| ttb2016 |
2016-06-20 00:06 |
高功率激光焊接技術的應用及其發(fā)展
焊接是應用最廣泛、最重要的材料永久連接方法，在提高材料利用率、減輕結構重量、降低成本方面獨具優(yōu)勢。激光焊接則是近十年應用發(fā)展速度最快的焊接方法，其利用可聚焦可調(diào)控的高能量密度激光束為熱源實現(xiàn)材料的熔化焊接。激光束方向性、單色性和相干性極好，光強是普通光的1010倍，脈沖功率可達1014瓦，因此熱作用集中、焊接變形小，焊接結構制造精度高，柔性自動化實施性好，與機器人、工藝數(shù)據(jù)庫和專家系統(tǒng)管理等先進工藝模式有機結合，可實現(xiàn)數(shù)字化智能化制造，是現(xiàn)代裝備結構制造中不可或缺的關鍵技術，在汽車、船舶、高速列車以及航空航天結構中得到成功應用，其中汽車行業(yè)已將激光焊接確定為結構制造標準化工藝，激光焊接技術在國際上被視為最具發(fā)展?jié)摿Φ南冗M焊接技術。 bvY'=
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激光焊接應用的發(fā)展隨著激光、冶金、材料、力學、測控、信息、機電等學科的進步發(fā)展，是現(xiàn)代科學技術在材料加工領域應用的綜合體現(xiàn)，尤其是千瓦級以上的大功率激光焊接技術，幾乎與激光器的進步相伴。從20世紀80年代的CO2激光、YAG激光，已擴展出半導體激光、光纖激光，激光功率由1kW提高到100kW，典型焊接激光器的特點如表1所示，其中光纖激光焊接是目前激光焊接新工藝研究熱點。 `NIc*B4q.
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激光焊接由于熱作用形式的不同、可適合產(chǎn)品對象也不同，所需解決的關鍵問題也是因需而異。激光焊接應用最廣的是薄壁結構焊接，在航空結構中最典型的是歐洲空客系列客機的鋁合金機身下壁板，這種以焊代鉚結構將減輕飛機機身重量近20%，降低制造成本約20%，已應用空客A318、A380和A340系列飛機的壁板結構焊接，其中壁板數(shù)量將達到18塊，焊縫總長度達到1000米。隨著航空結構應用需求的發(fā)展，激光焊接技術的一個應用發(fā)展是面向中等厚度結構的激光復合熱源焊接技術，目的是拓展激光焊接技術應用范圍，解決未來裝備結構的中厚度結構高精高效焊接之需，其次是針對微納結構精密焊接的脈沖激光焊接，采用微秒、納秒等脈沖激光器解決銅鋁等異種金屬、金屬基復合材料、陶瓷等非金屬材料以及與航空結構相關的層疊材料（Glare）、碳纖維增強復合材料（CFRP）的焊接性問題。 N|cW Tbi
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目前美、歐等發(fā)達國家在軍工制造領域均發(fā)布國家計劃以推動先進激光焊接技術的研究和應用推廣。歐洲空客是航空制造企業(yè)第一家將激光焊接結構代替?zhèn)鹘y(tǒng)鉚接結構應用于飛機鋁合金壁板和桁條的連接，未來還將應用于A350飛機壁板的焊接。激光焊接金屬夾層板在導彈艙體、大型飛機壁板、輕型艦船輕量化結構件制造中開始大量應用，與傳統(tǒng)實芯結構件相比，可使重量減輕50%以上，所需空間減少2/3。飛機的混合層流控制結構也是未來激光焊接技術應用的對象，德國已在開展這方面的研究。新型鋁鋰合金是當今在飛機減重結構設計中可與復合材料競爭的金屬結構材料，歐盟的多家研究機構一直在開展鋁鋰合金壁板激光焊接技術的基礎研究，在Turboprop90pax減重項目中開展2198鋁鋰合金激光焊接技術的研究，歐盟的框架項目，如ECO-01-060、ECO-01-065、ECO-01-069等，均涉及鋁鋰合金激光焊接技術相關研究。歐美將鋁鋰合金激光焊接技術列為未來20年的研究計劃。在發(fā)動機結構方面，美國普惠公司完成渦輪葉片所需部件的自動激光焊接。美國GE公司也已成功完成了發(fā)動機導向葉片組件的激光焊接，有效地解決了鎳基合金零件激光焊接變形與裂紋等問題。國外還在金屬間化合物、記憶合金等特殊材料激光焊方面做了很多研究工作。 %Z|]"=;6
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國內(nèi)大功率激光焊接技術的研究最早是針對汽車板坯拼焊，目前已遍及各個領域。哈爾濱工業(yè)大學基于產(chǎn)學研聯(lián)合，面向航天器中鈦合金、不銹鋼輕量化構件開展了大量研究，建立了相關的激光焊接平臺。哈爾濱焊接研究所、上海交通大學等重點開展了船舶結構激光焊接和激光電弧復合焊接技術的研究。北京航空制造工程研究所則以飛機結構激光焊接為核心，聯(lián)合華中科技大學、北京工業(yè)大學、西安交通大學等開展激光焊接基礎研究，通過十余年的努力，已將激光焊接技術應用到飛機鈦合金腹鰭、壁板等結構。同時立足自主研發(fā)，建立起了CO2激光飛行光路四軸自動控制激光切割與焊接系統(tǒng)，YAG激光焊機械手自動焊接系統(tǒng)，隨著光纖激光的發(fā)展又建立了光纖激光多軸數(shù)控雙光束激光焊接平臺，以及雙機器人雙光束激光焊接平臺，在國內(nèi)率先形成了具有多種大功率激光焊接的實驗和小批生產(chǎn)的設備體系。在基礎方面，一方面致力于新型材料的激光焊接工藝基礎研究以及焊接接頭性能、焊接熱效率等分析，如Ti3Al、Ti2AlNb、TiNi等金屬間化合物的激光焊接；另一方面針對航空結構的鋁合金、鈦合金深入開展激光焊接工藝優(yōu)化、缺陷控制與檢測、自動化控制，并在焊接冶金與力學性能開展了大量基礎性研究，不僅建立了激光焊接過程信號檢測系統(tǒng)進行等離子體特征、熔池行為與小孔特征的過程機理研究，而且開發(fā)了鈦合金激光活性劑焊接技術等發(fā)明專利。在行業(yè)內(nèi)立足飛機構件鋁合金和鈦合金激光焊接，編制激光焊接相關工藝標準（HB）5份，未來還將逐步完善我國航空結構激光焊接工藝標準體系。 Wez"E2J`
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激光焊接也存在固有缺點： 9GdQ$^m
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1.合金強化金屬激光焊接因凝固結晶易形成低熔共晶而導致焊接裂紋，如高強鋁合金； gG;d+s1
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2.激光焊接過程的小孔動態(tài)不穩(wěn)定易于導致焊縫氣孔； OnGtIY
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3.激光光斑尺寸小，要求焊接部位的裝配精度很高； (ATvH_Z
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4.高反射材料激光焊接，激光反射不僅易于引起人員傷害，而且易于損害激光焊接設備，影響設備工作的可靠性。這些問題是國內(nèi)外激光焊接工程師一直致力于的研究主題，從利用激光焊接固有特性的工藝創(chuàng)新，到組合激光焊接工藝技術和激光復合熱源焊接技術的研究，激光焊接工藝向精密化、高效化方向發(fā)展；激光焊接裝備向智能化、信息化方向發(fā)展；焊接裝配向數(shù)字化、柔性化方向發(fā)展。 Q}# 5mf&cD
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激光焊接技術發(fā)展的每一步涉及的都是新材料、新結構和新工藝，在克服已有工程問題的基礎上，又面向新型材料、新型結構的焊接衍生出新的科學問題和工程問題。未來的飛機以及發(fā)動機更加強調(diào)長壽命、高機動性、低成本和損傷容限設計，制造技術對輕量化、整體化結構件制造、新型結構件精密制造、低成本高效新工藝的需求更強烈，激光焊接技術仍然將起著重要的作用，其發(fā)展趨勢是： VT.BHZ
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1.高效、自動化、智能化的激光焊接，而且電子技術、自動控制技術、傳感檢測和信息處理等技術的發(fā)展，也為焊接過程向柔性化、自動化、智能化的方向邁進提供有利的技術保障； jA ?tDAx`
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2.全數(shù)字化激光焊接，包括焊接過程仿真、焊接質(zhì)量監(jiān)測、焊接結構力學的可靠性評價，這將會大大提高航空產(chǎn)品的質(zhì)量； X
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3.一體化集成復合型激光焊接，“一次裝夾，全部完工”的數(shù)控加工理念也正在引入焊接領域，傳統(tǒng)的單一功能焊接設備逐漸被復合型設備所取代，這些都必將對飛機、發(fā)動機制造業(yè)產(chǎn)生革命性的影響。
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