控技術，力圖將多種形式的傳感技術充分結合起來，不斷提升檢測任務的精確度。

在激光焊接工藝的發展歷程中，雙光束激光焊接技術、激光復合焊接技術以及三維可控激光頭的產生都對激光焊接工藝的成熟和發展起到了十分強勁的推進作用。激光焊接工藝的優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、高精度激光焊接設備的開發和投入使用、不同材料焊接工藝的完善和優化方面。隨著激光焊接工藝不斷發展成熟，其適用的領域也會變得越來越寬廣。在某些領域，激光焊接工藝取代傳統的焊接工藝，成為主流的焊接技術，已經指日可待。

4 總結

激光焊接工藝的深入發展能夠促進國內焊接技術的發展成熟。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、承辦大規模焊接的企業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、廣領域普及。相關領域的工作和研究人員要致力于激光焊接工藝的優化和完善工作，使其充分發揮優勢，克服缺陷，為產品質量和生產效率的提升做出更大貢獻。

參考文獻：

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篇8

關鍵詞：軌道車輛 焊接技術 鋁合金

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

1 焊接工藝現狀分析

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，在低溫環境中也不易脆化，因此被廣泛用于高速動車的車體材料當中。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（相比較于鋼結構）。但是由于鋁合金熔點低、導熱系數及熱膨脹系數較大，因此，在焊接時容易產生裂紋、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焊（MIG）、鎢極惰性氣體的保護焊（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；當鋁合金受熱時，其膨脹系數是一般鋼材料的兩倍，當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，已經總結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，采用較慢的環節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生氣體，造成氣孔的產生，所以一般以小電流快速焊接。

2 軌道車輛焊接新技術

當前，軌道車輛正朝著環保低碳、節省能源、質量輕、高質量、安全性及多樣化方向發展，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，才能使得鋁合金車體焊接在傳統的材料連接方法基礎上向先進的“無污染、高質量、低消耗能源焊接制造”的方向發展。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

在軌道車輛生產中應用攪拌摩擦焊技術，日本是最早的國家之一。1998年，日本在生產單壁結構車體的過程中，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行焊接。攪拌頭的壓力有可能在焊接過程中導致變形，為此加裝桐墊板在焊縫下面，可以改善接頭質量，同時提高生產效率。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，在機械摩擦的作用下，材料的轉移過度量與摩擦作用在動態上達到平衡。在這個過程中，焊接的溫度并沒有達到材料的熔點，焊接材料不會融化，屬于固相連接的范疇。技術實現上，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生的熱量作用下產生熱塑性形變，而材料會在塑性變性能綜合摩擦熱的作用下實現流動，擴散到焊接點周圍實現連接。正因為攪拌摩擦焊的這種特點，母材不會發生諸如接頭變形，出現凝固裂紋，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生高能量，高能量發熱融化工件，工件結合發生物理變化，焊縫形成。結合是線結合的方式，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件上，不能保證車體有效的達到高密閉性。激光焊接的技術優點是可以處理出深寬比較大的焊縫、被高溫影響的母材區域窄、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的裂紋、咬邊和出現氣孔的缺陷經常出現。

在鋁合金焊接的領域中，激光焊也以其顯著的優點大量應用。但是在現階段我國還沒有大規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。該技術的應用解決了復合鋁合金板：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用。

2.3 激光-電弧復合焊

激光復合焊接是對TIG或者MIG電弧焊與激光焊接復合焊接的通稱。在傳統的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，但焊接過程復雜且要求苛刻。激光電弧復合焊接主要是結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，產生這種現象的原因是激光在到達焊接材料之前就會被焊接過程中的出現的等離子體云散射和吸收，這種吸收作用與正負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和聚焦作用，電弧得到穩定，電弧焊接的效率也更高。這樣，焊接熔深進一步增加。這種效果尤其對于激光反射率高、導熱系數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難點，在已進行的實驗中，激光電弧復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，無論是從焊接質量、焊接生產效率、焊接技術需求方面考慮，還是從降低焊接生產成本方面來考慮，激光-電弧復合熱源焊接技術在軌道車輛轉向架構架的焊接上都具有推廣應用潛力和良好的發展前景。

3 結論

本文針對鋁合金車體主要對軌道車輛的焊接現狀現狀進行簡單的回顧，然后著重介紹了三種先進的焊接方法，摩擦攪拌焊接、激光焊接和激光復合焊接。通過介紹可以看到這三種焊接擁有這傳統焊接不可比擬的優越性能，隨著這些焊接技術的不斷成熟，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展，在提高焊接過程機械化、自動化水平，提高焊接質量和生產率上起到重要的作用。

參考文獻

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

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關鍵詞：現代焊接技術；自動化；智能化；焊接工藝；發展前景 文獻標識碼：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

就我國現階段的工業化發展情況來說，焊接廣泛應用于多種材料的連接，而隨著高新技術的不斷發展，原來的傳統焊接方式也轉化為激光、電子束焊等先進的焊接技術?？梢哉f，無論是在建筑行業，還是車輛、機械、醫療設備等方面，離開焊接技術是根本無法運轉的。而隨著與國外交流的增多，現代焊接技術已經有了異種材料的非金屬材料的連接技術，而在產品表面設計方面也有了更好的創新制作方法，可以說，焊接技術的發展前景是非常光明的，焊接技術的未來充滿了希望。

1 現代焊接技術的發展現狀

近年來，經濟帶動了制造業的發展，焊接技術也隨之有了極大的進步，焊接產品的效率也越來越高，而現在如何在保證產品質量的前提之下實現焊接生產自動化和智能化已經成為焊接行業的重要任務。現代高新技術比如說智能控制技術、圖像處理與傳感器技術等融入焊接技術，使得現代焊接技術有了更為切合時代潮流的

發展。

1.1 焊接生產自動化和智能化發展

焊接行業的智能化發展主要是體現在焊接智能機器人的發展，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展水平。目前使用最為廣泛的焊接機器人是示教再現型，即由人工引導機器人末端執行器（安裝于機器人關節結構末端的夾持器、工具、焊槍、噴槍等），或由人工操作導引機械模擬裝置，或用示教盒（與控制系統相連接的一種手持裝置，用以對機器人進行編程或使之運動）來使機器人完成預期的動作，由于此類機器人的編程通過實時在線示教程序來實現，而機器人本身憑記憶操作，故能不斷重復出現。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

為實現焊接行業的進一步發展，需要優化現今的焊接工藝，將傳統的焊接工藝轉化為高速、高效、高質量的焊接工藝。而國內外也在焊接工藝的優化上投入了較多的精力，現今已經在活性化焊接工藝、多元氣體保護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步，現今已經可以達到1.8m/min，大大提升了焊接產品的效率。而隨著國外在數字化焊接電源和高新信息處理技術上的關注，中國市場也逐漸引入相關先進產品和技術。數字化焊接電源解決了原先較為刻板的剛性化控制，能夠實現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、焊接過程系統的穩定性、產品的一致性、產品升級流程等方面都有更高的要求，能夠對現代焊接技術的發展有更好的幫助，使得焊接工藝實現高速和高效化。

1.3 焊接質量的優化保證

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

1.4 焊接技術現代先進發展

現代焊接技術隨著與國外先進技術的不斷交流與分享，已經達到一個較高的水準，以下筆者將以激光焊接為例闡述其優點與新進展。激光焊接技術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。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，不僅對于焊接技術有較大的困難，對于焊件產品本身也不容易有較好的焊接質量。此外，激光焊接具有高反射性及高導熱性，焊接性很容易受激光所改變，當使用極高能量的激光束進行焊接時，需要使用等離子控制器將熔池周圍的離子化氣體驅除，以確保焊道的再出現，如此才能完成焊接過程。激光焊接在焊接技術上屬于能量轉換效率十分低，一般最高也只有10%左右，而且焊道在快速凝固的狀態下，可能會有氣孔及脆化的問題，特別是進行激光焊接所需的設備是較為昂貴的。為了消除或減少激光焊接的缺陷，使得焊接效率和焊接質量更高，焊接領域內先進工作者提出了一些較有建設性的意見，就是用其他熱源與激光進行復合焊接，復合焊接的方式主要有激光與電弧、激光與等離子弧、激光與感應熱源等，這種復合焊接的方式使得焊接能量轉換效率更高，使得焊接質量更好，對于焊接技術的發展是極其有幫助的。

2 現代焊接技術的未來發展展望

現代焊接技術雖已經處于一個較為先進的發展水平，但仍是有發展之處的，展望未來，針對現代焊接技術面臨的困難與任務，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

焊接技術發展到一定水平后，開發新材料也逐漸進入了焊接領域工作者的視線，主要是從材料研制和焊接科技兩方面來入手。先進的新材料對于焊接技術來說不一定是好的，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，焊接行業工程師需要和材料研究工程師密切聯系與合作，將新型材料納入到焊接材料中去，使得焊接產品質量更好，焊接效率更高，焊接領域整體發展水平更上一層樓。

2.2 著力提高焊接產品質量

焊接產品的質量和焊接的質量是息息相關的，為了提高焊接產品的質量，需要從思想上消除焊接是制造焊接產品的薄弱環節的錯誤思想，在此基礎上，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，進一步提高焊接質量，改善焊接產品的性能。

2.3 改善焊接領域整體環境

在大眾的視野里，焊接領域一直是較為“臟亂差”的代表，這也阻止了更多的高素質人才邁入焊接行業發光發熱，貢獻自己的才華。而焊接行業需要注重自己的行業形象，盡可能減少煙塵、噪音、輻射等的影響，創造感覺整潔的整體焊接環境，這樣的工作環境才能更具吸引力。而現代焊接行業對于焊接自動化的重視，及其焊接機器人的進一步投入研究，相信對于改變傳統焊接行業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領域，讓焊接行業有更好的

發展。

3 結語

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

參考文獻

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[2] 姚河清，陳亞政，孟慶芹.現代焊接技術發展的現狀及展望[J].河海大學常州分校學報，2004，18（3）.

[3] 鄭電文.現代焊接技術發展的現狀及展望[J].城市建設理論研究（電子版），2013，（31）.

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【關鍵詞】制造技術；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，另一方面在運動中不斷協調焊接參數。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。能保證焊槍實現各種空間軌跡的運動，并能在運動中不斷調整焊槍的空間姿態，因此，運動系統最少需要具有5～6個自由度。（2）具有高精度的控制系統。其定位精確，對點焊機器人應該達到±1mm，對弧焊機器人應該至少達到±0.5mm，其中參數控制精度應該達到1%。（3）其示教記憶的容量至少能保證機器人能夠連續工作1小時。對點焊機器人應該至少儲存200～1000個位置點，對弧焊機器人應至少儲存5000～10000個點位。（4）可設置和再現與運動相聯系的焊接參數，并能和焊接輔助設備交換到位信息。

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，和一般工業機器人相似。對于n自由度的機器人的情況，關節變量可以把廣義關節變量q表示為[q1 q2…qn]T。當關節為轉換關節時qi=θi，當關節位移動關節時qi=di，dq=[dq1 dq2…dqn]T，反映了關節的微小運動。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，它是關節變量的函數X=X（q）。函數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的偏導數矩陣，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，■代表機器人關節在關節空間中的關節速度。所以：■=J-1V。J-1稱為機器人的逆速度雅克比。

三、激光/電弧復合焊接技術

激光/電弧復合焊接技術是激光焊接與氣體保護焊的聯合，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，同時為了滿足生產的迫切需求，激光/電弧復合焊接技術近年來成為焊接領域最重要的研究課題之一。激光/電弧復合焊接技術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“協同效應”。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定性和功率密度，提高了焊接速度和焊縫熔深，熱影響區變小，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/電弧復合焊接技術是對激光焊接的重大發展，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的投資成本，該技術的發展對推動激光焊接的普及將起重要的作用。

國外機器人領域發展近幾年有如下幾個趨勢：（1）工業機

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）機械結構向模塊化、可重構化發展。例如關節模塊中的伺服電機、減速機、檢測系統三位一體化；由關節模塊、連桿模塊用重組方式構造機器人整機。（3）工業機器人控制系統向基于PC機的開放型控制器方向發展，便于標準化、網絡化；器件集成度提高；大大提高了系統的可靠性、易操作性和可維修性。

參 考 文 獻