激光焊接技术范文

导语：如何才能写好一篇激光焊接技术，这就需要搜集整理更多的资料和文献，欢迎阅读由公务员之家整理的十篇范文，供你借鉴。

篇1

关键词：激光焊接；焊接性能

中图分类号：TB756 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2014）32-0016-03

传统的焊接方法一般都有焊接温度高、工艺过程复杂、焊接条件苛刻等特点，特别是高的焊接温度，容易带来许多问题，如对材料的物理性能（如热膨胀系数）的不匹配更为敏感，或者可能引起工件变形甚至材料的有些性质（如光学性质）丧失或改变。对于非金属材料的连接，传统的方法有钎焊、热压扩散焊等。现在又发展了许多新技术，包括摩擦焊、电子束焊接、超声波焊接、中性原子照射法等。比如对玻璃与金属的封接，传统的方法采用熔接或者胶接。熔接温度高、接头应力高，而胶接连接强度不高、不耐腐蚀、容易老化等。

现代激光焊接技术已经有了较大的发展，激光焊接是一种利用激光束与材料相互作用的原理来实现材料固态连接的一种焊接方法，在某种程度上可以克服一些传统方法存在的问题。

1 激光器

1960年，世界上的第一个激光束利用闪光灯泡激发红宝石晶粒所产生，因受限于晶体的热容量，只能产生很短暂的脉冲光束且频率很低。虽然瞬间脉冲峰值能量可高达10～6瓦，但仍属于低能量输出。使用钕（Nd）为激发元素的钇铝石榴石晶棒（Nd：YAG）可产生1～8 kW的连续单一波长光束。YAG激光波长为1.06 um，可以通过柔性光纤连接到激光加工头，设备布局灵活，适用焊接厚度0.5～6 mm的焊接件。使用CO2为激发物的CO2激光（波长10.6 um），输出能量可达25 kW，可做出2 mm板厚单道全渗透焊接，工业界已广泛用于金属的加工上。

激光焊接属于熔融焊接，以激光束为能源，冲击在焊件接头上。激光束可由平面光学元件（如镜子）导引，随后再以反射聚焦镜片或元件将光束投射在焊缝上。激光焊接属于非接触式焊接，作业过程不需加压，但需使用惰性气体以防止熔池被空气氧化，填料金属偶有使用。激光焊可以与MIG焊组成激光MIG复合焊，实现大熔深焊接，同时热输入量比MIG焊大为减小。

Nd：YAG激光器的结构由全反射镜、工作物质、玻璃套管、部分反射镜、聚光镜、氙灯、电源等组成。当电源打开后，氙灯为工作物质提供光能，玻璃套管滤去氙灯发出的紫外线，聚光镜将氙灯发出的光能聚集在工作物质上。激光在谐振腔内来回反射共振，激光能量得到加强和改善。当激光能量密度达到部分反射镜界限时，透过部分反射镜发射出激光。其中工作物质是激光器的核心，将氙灯中部分光能转换为相干光。固体激光器的结构示意图如图1所示。

2 激光同金属材料间的相互作用

金属材料中存在着大量的自由电子，这些自由电子在受到光频电磁波的作用时，会被强迫振动而产生次波。而这些次波又会形成较弱的透射波和强烈的反射波。透射波部分在很薄的金属表层被吸收，造成激光在金属表面具有较高的反射比。而特别对红外光而言，其光子的能量较相对较低，光频电磁波仅只能对金属中的自由电子起作用。对光子的能量较高的紫外光或可见光来说，由于金属中的束缚电子的固有频率处在紫外光或可见光频段，因而能对金属中的束缚电子发生作用。对束缚电子的作用，使金属的反射能量降低、透射能力加强，增强了金属对激光的吸收，使金属呈现出某非金属的光学性质。

对于波长为10.6 μm的红外波和波长为0.25 μm的紫外波的测量结果表明：光波在各种大多数金属中穿透的深度能达到10 nm的数量级。其吸收系数大约为105～106 cm-1。

在激光光束的作用下，大多数金属的光学性质会发生改变。辐射作用下，可以得到在通常情况下它们的反射系数会相应减小的结果。实质上这是一种热效应，正是这种热效应使的金属对热损耗变得很敏感。在红外波段，当反射系数较大时，热损耗更是如此。一般情况下，材料的吸收特性是通过计算发射率来进行推导的，这是因为材料的发射率？着？姿？姿（T）通常是由下式给出的：

？着？姿（T）=1-R（T）（1）

式（1）中，λ为波长；Rλ为反射率；T指的是材料表面温度数值。一般来说，？着？姿（T）是随λ和T的变化而改变。

假设有一种表面没有氧化金属材料，若将其且置于真空中，则可通过公式计算其发射率。垂直入射时，材料的发射率为：

？着？姿（T）=（2）

式（2）中，K2为消光系数；n1为复发射率的实部。对该金属材料来说，K2和n1均是λ和T的函数。

一般来说，电子与晶格的相互碰撞时间很短。所以，整体上金属的反射系数存在随温度升高而减小规律。另外，热金属相对冷金属较活跃，由于金属表面存在的化学反应（如氧化等），容易发生反射率不可逆的变化规律，但在高真空环境下，除此规律不可应用。

当前，可靠的实验数据相对还比较少见，特别是在热金属的反射系数方面。但在红外波段，我们可以获得如下述描述，即认为金属的总吸收系数可由三大部分组成：自由电子（fe），带间跃迁（ib）和表面效应（surf），亦即：

1-R≈（1-R）（fe）+（1-R）ib+（1-R）（surf）（3）

但是，关于式中后两项同温度间的依赖关系，这里并没有系统而全面地论述，它们赖于能带所处的能态、能带精细结构、表面金属的反应能力。然而，在假设自由电子的密度与温度无关的条件下，我们可以将自由电子项与直流电导率σ0的温度关系联系在一起，而后者常是已知的。

金属材料的发射率与温度、金属电阻率有关，可用下式进行计算：

？着？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为20 ℃时的电阻率；？酌为电阻率随温度变化的系数；T为温度。

工件对激光束能量的利用率决定于吸收率，金属对光束的吸收率越大，激光钎焊越易进行。材料对激光束的吸收主要取决于激光的波长、材料电阻系数和材料的表面状态。

研究表明，在金属熔化以前，吸收率随温度的增加而增加；当温度达到熔点时，吸收率急剧增加。多数金属在熔化时其导电率急剧减小，减小到常温时的1/2～1/3，这必然会导致反射率与导热率的突变。

3 激光同非金属材料间的相互作用

3.1 非金属材料吸收激光时的反应

非金属与金属大为不同，它对激光有较低的反射比，相反对应的吸收比相对较高。对应不同结构特征非金属，对不同波长激光具有强烈的选择性。

在没有收到激发时，半导体与绝缘体仅存在束缚电子，其中束缚电子不仅具有一定的固有频率v0，同时其值由电子跃迁时的能量变化E决定，且有：

v0=E/h，

其中h为普朗克常量。但是当材料内束缚电子的固有频率等于或约等于入射光波频率时，内部束缚电子会发生强烈谐振，辐射出次波，形成较强的透射波和较弱的反射波。但在该谐振频率周围，材料的反射比和吸收系数都是增加的，出现反射峰值和吸收值峰；而在其它频率下，如果是均匀的半导体或绝缘体，按其本性应该是透明的，且具有较低的反射比，较小的吸收系数。

一般情况下，半导体具有多个谐振频率，并以其中价带电子向导带跃迁产生的谐振最为重要。这种跃迁常叫做本征吸收或本征电离，又称为电子的带间跃迁。受激光照射时的半导体中，处于价带的电离会因吸收光子而受激跃迁到导带。电子跃迁时，根据有无声子的带间跃迁，可将跃迁分为间接跃迁和直接跃迁。这两种要求最小光子能量应均等于禁带宽度的能量。然而，当带间跃迁产生足够多的载流子对时，他们会反过来影响被照射材料物质对激光的吸收。其中，半导体的的禁带宽度应对于可见光或红外光光谱，而绝缘体的禁带宽度应于对紫外光光谱。此外，在热或光的作用下，浓度较高的半导体自由载流子，会呈现出某种金属的光学性质。

除电子跃迁外，大多数非金属当然也可以通过有机物分子间的相对振动或者晶体点阵来进行能量耦合。

3.2 激光与透明固体的作用

光束能够引起得固体光学的性质的所有变化，可以将其归结为三种，可从按照辐照度增大的排列顺度。它们分别是：

①热的产生导致材料的电子性质或密度发生改变，其中有关的效应是：透明介质中间的热自聚焦，以及金属和半导体中的“热逃逸”现象。

②绝缘体和半导体中发生的自由载流的光学现象，是由碰撞电离或带间跃迁引起的，导致明显增大吸收系数，甚至会有可能引起严重的爆炸性的材料损伤。

③强光束的电场使整个分子或电子轨道发生非线性畸变自聚焦和多光子吸收等许多非线性光学现象，都是由电场效应而引起的自聚焦。而仅只有滞后部分的脉冲能经历自聚焦，能有效地抑制短脉冲自聚焦出现的方法是驰豫效应。

另外，自聚焦并不仅只局限于窄的高斯光束，如果能够调制足够好的光束横截面，则任意一种直径的高斯光束都会产生自聚焦，使众多够强的峰值功率，可以彼此独立地产生自聚焦而导致宽的强光束，并会在非线性介质中，形成许许多多细小的丝状路径。

在激光同材料相互间作用时，激光引起的冲击力和吸收能量的材料都将使受作用的材料部分向外膨胀。若每一部分材料都能够自由膨胀，则虽有变形，材料也不会出现破坏或应力。若各个部分的材料都不能自由膨胀，则各部分之间会产生应力或爆炸破坏，因为他们之间相互制约。

激光同透明固体材料间相互作用的过程，是部分材料受激光辐射的过程，而本身材料是连续体，因而激光的作用将使材料内部产生力学效应，诸如应力波、自聚焦或爆炸破坏等。

4 激光参数对焊接性能的影响

影响激光焊接过程中焊接性能的因素，主要有激光功率密度、激光光速直径、材料本性、焊接速度等。

激光的功率密度必须在104～106 W/cm2范围内方能进行激光焊接。

激光的光束直径应根据焊缝的宽度进行调整，选择同钎料宽度相差不大的光斑直径，以尽量减小焊接热影响区的大小。

材料对光能量的吸收决定了激光深熔焊的效率，影响材料对激光吸收的因素有两个方面：一是材料的电阻系数。研究发现，激光对材料的吸收率与电阻系数的平方根成正比。二是材料的表面状态。有时材料对激光的吸收率较低，可采用表面处理的方法改变材料表面性能，提升对材料的吸收率。

在一定的激光功率下，提高焊接速度，激光的线能量下降，激光对材料作用的热量就相对减少；反之，激光对材料作用的热量增加。

5 结 语

激光焊接可将入热量降到最低的需要量，热影响区金相变化范围小，且因热传导所导致的变形亦最低。激光焊接焊接速度快，可降低厚板焊接所需的时间甚至可省掉填料金属的使用。激光焊接不需使用电极，没有电极污染或受损的顾虑，且因不属于接触式焊接制程，机具的耗损及变形接可降至最低。激光束易于聚焦、对准及受光学仪器所导引，可放置在离工件适当之距离，且可在工件周围的机具或障碍间再导引，其他焊接法则因受到上述的空间限制而无法发挥。激光束可聚焦在很小的区域，可焊接小型且间隔相近的部件。激光焊接可焊材质种类范围大，可焊接不同物性（如不同电阻）的两种金属，亦可相互接合各种异质材料。

参考文献：

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[2] 张瑞宏，马承伟，孔德军，等.“新型真空玻璃”项目中试方案的研究[J].玻璃与搪瓷，2003，（6）.

[3] 关振中著.激光加工工艺手册[M].北京：中国计量出版社，1998.

[4] ZHANG R H，KONG D J，YANG C J，et al.Theoretical analysis and experimental research on the braced stress of vacuum glazing[J].Key Engineering Materials，2007，（353）.

[5] 郑启光编著.激光先进制造技术[M].武汉：华中科技大学出版社，2002.

篇2

关键词：激光焊接；汽车；发展

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

中图分类号: TG456.7

激光焊接技术是一种重要的材料连接方法，早在1964年就有人开始在薄小零件的焊接中应用激光焊接技术，激光焊接因其具有高密度能量、穿透能力强、焊接精度高、焊接柔性大等优点，在航空、航天、电子、汽车、轮船等领域得到了广泛的应用。20世纪90年代初，欧美等国家已把激光焊接技术应用在农业等行业中。在汽车工业中，无论是车身的组装，还是汽车零部件的生产，激光焊接技术都得到了广泛的应用[1]。

几十年来，我国科研工作者也对激光焊接技术开展了广泛而深入的研究，在焊接工艺优化、焊接接头组织性能演变机制等方面取得了大量研究成果。激光焊接技术具有其他焊接技术无法比拟的优势和特点，与其他焊接技术相比，激光焊接技术焊接速度快、深度大、变形较小。焊接设备组成较简单、搭配灵活，同时激光焊接的应用范围较广，能对各种易焊和难焊材料实施焊接[2]。但是，激光焊接技术对焊接设备精度的要求也较高，对技术人员的操作水平要求也高，激光焊接设备的成本代价也比其他焊接设备的成本要高出很多[3]，这在一定程度上阻碍了激光焊接技术的应用范围。但随着激光焊接技术的不断发展运用和技术的成熟，激光焊接已经成为很多领域的必备工序。

1. 激光焊接技术的原理及特点

激光是一种发散性极小、能量密度极高的光源。利用激光这种特有的特性，将经过偏光镜反射的集中在聚焦装置中的高强度激光光束照射到需要焊接的材料或工件表面，高强度的光能被材料吸收利用，转化为热量并将照射材料融化，从而实现材料或工件的连接，这就是激光焊接技术的基本原理[4]。与传统的焊接技术相比，激光焊接技术具有很多优点，由于激光光束高度的收敛集中，可以进行较深的焊接，焊接时焊缝的宽度也就相应的很窄，接头区中高温区域的缩小使工件的变形率降低，极大程度地提高了加工精度；激光焊接时，激光光束照射到焊接工件上，释放出极高的热量，即使是熔点很高的材料，照射部位也能被瞬间融化，这样就提高了焊接速度，且焊接后工件接头区域的表面平整完好，基本上不用进行二次清理，节约了冗余工序和相应的成本；另外，激光光束比较容易操控，可以精确的定位到焊接区域，易于进行高自动化程度的焊接作业。

2. 激光焊接技术在汽车工业中的应用

2.1激光焊接在汽车制造中的应用

在汽车制造中，激光焊接技术主要应用于汽车车身的制造和汽车相关零部件的制造[5]。采用激光拼焊工艺获得的焊接接头质量优良，且焊缝转接也较为平稳，可以大幅改善汽车零部件的抗冲击性和抗疲劳性能。激光焊接技术应用于汽车车身制造中可以减轻结构件和零配件的使用数量，减轻整车重量，节约制造成本。近年来，发达国家在家用轿车制造中近60%的零部件已采用激光焊接技术，广泛应用于变速齿轮、半轴、传动轴、离合器等汽车部件的制造[6]。

2.2激光焊接应用现状

把激光焊接技术应用于汽车工业中最早的国家是德国。早在90年代中期，德国奥迪汽车公司就已经有三百多万辆轿车安装上了用激光焊接的底板和车身辅助构架。目前，在车身结构焊接方面处于世界领先地位的是德国大众汽车公司，该公司生产的的包括Golf、Passat、Polo等在内的多种车型的车顶、车门等主要部位的焊接几乎全部采用激光焊接技术，有效实现了减噪，也使得车身的结构设计更加安全。尽管目前激光焊接技术已经发展到了相当高的水平，但是人们对于激光焊接技术更深层次的探索从未停止过，国外已经着手开始研究新的项目——用远程激光焊来焊接柔性车身。相信激光焊接技术会伴随汽车工业的发展而不断更新和进步，并促进汽车工业的进一步发展。

目前，激光焊接技术在汽车工业，特别是中高档汽车工业的生产中的应用已经比较普遍。宝马、凯莱斯勒一奔驰、通用、福特、大众、丰田、亚菲特等各大汽车公司，都已经建立了自己的激光加工生产线。仅美国通用公司就拥有200多台激光器。激光焊接主应用于车身框架的拼焊和汽车零部件的焊接。比如，为提高汽车车身机构的稳定性和安全性，在汽车顶盖和侧面车身的焊接基本上已经全部采用激光焊接技术，传统的电阻焊已逐步被淘汰。变速器齿轮、气门挺杆和车门铰链等零部件，也已广泛地采用了激光焊接技术，提高了这些部件的质量和精度，也使得汽车整体性能有所提高[7]。

3. 激光焊接技术在汽车工业中应用所面临的问题

当前，激光焊接技术在汽车工业中的应用也面临一些问题。第一，激光焊接一次性的设备投入要比传统焊接的设备投入要高得多，焊接过程中单位时间内的的成本也比传统焊接高，一些规模相对较小的汽车公司就无力承担这些昂贵的设备投入，影响了激光焊接技术的普及和应用。第二，在激光焊接中实现利用计算机进行结果预测和质量监管的技术问题有待进一步研发和提高。由于激光焊接速度快、精密度高，在焊接前准确预测焊接结果并实现对焊接质量的有效控制是提高激光焊接效率和焊接质量、节约成本和工序的关键所在，这项技术目前还不能够完全实现，激光焊接研究工作者仍需在这些方面进行进一步的探索研究[8]。

参考文献:

[1]李晓娜,许先果,边美华.激光焊接在汽车工业中的应用[J].电焊机,2006,36(4):47-49.

[2]李亚江,王娟,刘鹏.特种焊接技术及应用. [M].北京: 机械工业出版社, 2004

[3]陈根余,陈建明,梅丽芳,王祖建.汽车白车身激光焊接生产线单元设计及分析[J].激光技术,2011,36(1):7-10.

[4]丁志宏 激光技术在金属加工中的应用[J].现代制造,2003 (11):34-37.

[5]张旭东,陈武柱.激光焊接技术进展及其在汽车制造中的应用[J].世界汽车,2003 (7):53-56

[6]汤旭东,徐平.汽车车身制造的激光焊接应用[J].自动化博览,2012 (3):48-51.

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[关键词]激光焊接；工作机理；工艺参数

中图分类号：TN249 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）07-0370-01

一、激光焊接技术的工作机理

20世纪60年代以来，伴随CO2、YAG等激光器的诞生，研究人员们也迅速将其利用到了焊接技术中，进而开发了激光焊接技术，它的开发和应用为焊接行业带来了新的希望，并且很快被广泛应用于各个领域中。激光焊接技术的工作机理由于激光器的不同也各有差异，因而，根据激光器提供的功率密度的大小可以将激光焊接技术分为两类，一是激光传热熔化焊，二是激光深熔焊，他们的工作机理也各不相同。激光传热熔化焊所使用的激光器功率密度为105～106w/cm2，其工作机理是被焊工件表面吸收激光束热量，然后利用热传导效应在工件表面形成一定体积的熔池，使被焊部位熔化，然后进行焊接工作。激光深熔焊所使用的激光器功率密度为106～108w/cm2，其工作机理为利用激光器功率密度高的特点，使材料达到瞬间汽化进而在表面形成圆孔空腔，然后再通过控制激光束与工件间的相对运用使空腔附近的金属熔化，进而完成焊接工作。

二、激光焊接的工艺参数

1、功率密度

单位面积内激光功率称为功率密度，它直接影响材料的升温时间，激光功率越大，材料表面温度升得就越快。高功率密度在切割、打孔等材料去除加工中得到广泛的应用。低功率密度易形成良好的熔融焊接，在传导型激光焊接中，其数值控制在104～105W/cm2。

2、激光脉冲波形

当高强度激光束射至材料表面，金属表面将会有60～98%的激光能量反射而损失掉，尤其是金、银、铜、铝、钛等材料反射强、传热快。一个激光脉冲讯号过程中，金属的反射率随时间而变化。当材料表面温度升高到熔点时，反射率会迅速下降，当表面处于熔化状态时，反射稳定于某一值。

3、激光脉冲宽度

脉宽是脉冲激光焊接的重要参数，。脉宽由熔深与热影响分区确定，脉宽越长热影响区越大，熔深随脉宽的1/2次方增加。但脉冲宽度的增大会降低峰值功率，因此增加脉冲宽度一般用于热传导焊接方式，形成的焊缝尺寸宽而浅，尤其适合薄板和厚板的搭接焊。但是，较低的峰值功率会导致多余的热输入，每种材料都有一个可使熔深达到最大的最佳脉冲宽度。

4、离焦量

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接平面距离相等时，所对应平面上的功率密度近似相同，但实际上所获得的熔池形状有一定差异。负离焦时，可获得更大的熔深，这与熔池的形成过程有关。

5、焊接速度

焊接速度低会使焊接材料过度熔化，从而导致工件焊穿，而焊接速度过快又会使焊接的熔深过浅。所以在现实生产中对特定材料的厚度和激光功率有一个合理的焊接速度范围。

三、激光焊接工艺与方法

1、双/多光束焊接

双/多光束焊接的提出最初是为了获得更大的熔深和更稳定的焊接过程和更好的焊缝成形质量，其基本方法是同时将两台或两台以上的激光器输出的光束聚焦在同一位置，以提高总的激光能量。后来。随着激光焊接技术应用范围的扩大，为减小在厚板焊接，特别是铝合金焊接时容易出现气孔倾向，采用以前后排列或平行排列的两束激光实施焊接，这样可以适当提高焊接小孔的稳定性，减少焊接缺陷的产生几率。

2、激光-电弧复合焊

激光-电弧复合焊是近年激光焊接领域的研究热点之一。该方法的提出是由于随着工业生产对激光焊接的要求，激光焊接本身存在的间隙适应性差，即极小的激光聚焦光斑对焊前工件的加工装配要求过高，此外，激光焊接作为一种以自熔性焊接为主的焊接方法，一般不采用填充金属，因此在焊接一些高性能材料时对焊缝的成分和组织控制困难。而激光一电弧复合焊集合了激光焊接大熔深、高速度、小变形的优点，又具有间隙敏感性低、焊接适应性好的特点，是一种优质高效焊接方法。激光与电弧复合焊的方法包括两种，即旁轴复合焊和同轴复合焊。旁轴激光电弧复合焊方法实现较为简单，但最大缺点是热源为非对称性，焊接质量受焊接方向影响很大，难以用于曲线或三维焊接。而激光和电弧同轴的焊接方法则可以形成一种同轴对称的复合热源，大大提高焊接过程稳定性，并可方便地实现二维和三维焊接。

四、激光焊接技术在封装塑料中的运用

塑料的激光焊接技术主要用于普通焊接技术难以适应的塑料制品（如高密度线路板）、形状复杂的塑料件以及有严格洁净要求的塑料制品（如医药设备、电子传感器等）等。激光便于计算机控制，采用光纤激光器输出激光束可使激光灵活地达到零件各个微小部位，能够焊接其他焊接方法不易达到的区域。传统焊接技术无法焊接的异型塑料也有机会加以良好焊接，如用激光可将能透过近红外激光的聚碳酸脂（PC）和30%玻纤增强的黑色聚对苯二甲酸丁二醇酯（PBT）焊接在一起，而其他的焊接方法根本不可能将2种在结构、软化点和增强材料等方面如此不同的聚合物连接起来。

激光焊接技术被广泛运用在被黏接的非常精密的塑料零部件材料（如电子元件）或要求无菌环境（如医疗器械和食品包装）中。激光焊接技术速度快，特别适用于汽车塑料零部件的流水线加工。另外，可以将激光焊接技术运用在那些很y使用其它焊接方法黏接的复杂的几何体中。目前国内使用的塑料焊接技术主要有热熔焊接、高频焊接、振动摩擦焊接及超声波焊接等。塑料的激光焊接技术在欧美发达国家已经得到了一定程度的应用。我国这方面的技术尚在起步阶段。

近年来，激光二极管广泛用于焊接及塑料的连接。激光焊接已用于制造汽车传感器、调速控制箱及薄壁医用管的精细焊接。激光焊接要求所焊接的2种塑料对同一波长的光有不同的反应，其中一种材料对激光必须具有穿透力，而另一种必须可被激光吸收，激光从上方接合处的穿透性元件传到下方可吸收元件，这样辐射能量就被转化成局域性的热能，此热能导致塑料的熔化。而透明塑料部位的熔化是通过与非透明材料的接触性热传导所致。在外部夹具的施压下，由局部加温而产生的焊接处热膨胀可形成牢固接缝。

五、结语

总之，通过多年的激光焊接技术的研究与开发，逐步建立了生产、研究、开发相结合的激光焊接发展体制，并在个别的技术环节和应用方面取得了一定的研究成果。未来，激光焊接技术在民用领域的应用也将更加广泛，从而进一步推动社会的发展和进一步，为全人类造福。

参考文献

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关键词：激光焊接设备；激光器；激光束；专利

1 简介

激光焊接技术是以激光束为能源，使其冲击在焊件接头上以达到焊接目的的技术。自从20世纪60年代初激光器诞生后，它在焊接领域的应用潜力便引起人们的极大关注。随着高功率CO2和YAG激光器以及光纤传输技术的完善，激光焊接的应用范围越来越广，广泛应用于车身制造、船舶制造，甚至于大飞机的制造中[1]。

激光焊接设备主要包括激光器种类、激光束成形和控制、保护气氛和喷嘴结构三部。本文立足世界专利，以激光器种类、激光束成形和控制、保护气氛和喷嘴结构这三个方面的专利申请数据为分析样本，对激光焊接设备的发展动向、主要竞争对手、专利分布状况等情况进行了分析。

2 激光焊接设备专利技术分析

为了对激光焊接设备的专利状况进行分析，我们选择使用Patentics索[2]。该系统的数据库包括了中国发明、实用新型全文，美国授权、申请专利全文，EPO申请全文，WO申请全文以及世界专利英文摘要，足以覆盖我们要检索的专利数据。

检索完成后，首先根据后续专利分析的需要，确定需要采集的字段，将数据导出和保存，Patentics得到的数据以EXCEL格式保存。在数据采集之后，需要对采集到的数据进行清理、标引。数据标引完成后，用EXCEL对标引完的数据进行统计分析，得到所需图表，从图表对激光焊接技术的专利状况进行分析。

2.1 发展趋势分析

焊接设备技术分为保护气氛和喷嘴、激光器种类和激光束成形和控制三个部分。图1为焊接设备的技术构成，从图上可以看出，激光束成形和控制申请量为2495件，占47%，保护气氛和喷嘴申请量为2103件，占40%，激光器种类申请量为678件，占13%。可见，激光束成形和控制技术与保护气氛和喷嘴技术为焊接设备的研究重点。

图2为焊接设备各技术分支的专利类型占比图，由上图可见，焊接设备的各个技术分支中均以发明专利为主，发明专利均占总体的百分之九十左右，实用新型申请量总体较少。其中，激光束成形和控制的发明专利2298件，占92.1%；激光器种类的发明专利605件，占89.2%；保护气氛和喷嘴1961件，占93.2%。

图3为焊接设备的专利申请量发展趋势（因为发明专利一般在申请后18个月才公开，因此，2015、2016的专利申请量不是准确的数值，故在图3-4、6中2015、2016用虚线表示）。由图3可以看出，焊接设备的申请从1977年开始，至1989年处于缓慢发展期，1990年申请量为40件，从此，焊接设备的申请量逐年增加；2000年申请量已经达到251件，1990-2007处于稳步发展期；2008年以来，焊接设备的申请量更是急速上升，2013年达到了340件。

图4为焊接设备各技术分支的申请量发展趋势，激光束成形和控制与保护气氛和喷嘴两个技术分支的发展趋势与其所属二级分支的发展趋势基本一致，其中可以明显看出在2013年两者的申请量都达到了最高点，分别为98件和171件。激光器种类的申请量在三个技术分支中相对较少，2001年达到最高点41件，其后又缓慢减少。

2.2 技术来源国分析

图5给出了焊接设备专利申请的技术来源国构成。从图中可以看出，日本是最主要的技术来源国，为2253件，占全球申请的43%；中国排在第二位，为913件，占全球申请的17%。排在第3、4位的分别是美国和德国，为668和485件，占全球申请的13%和9%。其他国家相对较少。

图6给出了焊接设备四个主要技术来源国的申请趋势。作为主要的技术来源国，日本、中国和美国上世纪90年代开始进入稳步发展期，2000年日本的申请量达到了最高点，有150件申请；而中国的申请量一直稳步上升，达到了最高点，截至2016年11月中国2015年的申请量达到157件；2013年美国的申请量达到了最高点，有58件申请；2008年德国的申请量达到了最高点，有36件申请。相对而言，2010年以前，日本的申请量领先，2011年开始中国的申请量开始超过日本，这和我国政府的创新发展政策有关。

3 结束语

从上面的分析可知，激光束成形和控制的专利申请量几乎占焊接设备专利申请总量的一半，保护气氛和喷嘴的申请量占40%，可见这两个分支是焊接设备的研究热点，激光器种类的申请量较少，这是由于激光器种类有限且技术突破比较难。从全球来看，日本在焊接设备方面处于领头羊的位置，虽然近几年专利申请量低于中国，但是其地位还是不容小觑的。我国企业在焊接设备的研究应多借鉴日本的专利申请，在专利布局方面也应重点关注日本企业的专利，避免侵权。

参考文献

篇5

关键词：高速钢；异种金属焊接；显微组织；力学性能

中图分类号：TG456.7 文献标识码：A

异种金属焊接能够充分利用各种材料的优异性能，且能减少贵重金属的使用，降低成本，因此，在工程机械、交通运输、航空航天等行业得到广泛应用[1-3].作为金属锯切工业中的重要组成部分，带锯条产品以其锯切效率高、锯切损耗小[4-6]、适应性广等特点，在加工工业中发挥着其重要作用.近年发展起来并获得广泛应用的双金属带锯条则是采用高速钢作为锯齿材料[7]，高强度钢带作为锯带背体材料[1，8]，通过焊接而实现锯条齿部高耐热性、耐磨及背部高强韧性的理想结合.由于高速钢中碳以及W，Mo等高熔点元素含量高，焊接性差，同时，与高强度钢的理化性质（如线膨胀系数）相差较大，因此采用传统的焊接工艺难以实现两者的理想焊接[2，8-9].激光焊接具有功率密度高，光斑直径小，能量集中，速度高，焊缝热影响区小，热变形小等优点，因此，对含有高熔点合金元素的异种金属焊接具有优异性[1-2]，成为双金属带锯条的理想焊接方式.但目前就其焊接工艺对接头组织性能影响规律的研究较少.本文采用CO2激光器焊接，研究了不同焊接工艺参数对高速钢M42钢丝与高强度钢带X32焊接接头组织及性能的影响，为实际应用提供指导.

焊前对上述母材表面进行丙酮超声波清洗.实验采用TruLaser 1100 型CO2激光器，其最大输出功率为4 000 W，光束模式为TEM00模，焦距250 mm，焊接时采用Ar气作为保护气体.实验参数如表3所示，其中焊接速度为被焊材料相对激光束移动的速度.采用金相显微镜（OM）和电子扫描电镜（SEM）对焊接接头组织进行观察，利用显微硬度计以焊缝中心为对称轴，每隔0.05 mm进行检测（载荷力为9.8 N，保荷时间为15 s），对焊缝进行硬度检测.采用电子探针（EPMA）对焊缝附近区域进行元素分布分析.焊缝强度检测采用抗弯实验，抗弯试样为3.0 mm（宽）×1.1 mm（厚）.

分布呈明显的分界现象.PMZ界面处W，Cr，Mo，V等元素发生了由齿材M42向焊缝的扩散.焊缝FZ中Mn，Fe元素含量明显高于母材M42，母材M42中C，Co含量明显高于焊缝.母材M42中碳化物多为Mo，V，W，Cr元素聚集区域.由图4可以看出，焊后背材X32焊缝中Cr，Mn，Fe，V，Mo元素分布呈明显的分界现象.C元素分布较为均匀，焊缝C含量略高于背材X32中C含量.Ni元素分布较为均匀.母材中碳化物位置为Cr，Mn，Mo元素聚集区.焊缝中高亮区域为Mo，Cr，V元素聚集区域.Fe元素呈由背材向焊缝递减的分布趋势.

2.2不同激光功率和焊接速度对焊接接头组织的

影响

1）图5为激光焊接功率P=2 754 W，不同焊接速度焊接后接头的SEM照片.由图5可知，随着焊接速度的增大，焊缝中心区的等轴晶增多，树枝晶减少，焊缝中柱状晶的生长越垂直于熔合线，且焊缝中平均晶粒尺寸减小.在靠近M42侧熔合区，随着焊接速度的增大，柱状晶区变窄，等轴晶区变宽，且此区域生长的等轴晶越细小，依附于此等轴晶生长的柱状晶越细小.

3讨论

3.1焊接接头的显微组织形成机理

由图1可知，PMZ与FZ区呈现出柱状晶和等轴晶组织.由于接头各区域的冷却速度不同，在焊接过程中，其凝固组织会出现较大的差异.一般地，从FZ边界到中心，温度梯度（G）逐渐降低、结晶速度（R）升高，FZ区晶粒的生长模式从熔池边界到中心会由于凝固参数G/R的降低而发生改变，依次为胞状生长、柱状树枝晶生长、等轴树枝晶及等轴晶生长，将胞状晶和柱状树枝晶出现的区域合成为柱状晶区.沿着两侧的熔合线至焊缝中心方向上，由于此方向上G/R的值逐渐减小，在焊接熔池的凝固过程中，结晶沿最大散热方向择优长大为柱状晶及柱状树枝晶，由于熔池的过热度和温度梯度增大，使非自发形核质点大为减少，G/R值相对较大，使柱状晶显著生长[4，10] .在本实验中，靠近背材X32一侧的熔合线附近，柱状晶尺寸逐渐变小，存在一个细小的等轴晶区域；在靠近齿材M42一侧的熔合线附近，树枝晶的方向性被打乱，柱状晶组织消失.这是由于靠近背材X32一侧的背材尺寸较大，散热相对较快，温度梯度较小，而靠近齿材高速钢侧所含的高熔点合金元素较多，在焊接时会存在一些未熔的碳化物，未熔碳化物的存在，阻止了柱状晶的生长[3，5，11].

焊缝中心区存在一个等轴晶区域，其形成的原因为：由图3和图4可以看出，焊缝中心区由于熔池含有W，Mo，V等高熔点元素，以溶质质点形式存在或形成碳化物并促使形成等轴晶.又由于焊缝中心区，温度梯度最小，G/R值相对较低，熔体中成分过冷显著，从而导致了等轴晶的形成.焊缝中心区晶粒细小，这是由于激光焊接的快速凝固所致.

3.3异种金属激光焊接接头显微硬度分布讨论

由于激光具有快速加热和冷却的特点，且被焊材料含碳量均很高，属于易淬硬的材料，因此，焊后（图2）接头的焊缝区和热影响区均生成高碳马氏体，且生成快速凝固组织，所以硬度较高.在焊接过程中，熔池及其附近完全熔化区的母材金属材料，特别是熔化了的晶界处，与其上的液态金属之间进行着碳元素的扩散交换，从而导致了熔池阶段及凝固后的高温阶段，在不完全熔化区紧靠熔合线一定宽度范围内（近缝区）的碳含量降低[3，9，14].但由于激光焊接的自身特点，使焊后冷却速度非常快，致使碳元素的扩散行程较短，主要集中在熔合线焊缝区，以此该区形成高碳马氏体，使该区的硬度较高，甚至高于焊缝区[5].同时由于Ni元素的特性，改变了碳的扩散特性，同时又由于高速钢侧W，V等强碳化合物元素的存在，也降低了碳的活度系数[2，7]，从而碳迁移减弱，使高速钢近缝区的硬度较高.此外，在焊缝凝固后，由于热传导的作用，热影响区发生相变，碳及合金元素从马氏体及残余奥氏体中脱溶，析出高强弥散的碳化物，发生了马氏体的二次硬化，使靠近高速钢融合区的硬度比近缝区的硬度要高.因此，在抗弯断裂实验中，断裂位置均发生在靠近高速钢M42侧的熔合线附近[3，5，10，15].

4 结论

高速钢M42与高强度钢X32异种金属CO2激光焊接接头的典型组织为等轴晶加柱状树枝晶，焊缝中心区为等轴晶区域，焊缝中心区两侧为柱状晶和柱状树枝晶.在靠近齿材M42一侧的熔合线附近，树枝晶的方向性被打乱，存在一个细小的等轴晶区域，且靠近此区域生长的柱状晶较X32侧熔合线附近的柱状晶更细小.

随着焊接速度的增加，焊缝中心区等轴晶增多，树枝晶减少.靠近M42侧熔合边界等轴晶变的更细小.随着激光功率的减小，焊缝中心区树枝晶数量增多，等轴晶减少，焊缝与母材熔合边界柱状晶范围变宽.M42/X32异种金属激光焊接接头抗弯断裂均断在靠近高速钢M42侧的熔合线附近.当焊接功率为2 754 W，焊接速度为14 m/min时，焊接接头性能优良，抗弯强度值为112 MPa.

参考文献

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篇6

【关键词】激光焊；应力场；数值模拟

激光焊接时由于激光束的能力密度高，局部的快速加热与冷却，在焊接过程中和焊接冷却后会产生相当大的焊接残余应力和残余变形。它不仅可使焊缝产生裂纹，降低强度和韧性，而且这些残余应力与工作应力叠加，使结构的应力强度增加，影响焊接结构的安全可靠性。因此为了保证结构的安全使用，准确的评估焊接结构的残余应力和变形已成为一个极为重要的研究课题。

激光焊接是不均匀的局部加热，工件温度变化范围较大，要经历急速升温和降温的过程，是非静态的。材料在高温会发生相变，材料的机械性能和热物理性能均随温度变化，是非线性的。所以激光焊接过程非常复杂，它包含相变、塑性和非线性等因素影响的热弹塑性问题。只有借助与有限元法才能使这种复杂过程的数值分析与计算成为可能。

1 焊接应力场的模型的建立

本文采用顺序耦合方法进行焊接应力场的数值模拟。将前一个分析的结果作为载荷施加到下一个分析中的方式进行耦合。激光焊接应力应变场分析是典型的热-应力顺序耦合分析，先模拟出温度场，再将热分析中得到节点温度作为“体载荷”施加到结构分析中。

2 网格划分

对激光焊应力场的计算时，采用和温度场模拟相同的网格。在温度场的计算中，可将焊接过程看做是准稳态的过程，在长度方向可以取较短的一部分进行计算，而在应力应变场的计算中，模型尺寸的大小直接决定了焊接结构的约束状态，对应力及应变场的模拟结果影响很大。如果在应力场的计算中采用和温度场模拟中一样的网格粗细大小，由于焊接长度的增加，会使得应力场计算的时间大大加长。如果采用较粗的网格，就会损失一定的温度场计算的精度。因此，需要在计算精度与计算时间之间做出妥协。

模型使用映射网格，在计算应力场之前，首先把间隙板中的单元全部杀死，然后在计算焊接过程的子步中，逐步激活间隙板中的熔融温度以上的单元加入计算，以此来模拟激光焊接熔池的形成。这样，叠接的两块工件之间只有焊缝处的单元才结合在一起。

3 材料的力学性能参数

需定义20钢和304不锈钢的弹性模量E、热膨胀系数α、泊松比μ、屈服强度σs、热膨胀系数，材料塑性选项选取等向强化屈服准则。

4 初始条件和约束条件

设焊前母材的初始应力为0，初始温度设为环境温度25℃。本模型中不承受外载荷力，体积力、重力均忽略不计，只考虑热应力的作用。读入各节点的温度值，即温度场计算的结果，进行热应力计算，时间步长与温度场计算时一样，有利于温度载荷的读入和计算精度的提高。对焊接构件自由度进行约束，加载边界条件要注意两点：一是防止有限元计算过程中产生位移，二是不能严重阻碍焊接过程中应力自由释放和焊接结构自由变形。

图1为有限元模型的位移约束示意图。在焊缝中心面E-F上施加对称约束，对称面约束指的是将该面的所有节点在平面外的移动和平面内旋转都被设置为零。即限制E-F面的节点在垂直该面（Z轴方向）的位移和绕其它两个轴（X、Y轴方向）的旋转，总之，该面的节点只能在XY轴方向做平移运动。在有限元模型的A-D边施加Y方向位移约束，在A-B边和C-D边施加Z方向的位移约束。这样，即防止了数值模拟中产生位移，又没有严重阻碍焊接过程中应力的自由释放和焊接结构的自由变形。

5 应力场计算结果及分析

以下结果均是在焊接工艺参数为I=350A，V=100mm/min，Δf=-1mm时计算出来的。平行于焊缝方向的残余应力称为纵向焊接残余应力，记为σx，垂直于焊缝方向的残余应力称为横向焊接残余应力，记为σy，由于板的厚度很小，所以沿着厚度方向的残余应力较小，一般不作考虑。

图2为焊后冷却到259.88s之后的上表面等效残余应力云图，在焊缝及其热影响区附近，存在着较大的残余应力，为200-400MPa之间，个别区域大于400MPa，从焊缝中心向两边残余应力迅速降低。下表面在激光焊接的起始区域和结束区域，残余应力最大，存在着明显的边界效应，特别是靠近焊接结束的地方，残余应力达到最大值，而终焊点的前端存在着一个低应力区，如图3。

焊接结束后，焊缝末端由于没有热量继续施加，焊缝终了区域熔池中的液态金属冷却的速度比别处的要快很多，使此区域的温度梯度很大，所以此区域的残余应力较其它区域要高，焊缝中最大的残余应力出现在此区域。

6 结论

焊缝及其热影响区附近，存在着较大的残余应力，从焊缝中心向两边残余应力迅速降低。激光焊接的起始区域和结束区域，残余应力最大，存在着明显的边界效应，特别是靠近焊接结束的地方，残余应力达到最大值，而终焊点的前端存在着一个低应力区。

参考文献：

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关键词：激光焊接工艺；现状分析；进展

DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2016.08.007

激光焊接工艺在汽车制造业、铝合金和镁合金材料的焊接、塑料加工业、船舶制造业等领域都有着十分重要的地位，是一门高度综合性的技术，能够显著提升产业效率和产品、服务质量。在这个背景下，研究激光焊接工艺的现状分析与进展的诸多问题，具有重要的现实意义。

1 概述激光焊接工艺

激光焊接工艺是一种现代焊接方法。与传统的焊接方法相比较，激光焊接拥有众多特点，比如被焊接的工件变形情况较小，焊接的深度和宽度都较高，热影响区域较小等。除此之外，激光焊接工艺不会受到磁场的影响，不会完全局限于导电材料和真空的工作环境，而且在工作的过程中也不会大量产生X射线。也正因为上述优势，激光焊接工艺在工业各个领域内的应用较为广泛。近些年来，制造部门渐渐将自动化技术应用到焊接的整个过程中去，只有将激光和计算机控制进行整合，实现有机结合，才能实现焊接过程的更好、更精确地控制，实现产品质量的提升。焊接产品质量的提升要求激光焊接过程监测和质量控制水平的提升，这也已经成为激光利用领域内的关键日程之一，其中，电感、声波、电容、光电等各种类型的传感器的利用是其中的核心内容。除此之外，利用电子计算机开展处理工作，根据焊接对象和要求的不同分别进行焊缝跟踪、缺陷检测等项目的处理，利用反馈控制实现焊接工艺参数的调节，最终实现激光焊接的完全自动化。

2 激光焊接工艺的应用现状

与传统的焊接工艺相比，激光焊接工艺能够有效实现多种材料的“无缝”焊接，成为传统焊接工艺的补充和扩展。从我国目前的焊接实践来看，激光焊接工艺已经成为这个领域的中流砥柱。

2.1 激光焊接工艺在电子元件领域内的运用

在传统的焊接工艺下，焊接面会存在过高的温度和辐射，这种情况会损坏电子元件本身，造成电子元件断裂或者接触不良等，影响其周围的环境。虽然这些不利影响能够通过相关手段解决，但是这也无疑会对电子元件的使用寿命产生缩短的影响，甚至影响后续的正常工作。从我国目前的焊接实践来看，激光焊接已经被广泛运用至电子元件的焊接领域。因为激光焊接工艺拥有可以开展局部微小范围内加热的优良特性，而且还能够做到准确控制电子元件焊接部位的局部温度。通俗一点说，就是激光焊接工艺能够实现在微小领域产生较高平均温度，而且不会对周边的区域产生不利影响的理想状态。

2.2 激光焊接工艺在铝合金材料焊接中的运用

激光焊接工艺在汽车制造业的铝合金材料焊接中的运用也较为广泛。在对汽车相关器件进行焊接的过程中，侧吹保护气体的方式是最为常用的一种焊接方式，能够实现车用镀锌板的全方位保护。从我国目前的汽车制造业发展实践来看，铝合金是一种较为普遍的工业材料，能够起到车体防腐和减轻车重的作用。所以，在发动机、轮圈、仪表盘等众多方面，铝合金材料都有非常广泛的运用。激光焊接工艺在铝合金材料的焊接方面有着得天独厚的优势，因为其能够实现铝合金材料的高效保护。然而，在铝合金焊接实践中运用激光焊接工艺也存在着一定的弊端，这也是由铝合金自身的热力性能决定的。这种特性虽然能够实现铝合金元件的有效保护，但是却无法有效避免熔池飞溅、小孔塌陷等焊接过程中常发现象。

2.3 激光焊接工艺在镁合金材料焊接中的运用

汽车制造业在近几年得到了飞跃式发展，汽车零部件的制作材料逐渐从铝合金过渡为镁合金。比起铝合金的汽车零部件，镁合金具有分量轻的特点，而且刚性、强度、导电性、导热性等性能都有了一定的提升和优化。除此之外，镁合金能够实现循环利用，回收利用的效果较好，经济成本较低。激光焊接工艺在镁合金材料的焊接过程中能够在器件的焊接局部产生一种氧化膜，实现镁合金器件的高效保护。不光是在汽车制造领域，航空航天领域内镁合金的广泛运用也使激光焊接工艺成为主流焊接技术，因为其能够满足航空航天利用的机器器件生产和制造的复杂要求，还能够有效减少飞机的自重。

3 激光焊接工艺的研究进展

不管是从国内还是从国外的激光焊接实践状况来说，未来的激光焊接技术的研究重点集中于以下三个方面：首先，是焊接过程的有效控制。其次，是激光器的研发和升级。最后，是焊缝缺陷的动态监测方面。在第二个方面中，提升电光转换效率是激光器研发和升级方面的核心内容，因为我国目前的激光器结构仍然十分复杂，如何实现激光器内部结构和外部性能的完善和升级是当下的重要任务之一。在第三个方面中，因为单一的传感技术不能满足众多复杂检验任务的要求，所以在未来，需要进一步发展焊接过程中的监控技术，力图将多种形式的传感技术充分结合起来，不断提升检测任务的精确度。

在激光焊接工艺的发展历程中，双光束激光焊接技术、激光复合焊接技术以及三维可控激光头的产生都对激光焊接工艺的成熟和发展起到了十分强劲的推进作用。激光焊接工艺的优越性使其成为最有朝气的焊接方式之一，在未来，其在材料焊接上的运用主要集中在新型激光器的研发、高精度激光焊接设备的开发和投入使用、不同材料焊接工艺的完善和优化方面。随着激光焊接工艺不断发展成熟，其适用的领域也会变得越来越宽广。在某些领域，激光焊接工艺取代传统的焊接工艺，成为主流的焊接技术，已经指日可待。

4 总结

激光焊接工艺的深入发展能够促进国内焊接技术的发展成熟。从我国目前的材料焊接实践来看，激光焊接工艺主要在大批量生产、承办大规模焊接的企业以及航空航天等受到国家财政支持的项目中运用，并没有得到真正意义上的大范围、广领域普及。相关领域的工作和研究人员要致力于激光焊接工艺的优化和完善工作，使其充分发挥优势，克服缺陷，为产品质量和生产效率的提升做出更大贡献。

参考文献：

[1]戴景杰.铝合金激光焊接工艺特性研究[J].电焊机，2010，40（03）：20-23.

篇8

关键词：轨道车辆 焊接技术 铝合金

中图分类号：U270.6 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）02（c）-0073-01

1 焊接工艺现状分析

铝合金的密度低，同时却具有较高的机械强度，不易腐蚀，不会磁化，在低温环境中也不易脆化，因此被广泛用于高速动车的车体材料当中。使用铝合金作为车体的主体框架，可以使车体重量减少50%以上（相比较于钢结构）。但是由于铝合金熔点低、导热系数及热膨胀系数较大，因此，在焊接时容易产生裂纹、融合不良、气孔等缺陷。铝合金的焊接方法有多种，包括惰性气体的保护焊（MIG）、钨极惰性气体的保护焊（TIG）两种焊接方法。在焊接过程中，主要会出气孔、裂纹、焊接变形等问题。气孔的形成主要是由于氢气造成的，焊接的过程当中，吸附在母材表面的水膜会在电弧的作用下分解成气体，气体没有及时排除，就形成了气泡；当铝合金受热时，其膨胀系数是一般钢材料的两倍，当焊接是没有留有足够的空隙时，那么就会造成焊接变形。在长时间的实践过程中，已经总结了很多抑制这些缺陷的方法，譬如对于较厚夹板的焊接，为了能够保证焊接的质量要使焊缝从分均匀地融合，而且使焊缝中的气体顺畅溢出，采用较慢的环节速度和较大的电流配合焊接；与之相反，如果板材较薄，如果焊接的时候焊枪的停留时间稍长，那么铝材过热就会很容易产生气体，造成气孔的产生，所以一般以小电流快速焊接。

2 轨道车辆焊接新技术

当前，轨道车辆正朝着环保低碳、节省能源、质量轻、高质量、安全性及多样化方向发展，并且我国对轨道车辆，尤其是以铝合金车体为主的动车组需求量较大，因此，铝合金车体的制造需要一种新的焊接技术，才能使得铝合金车体焊接在传统的材料连接方法基础上向先进的“无污染、高质量、低消耗能源焊接制造”的方向发展。在本文中主要引入搅拌摩擦焊、激光焊接、激光电弧混合焊接。

2.1 搅拌摩擦焊

在轨道车辆生产中应用搅拌摩擦焊技术，日本是最早的国家之一。1998年，日本在生产单壁结构车体的过程中，对单壁6000系列的铝合金型材率先利用搅拌摩擦焊取代了熔化极氩弧焊进行了拼接。不再需要开坡口，采用搅拌摩擦焊就可以直接对单壁型材进行焊接。搅拌头的压力有可能在焊接过程中导致变形，为此加装桐垫板在焊缝下面，可以改善接头质量，同时提高生产效率。但是在双壁型型材焊接的时候，就不易施加铜垫板防止变形，这时用搭接接头来替换原来使用在熔化极氩弧焊的对接接头，可以减少施加垫板的工序，同时接头的刚性也得到了增加。搅拌摩擦焊在焊接的过程中，搅拌头高速旋转，在机械摩擦的作用下，材料的转移过度量与摩擦作用在动态上达到平衡。在这个过程中，焊接的温度并没有达到材料的熔点，焊接材料不会融化，属于固相连接的范畴。技术实现上，搅拌针的深入量和轴肩的压入量都有工艺要求。在满足工艺上的要求以后，粉碎、挤压后的焊接材料在摩擦产生的热量作用下产生热塑性形变，而材料会在塑性变性能综合摩擦热的作用下实现流动，扩散到焊接点周围实现连接。正因为搅拌摩擦焊的这种特点，母材不会发生诸如接头变形，出现凝固裂纹，大面积受热影响材料特性等问题，从而在铝合金焊接中大量应用。

2.2 激光焊接

激光焊的热源是通过聚焦高功率能量得到的激光束，激光通过偏光镜反射，在聚焦装置中得到聚焦就会产生高能量，高能量发热融化工件，工件结合发生物理变化，焊缝形成。结合是线结合的方式，没有断点是激光焊焊缝的特点，而间断焊接的点焊方法用在电阻点焊的重叠构件上，不能保证车体有效的达到高密闭性。激光焊接的技术优点是可以处理出深宽比较大的焊缝、被高温影响的母材区域窄、可以迅速完成焊接、使母材变形量减小。但是它的缺点也是明显的，对装配精度苛刻的要求以及焊接中出现的裂纹、咬边和出现气孔的缺陷经常出现。

在铝合金焊接的领域中，激光焊也以其显著的优点大量应用。但是在现阶段我国还没有大规模的在铝合金车体焊接中采用这种焊接方法，主要是限制于激光焊接设备高昂的成本和苛刻的使用要求。这些限制使得即使在国外，激光焊接也是在其他焊接方法无法完成焊接要求的时候才会使用。该技术的应用解决了复合铝合金板：1个非金属夹层被2个薄铝板夹住的焊接难题，相信在不久的将来必定被我国动车组铝合金车体焊接中应用。

2.3 激光-电弧复合焊

激光复合焊接是对TIG或者MIG电弧焊与激光焊接复合焊接的通称。在传统的TIG焊接中，由于焊接过程中在大电流通过是钨极融化的问题，使得这种焊接方法大多焊接3 mm以下的铝合金车体薄板，另外一方面，动车组50%以上的部件采用MIG焊接，但焊接过程复杂且要求苛刻。激光电弧复合焊接主要是结合电弧焊与激光焊接的长处来处理工程上的问题。比如说，在激光焊接中，能量使用率比较低，产生这种现象的原因是激光在到达焊接材料之前就会被焊接过程中的出现的等离子体云散射和吸收，这种吸收作用与正负离子体密度的乘积成正比；如果有电弧存在在激光束附近，正负离子会被电弧吸引和抵消，这样等离子体云的密度就会被稀释，激光的效率得到提高。激光还有一个特性是物体表面的温度升高以后，吸收激光能量的效率会进一步提高，这样，利用电弧对焊接材料先行加热，再施加激光焊接，激光的吸收效率再次提高。另外，电弧会接受激光的引导和聚焦作用，电弧得到稳定，电弧焊接的效率也更高。这样，焊接熔深进一步增加。这种效果尤其对于激光反射率高、导热系数高的材料例如铝合金上更加显著。

动车组的车体中，有很多大部件焊接，如边梁的焊接、底架的焊接等，这些都是焊接过程中的耗费工时的技术难点，在已进行的实验中，激光电弧复合焊接何以有效的提高这些焊接件的焊接效率，缩短组装周期。因此，无论是从焊接质量、焊接生产效率、焊接技术需求方面考虑，还是从降低焊接生产成本方面来考虑，激光-电弧复合热源焊接技术在轨道车辆转向架构架的焊接上都具有推广应用潜力和良好的发展前景。

3 结论

本文针对铝合金车体主要对轨道车辆的焊接现状现状进行简单的回顾，然后着重介绍了三种先进的焊接方法，摩擦搅拌焊接、激光焊接和激光复合焊接。通过介绍可以看到这三种焊接拥有这传统焊接不可比拟的优越性能，随着这些焊接技术的不断成熟，焊接成本的下降，以及对于轨道车辆性能的不断提高，这些焊接方法必将得到巨大的发展，在提高焊接过程机械化、自动化水平，提高焊接质量和生产率上起到重要的作用。

参考文献

[1] 王炎金.铝合金车体制造关键技木研究[J].装备焊接，2012（3）.

篇9

关键词：现代焊接技术；自动化；智能化；焊接工艺；发展前景 文献标识码：A

中图分类号：TG434 文章编号：1009-2374（2015）21-0076-02 DOI：10.13535/ki.11-4406/n.2015.21.038

就我国现阶段的工业化发展情况来说，焊接广泛应用于多种材料的连接，而随着高新技术的不断发展，原来的传统焊接方式也转化为激光、电子束焊等先进的焊接技术。可以说，无论是在建筑行业，还是车辆、机械、医疗设备等方面，离开焊接技术是根本无法运转的。而随着与国外交流的增多，现代焊接技术已经有了异种材料的非金属材料的连接技术，而在产品表面设计方面也有了更好的创新制作方法，可以说，焊接技术的发展前景是非常光明的，焊接技术的未来充满了希望。

1 现代焊接技术的发展现状

近年来，经济带动了制造业的发展，焊接技术也随之有了极大的进步，焊接产品的效率也越来越高，而现在如何在保证产品质量的前提之下实现焊接生产自动化和智能化已经成为焊接行业的重要任务。现代高新技术比如说智能控制技术、图像处理与传感器技术等融入焊接技术，使得现代焊接技术有了更为切合时代潮流的

发展。

1.1 焊接生产自动化和智能化发展

焊接行业的智能化发展主要是体现在焊接智能机器人的发展，焊接自动化水平在一定程度上可以理解为焊接智能机器人的发展水平。目前使用最为广泛的焊接机器人是示教再现型，即由人工引导机器人末端执行器（安装于机器人关节结构末端的夹持器、工具、焊枪、喷枪等），或由人工操作导引机械模拟装置，或用示教盒（与控制系统相连接的一种手持装置，用以对机器人进行编程或使之运动）来使机器人完成预期的动作，由于此类机器人的编程通过实时在线示教程序来实现，而机器人本身凭记忆操作，故能不断重复出现。这就形成了焊接智能机器人的自动化焊接过程。

1.2 焊接工艺高速高效化

为实现焊接行业的进一步发展，需要优化现今的焊接工艺，将传统的焊接工艺转化为高速、高效、高质量的焊接工艺。而国内外也在焊接工艺的优化上投入了较多的精力，现今已经在活性化焊接工艺、多元气体保护焊接工艺上取得了不错的成效。而在焊接速度的研究也有了长足的进步，现今已经可以达到1.8m/min，大大提升了焊接产品的效率。而随着国外在数字化焊接电源和高新信息处理技术上的关注，中国市场也逐渐引入相关先进产品和技术。数字化焊接电源解决了原先较为刻板的刚性化控制，能够实现对焊接过程的柔性化控制以及多功能集成，而对焊接的精度、焊接过程系统的稳定性、产品的一致性、产品升级流程等方面都有更高的要求，能够对现代焊接技术的发展有更好的帮助，使得焊接工艺实现高速和高效化。

1.3 焊接质量的优化保证

对于焊接产品来说，最为重要的就是焊接质量，若是焊接质量不尽如人意，对于产品日后的使用寿命是非常有限制的，而焊缝跟踪技术对于控制焊接质量是非常关键的。在焊缝跟踪技术方面，焊接行业投入的比较多，也已经有了较为成熟的技术。比如说较为先进的熔滴过渡控制现今由于引入了数字化焊接电源，并且在系统上使用了先进的电子元件，使得对熔淌控制上更为得心应手，在这方面的应用上也丝毫不输于国外先进水平，这在焊接行业是非常重要的部分，是保证焊接产品质量的重要技术。

1.4 焊接技术现代先进发展

现代焊接技术随着与国外先进技术的不断交流与分享，已经达到一个较高的水准，以下笔者将以激光焊接为例阐述其优点与新进展。激光焊接技术属于熔融焊接的部分，它是以激光束为能源，直接冲击在焊件接头上，这种焊接方式对于确定焊件位置的要求是非常高的，需要极为精确，需要保证焊件位置在激光束的聚焦范围内。激光焊接的最大可焊厚度是有限制的，一般渗透厚度超过19mm的工件是不建议激光焊接的，不仅对于焊接技术有较大的困难，对于焊件产品本身也不容易有较好的焊接质量。此外，激光焊接具有高反射性及高导热性，焊接性很容易受激光所改变，当使用极高能量的激光束进行焊接时，需要使用等离子控制器将熔池周围的离子化气体驱除，以确保焊道的再出现，如此才能完成焊接过程。激光焊接在焊接技术上属于能量转换效率十分低，一般最高也只有10%左右，而且焊道在快速凝固的状态下，可能会有气孔及脆化的问题，特别是进行激光焊接所需的设备是较为昂贵的。为了消除或减少激光焊接的缺陷，使得焊接效率和焊接质量更高，焊接领域内先进工作者提出了一些较有建设性的意见，就是用其他热源与激光进行复合焊接，复合焊接的方式主要有激光与电弧、激光与等离子弧、激光与感应热源等，这种复合焊接的方式使得焊接能量转换效率更高，使得焊接质量更好，对于焊接技术的发展是极其有帮助的。

2 现代焊接技术的未来发展展望

现代焊接技术虽已经处于一个较为先进的发展水平，但仍是有发展之处的，展望未来，针对现代焊接技术面临的困难与任务，笔者有以下三点建议：

2.1 寻求解决焊接制约新材料的途径

焊接技术发展到一定水平后，开发新材料也逐渐进入了焊接领域工作者的视线，主要是从材料研制和焊接科技两方面来入手。先进的新材料对于焊接技术来说不一定是好的，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。鉴于此种情况，为解决此矛盾，焊接行业工程师需要和材料研究工程师密切联系与合作，将新型材料纳入到焊接材料中去，使得焊接产品质量更好，焊接效率更高，焊接领域整体发展水平更上一层楼。

2.2 着力提高焊接产品质量

焊接产品的质量和焊接的质量是息息相关的，为了提高焊接产品的质量，需要从思想上消除焊接是制造焊接产品的薄弱环节的错误思想，在此基础上，焊接工艺工程师需要研究更好的焊接工艺，改善焊接工艺中的漏洞，进一步提高焊接质量，改善焊接产品的性能。

2.3 改善焊接领域整体环境

在大众的视野里，焊接领域一直是较为“脏乱差”的代表，这也阻止了更多的高素质人才迈入焊接行业发光发热，贡献自己的才华。而焊接行业需要注重自己的行业形象，尽可能减少烟尘、噪音、辐射等的影响，创造感觉整洁的整体焊接环境，这样的工作环境才能更具吸引力。而现代焊接行业对于焊接自动化的重视，及其焊接机器人的进一步投入研究，相信对于改变传统焊接行业的形象是十分有帮助的，也会有更多的年轻科技工作者愿意踏入焊接行业领域，让焊接行业有更好的

发展。

3 结语

在我国仍处于工业占主导行业的状况下，现代焊接技术对于工业的推动发展作用是不言而喻的。随着经济技术的发展，越来越多的研究者和科学家将重点放在了探究焊接新材料的角度上，这对于我们现今焊接行业的现状来说是非常值得期待的，是尚未深入接触过的领域，若是能在新材料上取得让国内外瞩目的研究成果，这将是焊接领域几十年来的一场革命。

参考文献

[1] 刘强.现代焊接技术发展的现状及前景[J].科技致富向导，2012，（2）.

[2] 姚河清，陈亚政，孟庆芹.现代焊接技术发展的现状及展望[J].河海大学常州分校学报，2004，18（3）.

[3] 郑电文.现代焊接技术发展的现状及展望[J].城市建设理论研究（电子版），2013，（31）.

篇10

【关键词】制造技术；焊接；自动化；机器人

一、工艺对焊接机器人的基本要求

焊接机器人是典型的工业机器人。在实际焊接中，弧焊机器人仰面要高精度的移动焊枪沿着焊缝运动并保证焊枪的姿态，另一方面在运动中不断协调焊接参数。焊接工艺对焊接机器人的基本要求可归纳如下：（1）具有高度灵活的运动系统。能保证焊枪实现各种空间轨迹的运动，并能在运动中不断调整焊枪的空间姿态，因此，运动系统最少需要具有5～6个自由度。（2）具有高精度的控制系统。其定位精确，对点焊机器人应该达到±1mm，对弧焊机器人应该至少达到±0.5mm，其中参数控制精度应该达到1%。（3）其示教记忆的容量至少能保证机器人能够连续工作1小时。对点焊机器人应该至少储存200～1000个位置点，对弧焊机器人应至少储存5000～10000个点位。（4）可设置和再现与运动相联系的焊接参数，并能和焊接辅助设备交换到位信息。

二、焊接机器人的速度雅克比与速度分析

（1）焊接机器人可以简单地理解为焊接用机械手，和一般工业机器人相似。对于n自由度的机器人的情况，关节变量可以把广义关节变量q表示为[q1 q2…qn]T。当关节为转换关节时qi=θi，当关节位移动关节时qi=di，dq=[dq1 dq2…dqn]T，反映了关节的微小运动。机器人末端在操作空间的位置和方式可用末端手抓的位置X来表示，它是关节变量的函数X=X（q）。函数X是一个6维列向量dX=[q1 q2…qn]T[dx，dy，dz，δφy，δφz]T，反映了操作空间的微小运动。它由机器人末端微小线位移和微小角位移组成的，可表示为：dx=J（q）dq。式子中，J是6*n的偏导数矩阵，成为n自由度机器人速度雅克比矩阵。它的第i行第j列的元素为：J■=■（i=1，2，3，4，5，6；j=1，2，3…n）。（2）焊接机器人的速度分析。对dx=J（q）dq左右两边各除以dt：■=J（q）■，或者V=J（q）■。V代表机器人末端在操作空间中的广义速度，■代表机器人关节在关节空间中的关节速度。所以：■=J-1V。J-1称为机器人的逆速度雅克比。

三、激光/电弧复合焊接技术

激光/电弧复合焊接技术是激光焊接与气体保护焊的联合，两种焊接热源同时作用于一个焊接熔池。随着激光器和电弧焊设备性能的提高，以及激光器价格的不断降低，同时为了满足生产的迫切需求，激光/电弧复合焊接技术近年来成为焊接领域最重要的研究课题之一。激光/电弧复合焊接技术之所以受到青睐是由于其兼各热源之长而补各自之短，具有1+1>2或更多的“协同效应”。与激光焊接相比，对装配间隙的要求降低，因而降低了焊前工件制备成本；另外由于有填充焊丝消除了激光焊接时存在的固有缺陷，焊缝更加致密。与电弧焊相比提高了电弧的稳定性和功率密度，提高了焊接速度和焊缝熔深，热影响区变小，降低了工件的变形，消除了起弧时的熔化不良缺陷。在这点上特别适合铝及其合金的焊接。激光/电弧复合焊接技术是对激光焊接的重大发展，焊接同样板厚的材料可降低激光功率一半左右，因此大大降低了企业的投资成本，该技术的发展对推动激光焊接的普及将起重要的作用。

国外机器人领域发展近几年有如下几个趋势：（1）工业机

器人性能不断提高（高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修），而单机价格不断下降。（2）机械结构向模块化、可重构化发展。例如关节模块中的伺服电机、减速机、检测系统三位一体化；由关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人整机。（3）工业机器人控制系统向基于PC机的开放型控制器方向发展，便于标准化、网络化；器件集成度提高；大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性。

参 考 文 献