激光在汽車工業(yè)中的應(yīng)用

1、 Southwest university of science and technology 本科畢業(yè)設(shè)計（論文）激光在汽車工業(yè)中的應(yīng)用學(xué)院名稱理學(xué)院專業(yè)名稱光信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)生姓名學(xué)號指導(dǎo)教師（姓名 職稱 小3號黑體）二九年六月激光在汽車工業(yè)中的應(yīng)用摘要：關(guān)鍵詞：目錄第1章 汽車工業(yè)制造工藝51.1汽車制造要遇到的各種材料和零部件51.2 制造過程61.2.1 市場調(diào)查，策劃，設(shè)計61.2.2試制、測試71.2.3工廠生產(chǎn)71.3 汽車工業(yè)中應(yīng)用到的工藝71.3.1 鑄造71.3.2 鍛造71.3.3 冷沖壓71.3.4 焊接81.3.5 金屬切削加工81.3.6 熱處理91.3.7 裝配

2、91.3.8 PVC涂膠線101.4汽車試驗10第2章 激光在汽車工業(yè)中的應(yīng)用102.1在國外汽車工業(yè)中的應(yīng)用與發(fā)展情況102.1.1車身總車與分總成的激光焊接112.1.2 不等厚激光拼焊板112.1.3汽車零部件激光焊接122.1.4 激光切割122.1.5激光打孔122.1.6 激光熱處理及涂敷122.1.7 激光打標132.1.8 激光雷達132.2在國內(nèi)汽車工業(yè)中的應(yīng)用與發(fā)展情況132.3激光加工技術(shù)的發(fā)展趨勢13第3章 激光焊接143.1激光焊接概述143.1.1激光焊接原理及分類143.1.2焊接常用的激光器及今后發(fā)展趨勢153.1.3激光焊接與傳統(tǒng)激光焊接相比優(yōu)點173.2激光

3、焊接工藝173.2.1 功率173.2.2 脈沖波形183.2.3 脈沖寬度193.2.4離焦量193.2.5脈沖頻率203.2.6 焊接速度213.2.7 保護氣體213.3激光與物質(zhì)的相互作用223.3.1金屬材料對激光反射的問題223.3.2激光焊接中的氣孔22第4章 等離子體234.1 等離子體的形成234.2等離子體的分類244.3等離子體和焊接過程的相互作用244.4利用譜線相對輻射強度計算光致等離子體溫度254.5利用譜線相對強度法計算等離子體電子密度254.6 等離子體的控制方法264.6.1 從根本上抑制等離子體的產(chǎn)生264.6.2氣體控制法。264.7 相關(guān)因素對等離子體控

4、制的影響27第1章 汽車工業(yè)制造工藝1.1汽車制造要遇到的各種材料和零部件汽車中使用的主要材料和零部件鑄鐵彈簧普通鋼軸承特種鋼泵類銅輪胎、內(nèi)胎鉛、鋅、錫蓄電池貴金屬車窗玻璃其它有色金屬千斤頂?shù)入S車工具合成樹脂滅火器、輪胎防滑鏈等玻璃電子控制系統(tǒng)橡膠照明設(shè)備、電線、光纖陶瓷空調(diào)、空氣凈化器纖維起動機、儀表類皮革收音機、盒式錄音機木材CD播放器紙導(dǎo)航系統(tǒng)涂料防抱死系統(tǒng)化學(xué)制品安全氣囊動植物油牽引力控制系統(tǒng)油脂類安全裝備1.2 制造過程1.2.1 市場調(diào)查，策劃，設(shè)計（1）調(diào)查人們需要什么樣的汽車；（2）通過調(diào)查結(jié)果制定出汽車的制造方案；（3）繪制草圖，制作模型，確定設(shè)計。1.2.2試制、測試根據(jù)設(shè)

5、計試制樣車。對樣車進行測試，并不斷改進做成完美的成品。待通過全部測試之后就可以在工廠生產(chǎn)了。1.2.3工廠生產(chǎn)汽車車身和發(fā)動機等主要部件是在汽車工廠進行生產(chǎn)，而其它零部件則在關(guān)聯(lián)工廠進行生產(chǎn)。將所有零部件集中在汽車生產(chǎn)工廠后，在流水線上對汽車進行組裝制造整車1。1.3 汽車工業(yè)中應(yīng)用到的工藝1.3.1 鑄造 鑄造就是將高溫熔化的金屬澆筑入鑄型的空腔之中，冷卻凝固之后得到部件。在汽車制造過程中，氣缸體、變速器箱體、轉(zhuǎn)向器殼體、后橋殼體、制動鼓、支架等都是通過該方法制造的。制造鐵件通常使用的是砂型，利用砂子與粘合劑、水等混合得到能抵御高溫沖刷并不會崩塌的所需形狀。制造砂型的時候不僅要考慮上下砂箱如

6、何分開，還要考慮鐵水從什么地方流入，怎么才能灌滿空腔以得到好的鑄件。砂型成型以后就可以澆筑，澆筑的鐵水一般在1000度以上，并且熔煉的時候溫度會更高。1.3.2 鍛造 鍛造可以分為兩種方式，分別是自由鍛造和模型鍛造。自由鍛造俗稱打鐵，是將金屬材料放在鐵砧上受到壓力或沖擊成形的一種加工方法。模型鍛造就是將金屬材料放在模具內(nèi)受沖擊或壓力而成形的方法。汽車的模鍛件的典型例子是：發(fā)動機連桿和曲軸、汽車前軸、轉(zhuǎn)向節(jié)等。 與自由鍛相比，模鍛所制造的工件形狀更復(fù)雜，尺寸更精確。1.3.3 冷沖壓 冷沖壓是使金屬板料在沖模中受壓力被切離或成形的加工方法。汽車工業(yè)中受冷沖壓得到的零件主要有：發(fā)動機油底殼，制動器

7、底板，汽車車架以及大多數(shù)車身零件。為了制造冷沖壓零件，必須制備沖模。沖模通常分為2塊，一塊安裝在壓床上方并可上下滑動，另一塊安裝在壓床下方固定不動。材料放在2塊沖模之間，上下模合攏時，工序就完成了。沖壓加工的生產(chǎn)率很高，可制造形狀復(fù)雜、精度較高的零件.1.3.4 焊接 焊接就是把兩塊金屬材料同時加熱、加壓而連接到一起的方法。在汽車工業(yè)中最常用的焊接方法就是電阻點焊，主要用在車身總車、地板、車門、側(cè)位、后圍、前橋和小零部件等。2塊車身零件焊接時，其邊緣每隔50100甽焊接一個點，使2零件形成不連續(xù)的多點連接。焊好整個轎車車身，通常需要上千個焊點。1.3.5 金屬切削加工金屬切削加工是將金屬毛坯逐

8、層切削；得到所需要的形狀、尺寸和表面粗糙度的加工方法。主要分鉗工和機械加工兩種方法。鉗工就是工人手工進行切削加工，操作靈活方便，在裝配和修理中廣泛引用。而機械加工則是借助機床完成的，包括：車、刨、銑、鉆和磨等方法。 (1)車削：車削是在車床上用車刀加工工件的工藝過程。使用不同的車刀或其他刀具，可以加工各種回轉(zhuǎn)表面，如內(nèi)外圓柱面、內(nèi)外圓錐面、螺紋、溝 槽、端面和成形面等，汽車的許多軸類零件以及齒輪毛坯都是在車床上加工的。 （2)刨削：刨削是在刨床用刨刀加工工件的工藝過程。主要用來加工平面(包括水平向、垂直面和斜面)，也廣泛地用于加工直槽，如直角槽、燕尾槽和T形槽等、如果進行適當?shù)恼{(diào)整和增加某些附

9、件，還可以用來加工齒條.齒輪、花鍵和母線為直線的成形面等汽車上的氣缸體和氣缸蓋韻乎面、變速器箱體和蓋的配合平面等都是用刨床加工的。 （3)銑削：銑削是指使用旋轉(zhuǎn)的多刃刀具切削工件，是高效率的加工方法。一般在銑床或鏜床上進行,適于加工平面、溝槽、各種成形面(如花鍵、齒輪和螺紋)和模具的特殊形面等。廣泛地應(yīng)用于加工各種汽車零件。汽車車身冷沖壓的模具都是用銑削加工的。計算機操縱的數(shù)控銑床可以加工形狀很復(fù)雜的工件，是現(xiàn)代化機械加工的主要機床。 （4)鉆削：鉆削是孔加工的一種基本方法，鉆孔經(jīng)常在鉆床和車床上進行，也可以在鏜床或銑床上進行。由于鉆削的精度較低，表面較粗糙，生產(chǎn)效率也比較低。因此主要用于粗加

10、工，例如精度和粗糙度要求不高的螺釘孔、油孔和螺紋底孔等。但精度和粗糙度要求較高的孔，也要以鉆孔作為預(yù)加工工序。（5）鏜削：鏜削是一種用刀具擴大孔或其它圓形輪廓的內(nèi)徑車削工藝，其應(yīng)用范圍一般從半粗加工到精加工。（6)磨削：磨削是在磨床上用砂輪加工工件的工藝過程。磨削是一種精加工方法，可以獲得高精度和粗糙度的工件，而且可以磨削硬度很高的工件。一些經(jīng)過熱處理后的汽車零件，均用磨床進行精加工。1.3.6 熱處理熱處理就是對固態(tài)金屬或合金采用適當方式加熱、保溫和冷卻，以獲得所需要的組織結(jié)構(gòu)與性能的加工方法。通過改變工件內(nèi)部的顯微組織，或改變工件表面的化學(xué)成分，賦予或改善工件的使用性能。其特點是改善工件的

11、內(nèi)在質(zhì)量，而這一般不是肉眼所能看到的。加熱溫度的高低、保溫時間的長短、冷卻速度的快慢，可使鋼產(chǎn)生不同的組織變化。熱處理工藝包括退火、正火、淬火和回火等。退火就是將金屬緩慢加熱到一定溫度，保持足夠時間，然后以適宜速度冷卻。目的是降低硬度，以利于切削加工性；消除殘余應(yīng)力，穩(wěn)定尺寸，減少變形與裂紋傾向；細化晶粒，調(diào)整組織，消除組織缺陷。正火是將鋼件加熱，保溫后從爐中取出，隨后在空氣中冷卻，適于對低碳鋼進行細化處理。淬火是將金屬工件加熱到某一適當溫度并保持一段時間，隨即浸入淬冷介質(zhì)中快速冷卻的金屬熱處理工藝。常用的淬冷介質(zhì)有鹽水、水、礦物油、空氣等。淬火可以提高金屬工件的硬度及耐磨性，廣泛用于各種工、

12、模、量具及要求表面耐磨的零件（如齒輪、軋輥、滲碳零件等）。回火通常是淬火的后續(xù)工序，將淬火后的鋼件重新加熱，保溫后冷卻，使組織穩(wěn)定，消除脆性。有不少汽車零件，既要保留心部的韌性，又要改變表面的組織以提高硬度，就需要采用表面高頻淬火或滲碳、氰化等熱處理工藝。1.3.7 裝配裝配就是按規(guī)定的技術(shù)要求將各種零件相互連接組合成部件，再把各種部件相互連接組合成整車。無論是把零件組合成部件，或是把部件組合成整車，都要滿足設(shè)計圖紙規(guī)定的相互配合關(guān)系，以使部件或整車達到預(yù)定的性能2。1.3.8 PVC涂膠線PVC 涂膠線是汽車涂裝車間的重要工序，PVC 用于車身焊縫的密封和底部噴膠，其主要作用是防腐蝕和抗石擊

13、，此外還有消音、減震、隔熱和加強鋼板強度等作用。這道工序不僅關(guān)系著整車裝配出廠是否漏雨的問題，也能起到車身的防腐、防震、抗石擊等作用，關(guān)系到汽車的使用壽命3。1.4汽車試驗 汽車的使用條件是十分復(fù)雜的，制造所涉及的技術(shù)領(lǐng)域也是十分廣泛的，這導(dǎo)致很多問題研究的好不夠充分，所以在汽車工業(yè)中特別注重汽車的試驗。從設(shè)計、試制到批量生產(chǎn)都離不開大量的試驗。即使客戶購買并使用了汽車，車輛交通管理部門也要定期對車況進行檢查，以確保行車安全。除了一些研究性試驗外，汽車產(chǎn)品試驗需遵循一定的標準和規(guī)范，對試驗條件、試驗方法、測試儀器及其精度和結(jié)果評價進行限定，以確保試驗結(jié)果的再現(xiàn)性和可對比性2。第2章 激光在汽車

14、工業(yè)中的應(yīng)用激光以其高能量密度、高精度、是影響強等特點作為新興手段廣泛應(yīng)用于汽車制造業(yè)。激光加工技術(shù)的應(yīng)用是目前各國的研究重點, 隨著工業(yè)發(fā)展對高效、環(huán)保、自動化的需要, 激光技術(shù)的應(yīng)用迅速普及制造業(yè)的許多領(lǐng)域。 2.1在國外汽車工業(yè)中的應(yīng)用與發(fā)展情況 汽車工業(yè)的發(fā)展對車體質(zhì)量提出了更高的要求。激光焊接、切割技術(shù)等技術(shù)不僅在加工質(zhì)量方面優(yōu)于傳統(tǒng)加工方法，在生產(chǎn)效率方面也有顯著的提高。激光加工是生產(chǎn)高質(zhì)量、低成本汽車的有效技術(shù)手段，發(fā)展到今天已經(jīng)廣泛應(yīng)用于汽車制造等領(lǐng)域。在國外主要的應(yīng)用包括以下幾個方面。2.1.1車身總車與分總成的激光焊接 早在20世紀80年代，激光焊接技術(shù)就開始運用在汽車車身

15、制造中，主要是應(yīng)用于車身總車與分總成的激光焊接。激光焊接技術(shù)運用于汽車車身能大幅度提高汽車的剛度、強度和密封性；減輕車身的重量達到節(jié)能的目的；提高車身裝配的精度從而提高車身的安全性；降低車身制造過程中的沖壓和裝配成本，減少零件數(shù)量并提高車身一體化程度；降低噪音和震動，改善了乘坐的舒適性。國外對汽車追求“安全第一”，著促使激光焊接技術(shù)發(fā)展十分迅速，并且國外已經(jīng)充分利用激光焊接技術(shù)進行鋁合金車身的焊接。同時推動了汽車在不斷降低剛度和強度的前提下，向輕量化方向發(fā)展。激光焊接在汽車制造業(yè)中，尤其是中高檔車的生產(chǎn)中已成為標準工藝。車身的激光焊接主要分總成焊接、側(cè)圍與頂蓋的焊接、后續(xù)焊。德國是最先把激光焊

16、接技術(shù)運用于汽車制造，以寶馬和大眾為例，在20 世紀90 年代中期，寶馬公司就利用激光焊接機器人完成了寶馬5系列轎車的第一條焊縫，焊縫總長度達12 m。到了2003年7月，激光焊接焊縫的總長度累計達到150W米。在新的激光焊接技術(shù)方案上，德國大眾途安轎車激光焊點的數(shù)量達到了1 400個、焊縫的長度總達70m。同時，奧迪也采用了激光焊接技術(shù)連接車身。在舒適、美觀的敞蓬轎車生產(chǎn)中，大眾公司的技術(shù)人員與奧地利的Fronius公司共同合作研發(fā)了一種激光復(fù)合焊接技術(shù)。42.1.2 不等厚激光拼焊板 激光拼焊板就是將不同材質(zhì)、厚度、涂層 的材料切成合適的形狀，用激光把邊部焊接成一塊整體板，這樣就可以滿足汽

17、車零部件對材料性能的不同要求。采用拼焊板裝配汽車，在減輕汽車的重量，減少材料消耗，減少加工工序，降低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率和安全性能等方面起到了十分重要的作用。同時滿足了消費者提高產(chǎn)品質(zhì)量和安全性能、減少油耗、保護環(huán)境等方面的多種需求。 激光拼焊板作為一項高新技術(shù)，主要是提供鋼鐵企業(yè)不能生產(chǎn)的超寬板及不等厚板。目前，由拼焊板生產(chǎn)的汽車零部件已經(jīng)被成功地用于車身骨架件、外覆蓋、內(nèi)覆蓋件、車門兩側(cè)的A、B 立柱、車門內(nèi)板、底板、車輪支架、減振器架、橫梁等車身部位。2.1.3汽車零部件激光焊接汽車零部件焊接采用激光焊代替?zhèn)鹘y(tǒng)焊接，零件焊接的部位幾乎沒有變形，焊接速度快，并且不需要焊后熱處理，目前激光

18、焊接廣泛用到變速器齒輪、氣門挺桿、車門鉸鏈、傳動軸、轉(zhuǎn)向軸、發(fā)動機排氣管、離合器、增壓器輪軸及底盤等汽車部件的制造中，成為汽車零部件制造的標準工藝5。2.1.4 激光切割 激光切割采用激光束照射到材料表面時釋放的能量來使材料熔化并蒸發(fā)，是一種切縫窄、工件變形小、可控性好和適應(yīng)性強的去接觸加工。 在汽車工業(yè)中，高功率、高光束質(zhì)量的固體激光器能夠有效地利用縮小光斑的優(yōu)點, 在激光切割中得到十分廣泛的應(yīng)用。利用功率為4 kW、光斑直徑為0.2 mm 的激光器可以40 m/min 的速度切割1 mm 厚的軟鋼。車身部件在過去一直是從線圈中沖切, 為獲得可撓性, 目前已廣泛采用激光切割。沖切高張力鋼很容

19、易使模具磨損, 而激光切割則有不受材質(zhì)影響的優(yōu)點6。2.1.5激光打孔 由于激光具有高能量，高聚焦等特性，激光打孔加工技術(shù)廣泛應(yīng)用于眾多工業(yè)加工工藝中。與傳統(tǒng)打孔工藝相比激光打孔具有很多優(yōu)點，例如：激光打孔速度快,效率高,經(jīng)濟效益好；激光打孔可獲得大的深徑比；激光打孔可在硬、脆、軟等各類材料上進行；激光打孔無工具損耗；激光打孔適合于數(shù)量多、高密度的群孔加工；用激光可在難加工材料傾斜面上加工小孔。2.1.6 激光熱處理及涂敷激光熱處理是所有激光加工技術(shù)中開發(fā)應(yīng)用最早的技術(shù)，激光涂敷是近十幾年開展起來的大規(guī)模研究的新技術(shù)，在普通金屬材料表面涂敷一層耐磨、耐蝕特殊合金涂層的前景十分誘人。由于在工藝上

20、還存在一些諸如易出現(xiàn)裂紋、氣孔及表面粗糙等問題，該技術(shù)尚未大規(guī)模應(yīng)用7。2.1.7 激光打標激光打標機由激光發(fā)生器生成高能量的連續(xù)激光光束，當激光作用于承印材料時，處于基態(tài)的原子躍遷到較高能量狀態(tài)；處于較高能量狀態(tài)的原子是不穩(wěn)定的，會很快回到基態(tài)，當原子返回基態(tài)時，會以光子或量子的形式釋放出額外的能量，并由光能轉(zhuǎn)換為熱能，使表面材料瞬間熔融，甚至氣化，從而形成圖文標記。激光打標機與傳統(tǒng)標記方式相比具有許多優(yōu)越性，如：非接觸激光加工，材料適應(yīng)面廣，可與生產(chǎn)線上其它設(shè)備集成，激光標記清晰持久美觀，可有效防偽，使用壽命長，成本低等。因此激光打標機得到了廣泛應(yīng)用8。2.1.8 激光雷達日產(chǎn)汽車公司已研

21、制出能測量汽車間間距的激光雷達，且價格僅是微波雷達的1/10。把它裝在汽車前格柵上，就可以檢測出前方的車輛、物體及行人，從而防止碰撞事故發(fā)生。如果激光雷達裝在后格柵上，就可以對物體從后面裝成進行警戒，在進入車庫時就可以防止擦車、碰撞等事故發(fā)生9。2.2在國內(nèi)汽車工業(yè)中的應(yīng)用與發(fā)展情況 早在1976年時，大眾一汽率先將激光切割技術(shù)應(yīng)用在稱身修邊及切空上。80年代，在國家的重點支持下，發(fā)動機、氣缸體、汽缸套內(nèi)孔激光處理技術(shù)得到優(yōu)先開發(fā)和發(fā)展。并且在90年代建成國內(nèi)較先進的兩條激光處理生產(chǎn)線。該技術(shù)同時被國內(nèi)汽車修理行業(yè)接受，開始遍及全國。道路20世紀末，隨著我國轎車合資廠的產(chǎn)品進入國外同步生產(chǎn)階段

22、，激光加工技術(shù)在國內(nèi)汽車工業(yè)中去得了不可替代的地位，并作為一種先進的技術(shù)被業(yè)內(nèi)人士接受。 我國的汽車生產(chǎn)工業(yè)與國外還存在一定的舉例，這給激光加工的應(yīng)用帶來了很大的困難。但隨著該項技術(shù)正在逐漸被人們熟知以及技術(shù)的逐漸成熟，激光加工技術(shù)在汽車工業(yè)中的大量應(yīng)用指日可待。2.3激光加工技術(shù)的發(fā)展趨勢 激光加工技術(shù)在現(xiàn)代汽車制造業(yè)中扮演著重要的角色，成為不可或缺的一項技術(shù)，并發(fā)揮著越來越重要的作用。激光器的發(fā)展為汽車工業(yè)提供了很多的選擇，而激光加工在今后幾年的發(fā)展呈明顯的區(qū)域性，每個領(lǐng)域各有不同。應(yīng)用最多的地區(qū)主要在歐洲、美國、日本、韓國、德國等地，在各個地區(qū)應(yīng)用道德領(lǐng)域也各不相同，以應(yīng)用最多的焊接和切

23、割為例，美國激光切割和焊接的比率為2:5；歐洲為1:1；日本為2:1。由此可見，根據(jù)各國情況發(fā)展自己的激光加工領(lǐng)域?qū)墙窈蠹す饧庸ぜ夹g(shù)發(fā)展的主要趨勢7.第3章 激光焊接激光焊接是激光材料加工技術(shù)應(yīng)用的重要方面之一，激光焊接作為一種高質(zhì)量、高精度、低變形、高效率的焊接方法日益被人們接受。大功率CO2激光及YAG激光的出現(xiàn)，開辟了激光焊接的新領(lǐng)域，在機械、汽車、鋼鐵等工業(yè)部門得到了廣泛的應(yīng)用。3.1激光焊接概述3.1.1激光焊接原理及分類 激光焊接是用高功率的激光束輻射到材料的表面，通過激光與材料相互作用，使材料焊接部位高溫熔化，然后通過冷卻凝固實現(xiàn)兩種材料的連接。在激光焊接過程中，激光與材料的

24、作用時間為毫秒級，激光直接穿透的材料深度為微米級。材料吸收能量后局部溫度迅速升高，產(chǎn)生的熱量擴散到材料的內(nèi)部，是內(nèi)部溫度逐漸升高，熱量傳播的速度和規(guī)律符合材料熱力學(xué)的熱傳導(dǎo)方程。隨著激光焊接工藝參數(shù)的不同，熱量傳播的時間和深度也有所不同。 按焊接機理的不同，激光焊接可分為激光熱傳導(dǎo)焊和激光熔深焊。熱傳導(dǎo)焊如圖1，是在較低的激光功率密度和較長激光作用時間內(nèi)，材料從表面逐漸熔化，隨著輸入能量的增加和熱量的傳導(dǎo)，液化界面逐漸向材料內(nèi)部遷移實現(xiàn)焊接。在熱傳導(dǎo)激光焊接過程中，材料不會發(fā)生明顯汽化，也不會產(chǎn)生熔池小孔。激光熔深焊如圖2，是采用較大功率激光器，在焊接過程中，金屬材料會汽化或蒸發(fā)形成等離子體。

25、金屬蒸汽以一定速度逸出熔池時，對液態(tài)金屬產(chǎn)生反沖壓力，使熔池表面下陷形成凹坑。蒸汽的持續(xù)逸出使凹坑逐漸加深，最終形成小孔。激光束保護氣體等離子體激光束熔池小孔熔池熱影響區(qū) 圖2 激光熔深焊的熔池示意圖圖1 激光熱傳導(dǎo)焊的熔池示意圖 按激光輸出方式的不同可分為連續(xù)激光焊和脈沖激光焊。在脈沖激光焊中一個激光脈沖形成一個焊點，當重復(fù)頻率過高時焊點間會出現(xiàn)重疊，也可以獲得連續(xù)焊接。脈沖激光焊接主要用于精密元件和電子元器件的焊接。在汽車工業(yè)中原理上可用來預(yù)防等離子體的產(chǎn)生，不過由于操作比較復(fù)雜在實際應(yīng)用中還有一定的困難。連續(xù)激光焊接過程中能量是連續(xù)的，會形成一條連續(xù)的焊縫。 按焊接接頭的方式不同可分為對

26、接焊、搭接焊；根據(jù)母材熔化與否，激光焊接可以分為熔化焊和釬焊；根據(jù)焊接時是否添加焊絲，可分為填絲焊和非填絲焊10。3.1.2焊接常用的激光器及今后發(fā)展趨勢 目前用于焊接的激光器主要有兩種，即Nd:YAG激光器和CO2激光器1. Nd:YAG激光器：近紅外光，波長1.06um。熱導(dǎo)體對這種波長的光吸收率較高，對于大部分金屬，它的反射率為2030。只要使用標準的光鏡就能使近紅外波段的光束聚焦為直徑0.25 mm。功率一般能達到40006000W左右，現(xiàn)在最大功率已達到10000 W。2.CO2激光器：遠紅外光，波長10.6m，大部分金屬對這種光的反射率達到8090（大功率的CO2激光器通過小孔效應(yīng)

27、解決了高反射率的問題），需要特別的光鏡把光束聚焦成直徑為07501mm。而CO2激光功率卻能輕易達到20000W甚至更大。CO2激光10kW以上大功率焊接時，若使用氬氣保護氣體，常誘發(fā)很強的等離子體，使熔深變淺。因此，CO2激光大功率焊接時，常使用不產(chǎn)生等離子體的氦氣作為保護氣體。CO2激光器不太適合焊接高反射率材料(如銅、鋁等)，對有害氣體(如氫、氧、氮等)具有強烈吸收作用的材料(如鈦合金)激光焊接時惰性氣體保護工藝仍有困難。11激光加工常用的激光器有氣體CO2 激光器、固體Nd:YAG 激光器、半導(dǎo)體激光器以及光纖激光器。由于固體激光和氣體激光相比，波長短，在材料加工中（特別是焊接），具有

28、獨特的優(yōu)勢，如材料對激光的吸收率高，光束易通過光導(dǎo)纖維傳輸，易實現(xiàn)焊接柔性化、自動化等，使固體激光器受到了焊接界越來越多的重視。近年來國外千瓦級以上的激光器的發(fā)展很快，已經(jīng)出現(xiàn)如激光二極管泵浦的Nd: YAG 激光器（Diode Pumped Nd:YAG Laser）、光纖激光器(Fiber Laser)、碟形激光器(Disk Laser)和激光二極管陣列激光器(Direct Diode Laser)等，它們的主要性能對比如表1 所示。從表1 中可以看到，新近發(fā)展的激光二極管泵浦Nd:YAG 激光器、光纖激光器和碟形激光器的性能都比CO2 激光器和燈泵浦Nd: YAG 激光器好得多。特別應(yīng)該

29、注意到光纖激光器已經(jīng)能達到萬瓦級的水平，與CO2 激光器相當，而且可以做到基本終身免維修，能量轉(zhuǎn)換效率最高（達30%），設(shè)備體積小，容易搬運到現(xiàn)場進行焊接。根據(jù)國外的預(yù)測，今后十年，CO2 激光器的需求量將下降，而燈泵浦Nd:YAG 激光也將逐步被激光二極管泵浦Nd:YAG激光器所取代。因此，激光二極管泵浦的Nd:YAG 激光器（Diode Pumped Nd:YAGLaser）、光纖激光器(Fiber Laser)、碟形激光器(Disk Laser) 和激光二極管陣列激光器(Direct Diode Laser)是未來激光加工用激光器的發(fā)展方向12。3.1.3激光焊接與傳統(tǒng)激光焊接相比優(yōu)點1

30、.可避免熱損傷和焊件變形，進行精密零件、熱敏性材料、薄材、細徑線材，幾乎沒有連接間隙。 2.激光焊接能量密度高，對高熔點、高反射率、高熱導(dǎo)率和物理特性相差很大的金屬特別有利。3.可在真空、空氣及特殊氣體環(huán)境中均能施焊，并能穿過玻璃獲透明材料進行施焊。對一些特殊合金無需在真空中進行加工，只需施加保護性氣體。焊接深度/寬度比較高，因此焊接設(shè)備簡單。4.焊縫強度高、焊接速度快，表面狀態(tài)好，免去焊后清理工作。5.可進行微型焊接、非接觸遠距離焊接、多工位加工，以及一般方法難以接近的街頭或無法安置的接焊點，靈活性大。激光焊接的主要缺點有：1.要求焊件裝配精度高，且光束在工件上的位置不能有顯著地偏移（聚焦后

31、光斑小、焊縫窄，如果達不到要求，焊件很容易有缺陷）。2.激光器及其相關(guān)系統(tǒng)的成本高，前期投入大，特別是需要大量昂貴的保護氣體（如氦等）的應(yīng)用場合。3.高反射性及高熱導(dǎo)性材料如鋁、銅及其合金等，焊接性會受激光所改變。如要減少反射，則需仔細優(yōu)化激光輻射條件，必要時還需采用涂層材料。熱導(dǎo)率較大則要啟動較高激光能量密度。4.當進行中能量至高能量的激光束來焊接時，需使用等離子控制器將熔池周圍的離子化氣體去除。5.能量轉(zhuǎn)換效率太低，通常低于10%。6.焊道快速凝固，可能有氣孔及脆化的顧慮。3.2激光焊接工藝3.2.1 功率功率密度是激光加工中最關(guān)鍵的參數(shù)之一。工件表面某點吸收多少能量是由激光輸出功率和激光

32、輻照時間共同決定的。在其他條件都不變的條件下，激光輸出功率越大，焊接速度快、焊接熔深越大。焊接速度、焊縫深度與激光功率關(guān)系如圖3所示。激光功率有助于提高焊接速度，從而提高焊接效率。激光功率較小時容易產(chǎn)生氣孔；激光功率增大，氣孔會逐漸減小直至消失。激光功率太大則會造成焊點金屬蒸發(fā)過量甚至燒穿。在保證焊接質(zhì)量的前提下，激光功率、焊接速度和保護氣體流量要合理搭配才能得到滿意的焊接效果。圖33.2.2 脈沖波形激光脈沖波形在激光焊接中是一個重要問題，尤其實在薄片焊接方面。當高功率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，反射率也會隨表面溫度變化而變化。在一個激光脈沖作用期間內(nèi)

33、，金屬反射率會發(fā)生變化很大。當材料表面升高到熔點時，反射率迅速下降，當表面處于熔化狀態(tài)時，反射穩(wěn)定于某一特定值。對于波長1.064m 的激光束，大多數(shù)材料初始反射率較高，所以經(jīng)常采用帶有前置尖峰的激光輸出波形，利用開始出現(xiàn)的尖峰迅速改變表面狀態(tài)，使材料表面溫度上升至熔點，從而降低反射率。對于鋼及類似黑金屬，其表面反射率比有色金屬低，適合采用平坦的激光波形。在實際焊接中應(yīng)針對不同材料的焊接特性，靈活調(diào)整脈沖波形。對于易脆材料可以采用能量緩慢降低的脈沖波形,減慢冷淬速度。3.2.3 脈沖寬度脈寬由熔深與熱影響分區(qū)確定，脈寬越長熱影響區(qū)就越大，熔深是隨脈寬的1/2 次方增加。但脈沖寬度增大會降低峰值

34、功率，因此增加脈沖寬度一般用于熱傳導(dǎo)，形成的焊縫尺寸寬且淺，尤其適合薄板和厚板的搭接焊。但是，峰值功率較低會導(dǎo)致多余的熱輸入。每種材料都對應(yīng)有一個可使熔深達到最大的最佳脈沖寬度。最大熔深是功率密度的函數(shù)，也是材料熱力學(xué)特性的函數(shù)，即為保證激光焊接整個過程中材料表面不會出現(xiàn)強烈的汽化，設(shè)脈沖終止時材料表面達到沸點，根據(jù)，設(shè)可求的所需功率密度，取不同值時，可獲得最大熔深與的關(guān)系為由此可見，如果需獲得較大的熔深，脈寬應(yīng)越長，且熔深的增加隨脈寬的1/2次方增加。3.2.4離焦量激光在平面上能量分布為高斯函數(shù)。按照高斯光束傳播理論，聚焦透鏡左邊光束腰斑半徑為，與透鏡的距離為d1，經(jīng)焦距為f的透鏡聚焦后，

35、在右邊獲得新的光腰，如圖4所示其光斑半徑為，圖4 激光焦點與離焦量可見聚焦后光腰不在透鏡焦平面上，而是在A處。A是激光的焦點，焦點處光斑最小，能量密度最大。離激光焦點距離為Z處得光斑半徑為式中，Z為離焦量。各平面光斑中的能量分布為激光焦平面中心處（即r=0，z=0）的光強度為，式中，P為激光功率；r為任一平面上各點與光軸的距離。脈沖激光焊接通常需要一定的離焦量。由于光束橫截面能量分布沿光束傳輸方向有一定的變化，激光焦點處光斑中心的功率密度過高，容易蒸發(fā)形成小孔。離開激光焦點的各平面上，激光的能量分布面積較大，光斑能量分布相對均勻，能量密度下降，容易獲得合適的功率密度。 離焦方式有兩種：正離焦與

36、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(xué)理論，當正負離焦平面與焊接平面距離相等時，所對應(yīng)平面上功率密度近似相同，但實際上所獲得的熔池形狀不同。在實際運用中，薄板焊接時，熔深小，應(yīng)選用正離焦；熔熔深較大時，應(yīng)選用負離焦。3.2.5脈沖頻率脈沖頻率、光斑尺寸和焊接速度相互匹配時，才能達到所需的重疊率。當焊點達到90%以上的重疊率時基本符合焊縫要求，但是也要根據(jù)對加工工件的粗糙程度及焊接要求來選擇。對于非密封焊接，在焊接速度不變情況下，激光脈沖頻率降低，焊點之間重疊率就降低，相對焊縫表面會比較粗糙。一般來說，重疊率越大，焊縫越光滑，但焊接速度也會相應(yīng)降低。當激光脈沖頻率超過一定值

37、時，重疊率過大，超過材料的焊接極限，會焊穿或者出現(xiàn)焊渣。3.2.6 焊接速度提高焊接速度會將會使熔深變淺。所以，在焊接薄板或焊接性較好材料時一般使用高速焊接；厚板、難焊材料焊接速度要降低。焊接速度對熔池和焊縫形狀也有影響。低速下熔池大且寬，并容易產(chǎn)生下塌，高速焊接時，焊縫中心強烈流動的液態(tài)金屬由于來不及重新分布，會在焊縫兩側(cè)凝固，形成不平整的焊縫。對于一定激光功率和一定厚度的某特定材料都有一個合適的焊接速度范圍。焊接速度、焊縫深度與焦距關(guān)系如圖5所示圖5 焊接速度、焊縫深度與焦距的關(guān)系3.2.7 保護氣體激光焊接過程有時需使用惰性氣體來保護熔池，一般情況下用氮氣、氬氣、氦氣。氦氣成本最高，但其

38、防氧化效果好，且電離度小，不容易形成等離子體。氬氣的防氧化效果也好，但是它易電離，一般如鋁，鈦等活潑性金屬會用氬氣做保護氣，當將氬氣和氦氣按一定比例混合使用時效果更好。氮氣成本最低，一般用于不銹鋼的焊接13,14。3.3激光與物質(zhì)的相互作用3.3.1金屬材料對激光反射的問題在激光焊接過程中，表面光滑未處理材料的激光吸收率一般不超過10%，這造成了極大地損耗。因此研究激光焊接中影響激光吸收率的問題就尤為重要。金屬材料在長波段式吸收率非常低，隨著波長的減小，吸收率增大。金屬材料對激光的吸收率還與溫度有關(guān)，在室溫下的激光吸收率均很小，但當溫度升高到接近熔點時，其激光的吸收率就可以達到40%50%，甚

39、至在溫度接近沸點時，激光的吸收率高達90%。值得注意的是在激光入射角不等于0的表面區(qū)域，激光在金屬表面會產(chǎn)生二次甚至三次反射，而且微小的溝槽和裂紋有利于輻射波導(dǎo)的傳輸。由于砂紙打磨后的工件在表面殘留的砂粒對激光有較高的吸收率，因此雖然其粗糙度有所下降，但吸收率反而增加2。當金屬材料暴露于空氣中的時候會在材料表面產(chǎn)生一層氧化物，氧化層的厚度和結(jié)構(gòu)取決于金屬材料在空氣中的暴露時間，當氧化層達到一定厚度時，金屬材料對激光能量的吸收率會增加一個數(shù)量級甚至更高。15提高金屬吸收率的方法：a.采取適當表面處理工藝（砂紙打磨、表面化學(xué)侵蝕、表面鍍石墨涂層及空氣爐中氧化等）。b.焊件結(jié)構(gòu)設(shè)計工件坡口設(shè)計成30

40、 0C角的V字形結(jié)構(gòu)。這樣激光束能在空隙中多次反射，形成一個人工的小孔，從而增加吸收率。C.調(diào)整激光器參數(shù)，選用短焦距透鏡和低模輸出使光斑尺寸小，功率密度大，吸收率高16。d.在進行焊接時可把工件預(yù)先加熱，已降低激光的損耗。e.焊接前讓金屬材料在空氣中暴露一段時間，得到足夠的氧化。3.3.2激光焊接中的氣孔氣孔是激光焊接過程中，最常出現(xiàn)的缺陷。它是深熔焊接的一個直接結(jié)果。由于焊縫深而窄，冷卻速度又快，焊接過程中產(chǎn)生的氣孔不一定有足夠的時間從熔化區(qū)逸出。對于非穿透焊縫，問題比較嚴重，較易在焊縫的根部出現(xiàn)分散的氣孔。但是由于激光焊接的冷卻速度快，如果出現(xiàn)氣孔，其直徑也比傳統(tǒng)熔焊中的氣孔直徑小。某些

41、材料易于在焊接過程中產(chǎn)生氣孔。例如：鍍鋅鋼板、含鎂合金在焊接過程中因鋅、鎂揮發(fā)而產(chǎn)生氣孔，沸騰鋼在焊接過程中熔池發(fā)生化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生氣孔。某些鋁合金對氣體有高的溶解度，在焊縫結(jié)晶過程中釋放氣孔。用激光焊接這些材料時必須特別注意防止氣體卷入焊接區(qū)域。降低熔化區(qū)氣孔率的方法包括：焊前清洗、焊接過程中用惰性氣體充分保護焊接區(qū)和選擇較低冷卻速度的焊接參數(shù)。一個正面較寬、背面較窄、略帶斜度的V字形焊縫有利于氣體逸出和減少氣孔17第4章 等離子體在高功率激光熔深焊接中很容易產(chǎn)生等離子體，折射、散射以及吸收激光能量，影響和改變激光同材料間的互相作用，會影響激光的功率和光斑的集中程度，進而影響熔深，導(dǎo)致缺陷。4.

42、1 等離子體的形成當高功率激光束作用于工件上時，工件被加熱、熔化并蒸發(fā)，在工件上會形成蒸汽，金屬蒸汽被電離形成金屬蒸汽等離子體。等離子體還可能是有保護氣體產(chǎn)生的，保護氣體在高溫作用下發(fā)生電離，形成保護氣體等離子體。等離子體的產(chǎn)生是物質(zhì)的原子或分子受能量激發(fā)電離的結(jié)果，任何物質(zhì)在接受外界能量而溫度升高時，原子或分子受能量（光能、熱能、電場能量等）的激發(fā)都會產(chǎn)生電離，從而形成由自由運動的電子、帶正電粒子和中性原子組成的等離子體，它在宏觀上保持電中性的狀態(tài)。在激光熔深焊接過程中，光致等離子體是材料在高能密聚焦激光束作用下所產(chǎn)生的一種必然物理現(xiàn)象，等離子體又被稱為物質(zhì)的第四態(tài)。光致等離子體是激光熔深焊

43、接過程中的重要現(xiàn)象，也是影響焊接質(zhì)量的重要因素。光致等離子體的存在影響和改變了激光同材料間的相互作用，也由此影響力激光焊接質(zhì)量和焊縫形狀。4.2等離子體的分類等離子體的劃分方法有很多種。根據(jù)氣體電離度的不同，可分完全電離等離子體和部分電離等離子體。完全電離等離子體中所有氣體分子和原子完全電離，溫度通常達到106108K，又稱高溫等離子體：部分電離等離子體中氣體只是部分電離，溫度在105K以下，也稱低溫等離子體。由于高溫等離子體要求的溫度很高，因此通常的氣體放電所產(chǎn)生的等離子體大多屬于低溫等離子體。激光焊接時產(chǎn)生的等離子體屬于低溫等離子體范圍。其電子與離子(或粒子)的溫度平均，整個等離子體處于局

44、部熱力學(xué)平衡狀態(tài)。根據(jù)空間位置和等離子體的強弱，在不同的激光功率密度條件下，又可以將激光等離子體分為三種狀態(tài)：當激光功率密度小于106W/cm2時，稀薄的等離子體依附在工件表面，工件通過等離子體吸收能量。當功率密度處于106107W/cm2時，等離子體在工件上方形成穩(wěn)定的近似球形的云團。它的存在有助于加強工件對激光的吸收這種現(xiàn)象被稱之為“增強耦合”。此時工件對激光的吸收率可由10%左右增長到30%50。當功率密度較高（即大于107W/cm2）時，等離子體的溫度較高，電子濃度較大，對激光的吸收變強，給工件的傳熱變?nèi)酢．攤鳠嶙優(yōu)榱銜r，激光和工件之間完全被等離子體阻隔，工件表面汽化終止，等離子體逐漸

45、減少至消失。激光加熱工件表面的過程重新開始，等離子體呈周期性變化。4.3等離子體和焊接過程的相互作用光致等離子體對激光焊接的影響一直是研究的熱點。激光熔深焊不同于熱傳導(dǎo)焊，并不是通過單純的熱傳導(dǎo)吸收能量，大能量密度首先在焊件表面形成匙孔，然后再小孔內(nèi)經(jīng)過多次吸收，焊接過程中產(chǎn)生的等離子體對激光具有屏蔽的作用。由于等離子體會對激光產(chǎn)生折射，而高溫下的等離子體區(qū)折射率是變化的，當激光穿過等離子體時波形發(fā)生率畸變，使得激光在工件上的作用區(qū)域擴大。激光誘發(fā)的等離子體在焊縫形成過程中起到重要的作用，各種質(zhì)量監(jiān)測技術(shù)如光輻射法、聲壓法、電場法等都與等離子體相關(guān)。目前對激光焊接中出現(xiàn)缺陷時等離子體信號的特征

46、還缺乏細致的分析，影響了質(zhì)量實時監(jiān)測系統(tǒng)的完善性和準確性。4.4利用譜線相對輻射強度計算光致等離子體溫度高功率激光焊接過程中，光致等離子體的粒子密度和溫度對入射激光能量的傳輸效率及焊縫的熔深都有很大影響。在高溫氣體中，當受激原子(或離子)做自發(fā)躍遷時，會以光量子的形式輻射出多余的能量，輻射光的強度由做該種躍遷的粒子數(shù)來確定。譜線的輻射強度，式中下標n、m分別為躍遷的上下能級，為頻率為的光譜線輻射強度，為等離子體中同一元素的原子數(shù)密度，為n能級的統(tǒng)計權(quán)重，K為波爾茲曼常數(shù)，U為分配函數(shù)，為自n能級向m能級的自發(fā)躍遷幾率，h為普朗克常數(shù)。由于輻射能量是在4立體角內(nèi)發(fā)射的，故計算時要乘以因子14。由

47、于利用式計算輻射強度，要計算原子數(shù)密度N0及配分函數(shù)U，工作量及難度都相當大。考察同一類原子(或離子)的2根譜線，分別代入上式，取兩譜線輻射強度之比，消去No與Uo經(jīng)過整理計算，就得到了等離子體溫度利用此式計算得到溫度T，不但反應(yīng)了焊接過程中光之等離子體的溫度變化情況，同時也為計算光致等離子體電子密度提供了必要參考量。4.5利用譜線相對強度法計算等離子體電子密度在局部熱力學(xué)平衡條件下，沙哈方程表示為式中N為粒子數(shù)密度，Vi為電離能，me為電子質(zhì)量，下標a、i、e分別表示原子、離子和電子。原子和離子的輻射強度可以分別表示為 整理得即為利用相對譜強度法計算光致等離子體電子密度的公式。4.6 等離子體的控制方法4.6.1 從根本上抑制等離子體的產(chǎn)生1)激光擺動法 就是在焊接過程中沿著焊接方向來回擺動，在匙孔出現(xiàn)后等離子體出現(xiàn)前，將光斑瞬間移至熔池的后緣，等離子體還沒有來得及擴展，光束又移動形成了新的小孔。這種方法雖能有效改善等離子體對焊接效果的影響，但在實際操作中很難控制。2）脈沖激光焊接法 對激光的脈沖頻率進行調(diào)整，使等離子體剛產(chǎn)生還來不及長大。但這種方法容易引起焊縫