不锈钢的激光焊接
一、绪论
激光焊以聚焦的激光束作为能源轰击焊件所产生的热量进行焊接的方法。它具有输入热量少、焊接速度高、接头热变形和热影响区小、熔池形状深宽比大、组织细、韧性好等优点。焊接时无机械接触，有利于实现在线质量监控和自动化生产，经济效益显著。
激光焊接的应用领域
1、制造业应用
激光拼焊(TailoredBlandLaserWelding)技术在国外轿车制造中得到广泛的应用，据统计，2000年全球范围内剪裁坯板激光拼焊生产线超过100条，年产轿车构件拼焊坯板7000万件，并继续以较高速度增长。国内生产的引进车型Passat，Buick，Audi等也采用了一些剪裁坯板结构。日本以C O2激光焊代替了闪光对焊进行制钢业轧钢卷材的连接，在超薄板焊接的研究，如板厚100微米以下的箔片，无法熔焊，但通过有特殊输出功率波形的YAG激光焊得以成功，显示了激光焊的广阔前途。日本还在世界上首次成功开发了将YAG激光焊用于核反应堆中蒸气发生器细管的维修等，在国内苏宝蓉等还进行了齿轮的激光焊接技术。
2、粉末冶金领域
随着科学技术的不断发展，许多工业技术上对材料特殊要求，应用冶铸方法制造的材料已不能满足需要。由于粉末冶金材料具有特殊的性能和制造优点，在某些领域如汽车、飞机、工具刃具制造业中正在取代传统的冶铸材料，随着粉末冶金材料的日益发展，它与其它零件的连接问题显得日益突出，使粉末冶金材料的应用受到限制。在八十年代初期，激光焊以其独特的优点进入粉末冶金材料加工领域，为粉末冶金材料的应用开辟了新的前景，如采用粉末冶金材料连接中常用的钎焊的方法焊接金刚石，由于结合强度低，热影响区宽特别是不能适应高温及强度要求高而引起钎料熔化脱落，采用激光焊接可以提高焊接强度以及耐高温性能。
3、汽车工业
20世纪80年代后期，千瓦级激光成功应用于工业生产，而今激光焊接生产线已大规模出现在汽车制造业，成为汽车制造业突出的成就之一。德国奥迪、奔驰、大众、瑞典的沃尔沃等欧洲的汽车制造厂早在20世纪8 0年代就率先采用激光焊接车顶、车身、侧框等钣金焊接，90年代美国通用、福特和克莱斯勒公司竟相将激光焊接引入汽车制造，尽管起步较晚，但发展很快。意大利菲亚特在大多数钢板组件的焊接装配中采用了激光焊接，日本的日产、本田和丰田汽车公司在制造车身覆盖件中都使用了激光焊接和切割工艺，高强钢激光焊接装配件因其性能优良在汽车车身制造中
使用得越来越多，根据美国金属市场统计，至2002年底，激光焊接钢结构的消耗将达到70000t比1998年增加3倍。根据汽车工业批量大、自动化程度高的特点，激光焊接设备向大功率、多路式方向发展。在工艺方面美国Sandia国家实验室与PrattWitney联合进行在激光焊接过程中添加粉末金属和金属丝的研究，德国不莱梅应用光束技术研究所在使用激光焊接铝合金车身骨架方面进行了大量的研究，认为在焊缝中添加填充余属有助于消除热裂纹，提高焊接速度，解决公差问题，开发的生产线已在奔驰公司的工厂投入生产。
4、电子工业
激光焊接在电子工业中，特别是微电子工业中得到了广泛的应用。由于激光焊接热影响区小加热集中迅速、热应力低，因而正在集成电路和半导体器件壳体的封装中，显示出独特的优越性，在真空器件研制中，激光焊接也得到了应用，如钼聚焦极与不锈钢支持环、快热阴极灯丝组件等。传感器或温控器中的弹性薄壁波纹片其厚度在0.05-0.1mm，采用传统焊接方法难以解决，TIG焊容易焊穿，等离子稳定性差，影响因素多而采用激光焊接效果很好，得到广泛的应用。
5、生物医学
生物组织的激光焊接始于20世纪70年代，Klink等及jain[13]用激光焊接输卵管和血管的成功焊接及显示出来的优越性，使更多研究者尝试焊接各种生物组织，并推广到其他组织的焊接。有关激光焊接神经方面目前国内外的研究主要集中在激光波长、剂量及其对功能恢复以及激光焊料的选择等方面的研究，刘铜军进行了激光焊接小血管及皮肤等基础研究的基础上又对大白鼠胆总管进行了焊接研究。激光焊接方法与传统的缝合方法比较，激光焊接具有吻合速度快，愈合过程中没有异物反应，保持焊接部位的机械性质，被修复组织按其原生物力学性状生长等优点将在以后的生物医学中得到更广泛的应用。
6、其他领域
在其他行业中，激光焊接也逐渐增加特别是在特种材料焊接中国内进行了许多研究，如对BT20钛合金、HEl30合金、Li-ion电池等激光焊接，德国玻璃机械制造商GlamacoCoswig公司与IFW接合技术与材料实验研究院合作开发出了一种用于平板玻璃的激光焊接新技术。
（一）激光
激光的最初中文名叫做“镭射”、“莱塞”，是它的英文名称LASER的音译，是取自英文Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation的各单词的头一个字母组成的缩写词。意思是"通过受激发射光扩大"。激光的英文全名已完全表达了制造激光的主要过程。1964年按照我国著名科学家钱学森建议将“光受激发射”改称“激光”。
激光是20世纪以来，继原子能、计算机、半导体之后，人类的又一重大发明，被称为“最快的刀”、“最准的尺”、“最亮的光”和“奇异的激光”。它的亮
度为太阳光的50亿倍。它的原理早在 1916 年已被著名的物理学家爱因斯坦发现，但要直到 1958 年激光才被首次成功制造。激光是在有理论准备和生产实践迫切需要的背景下应运而生的，它一问世，就获得了异乎寻常的飞快发展，激光的发展不仅使古老的光学科学和光学技术获得了新生，而且导致整个一门新兴产业的出现。激光可使人们有效地利用前所未有的先进方法和手段，去获得空前的效益和成果，从而促进了生产力的发展。
激光是物质受激辐射产生的光束，激光焊的焊接热源是高能激光束。
激光具有好的单色性、方向性、和高亮度。
1、单色性
激光的谱线宽度窄、波振面形状不随时间变化，有良好的时间和空间相干性，激光这一性质使其在检测和通信领域得到了广泛应用。
2、方向性
方向性好意味着光束的发散角小。发散角小的激光，其束斑尺寸小，功率密度高，
适合于激光焊。高质量激光器输出激光的发散角全角一般在（1~3）×10ˉ3rad，
上述激光刻意进行远离激光器的抵港进行激光焊操作。
3、高亮度
激光的高亮度表明激光的功率密度高，这正是材料激光焊所需要的。
激光的模式有纵模和横模之分，通常所说的模式均值横模。横模代表谐振腔内光波场的横向分布规律（垂直于光的传播方向），时一个重要的激光参数，对焊接效果有很大影响。横模通常用TEM mn来表示，其中TEM代表横电磁波，m、n 为垂直于光传播方向平面上x、y两个方向上的横模序数。M或n的序数判断，习惯上以x、y方向上能量分布曲线中谷（节点）的个数来决定。m、n一般为小正整数，有时称他们为阶次。
（一）激光焊原理
激光焊接是激光加工材料加工技术应用的重要方面之一。70年代主要用于焊接薄壁材料和低速焊接，焊接过程属于热传导型，即激光辐射加热工件表面，表面热量通过热传导向内部扩散，通过控制激光脉冲的宽度、能量、峰值功率和重复频率等参数，使工件熔化，形成特定的熔池。由于激光焊接作为一种高质量、高精度、低变形、高效率和高速度的焊接方法，随着高功率CO2和高功率的YAG 激光器以及光纤传输技术的完善、金属钼焊接聚束物镜等的研制成功，使其在机械制造、航空航天、汽车工业、粉末冶金、生物医学微电子行业等领域的应用越来越广。
目前的研究主要集中于C02激光和YAG激光焊接各种金属材料时的理论，包括激光诱发的等离子体的分光、吸收、散射特性以及激光焊接智能化控制、复合焊接、激光焊接现象及小孔行为、焊接缺陷发生机理与防止方法等，并对镍基耐热合金、铝合金及镁合金的焊接性，焊接现象建模与数值模拟，钢铁材料、铜、铝合金与异种材料的连接，激光接头性能评价等方面做了一定的研究。
按激光器输出能量方式的不同，激光焊分为脉冲激光焊和梁旭激光焊（包苦熬高频脉冲连续激光焊）；按激光聚焦后光斑上功率密度，激光焊可分为传热焊和深熔焊。
1. 传热焊
采用的激光光斑功率密度小于105W/cm2时，激光将金属表面加热到熔点与沸点之间，焊接时，金属材料表面将所吸收的激光能转变为热能，使金属表面温度升高而熔化，然后通过热传导方式把热能传向金属内部，使熔化区逐渐扩大，凝固后形成焊点或焊缝，其熔深轮廓近似为半球形。这种焊接机理称为传热焊，它类似于TIG电弧焊过程，如图1(a)所示。
传热焊的主要特点是激光光斑的功率密度小，很大一部分光被金属表面所反射，光的吸收率低，焊接熔深浅，焊接速度慢主要用于薄（厚度＜1mm）、小零件的焊接加工
传10
2、深熔焊
当激光光斑上的功率密度足够大时（≥106W/cm2），金属在激光的照射下被迅速加热，其表面温度在极短的时间内（10-8～10-6s）升高到沸点，使金属熔化
和气化。当金属气化时，所产生的金属蒸气以一定的速度离开熔池，金属蒸气的逸出对熔化的液态金属产生一个附加压力（例如对于铝，p≈11MPa；对于钢，p ≈5MPa），使熔池金属表面向下凹陷，在激光光斑下产生一个小凹坑〔图1(b)〕。当光束在小孔底部继续加热气化时，所产生的金属蒸气一方面压迫坑底的液态金属使小坑进一步加深，另一方面，向坑外飞出的蒸气将熔化的金属挤向熔池四周。这个过程进行下去，便在液态金属中形成一个细长的孔洞。当光束能量所产生的金属蒸气的反冲压力与液态金属的表面张力和重力平衡后，小孔不再继续加深，形成一个深度稳定的孔而进行焊接，因此称之为激光深熔焊〔图1(b)〕。如果激光功率足够大而材料相对较薄，激光焊形成的小孔贯穿整个板厚且背面可以收到部分激光，这种焊接方法也可称之为薄板激光小孔效应焊。从机理上看，深熔焊和小孔效应焊的前提都是焊接过程中存在着小孔，二者没有本质的区别。在能量平衡和物质流动平衡的条件下，可以对小孔稳定存在时产生的一些现象进行分析。只要光束有足够高的功率密度，小孔总是可以形成的。小孔中充满了被焊金属在激光束连续照射下所产生的金属蒸气及等离子体（图2）。这个具有一定压力的等离子体还向工件表面空间喷发，在小孔之上，形成一定范围的等离子体云。小孔周围为熔池所包围，在熔化金属的外面是未熔化金属及一部分凝固金属，熔化金属的重力和表面张力有使小孔弥合的趋势，而连续产生的金属蒸气则力图维持小孔的存在。在光束入射的地方，有物质连续逸出孔外，随着光束的运动，小孔将随着光束运动，但其形状和尺寸却是稳定。
用激光束作为热源的焊接
方法。焊接时，将激光器发射的高功率密度(108～1012 瓦/厘米2 )的激光束聚缩成聚焦光束，用以轰击工件表面，產生热能，熔化工件(见图激光焊示意图)。
激光束是具有单一频率的相干光束，在发射中不產生发散，可用透镜聚缩为一定大小的焦点(直径为0.076～0.8毫米)。小焦点激光束可用於焊接﹑切割和打孔﹔大焦点激光束可用於材料表面热处理。激光束可利用反射镜任意变换方向，因而能焊接一般焊接方法无法接近的工件部位。如採用光导纤维引导激光束，则更能增加焊接的灵活性。激光器分固体激光器和气体激光器。固体激光器所用材料为红宝石﹑釹玻璃等。固体激光器输出能量小，约为1～50焦耳，產生脉衝激光，其加热脉衝持续时间极短(小於10毫秒)，因而焊点可小到几十至几百微米，焊接精度高，适於0.5毫米以下厚度的金属箔片的点焊﹑连续点焊或直径0.6毫米以下的金属丝的对接焊，固体激光器广泛用於焊接微型﹑精密﹑排列密集﹑对受热敏感的电子元件和仪器部件。气体激光器所用材料为二氧化碳或氬离子气等，功率大(15～25000瓦)，可產生连续激光，能进行连续焊接，可焊0.12～12毫米厚的低合金钢﹑不锈钢﹑镍﹑鈦﹑铝等金属及其合金。小功率二氧化碳激光器还可焊接石英﹑陶瓷﹑玻璃和塑料等非金属材料。激光焊件质量高，有时超过电子束焊焊件的质量。激光焊机，特别是大功率激光焊机，成本高，效率甚低，一般只达5～10％，最佳为20％，穿透能力也不及电子束。但用激光束可在空气中或保护气体中焊接，比电子束焊方便。l
（二）激光焊接的主要特性
与其它传统焊接技术相比，激光焊接的主要优点是：
1、速度快、深度大、变形小。
2、能在室温或特殊条件下进行焊接，焊接设备装置简单。例如，激光通过电磁场，光束不会偏移；激光在真空、空气及某种气体环境中均能施焊，并能通过玻璃或对光束透明的材料进行焊接。
3、可焊接难熔材料如钛、石英等，并能对异性材料施焊，效果良好。
4、激光聚焦后，功率密度高，在高功率器件焊接时，深宽比可达5：1，最高可达10：1。
5、可进行微型焊接。激光束经聚焦后可获得很小的光斑，且能精确定位，可应用于大批量自动化生产的微、小型工件的组焊中。
6、可焊接难以接近的部位，施行非接触远距离焊接，具有很大的灵活性。尤其是近几年来，在YAG激光加工技术中采用了光纤传输技术，使激光焊接技术获得了更为广泛的推广和应用。
7、激光束易实现光束按时间与空间分光，能进行多光束同时加工及多工位加工，为更精密的焊接提供了条件。
但是，激光焊接也存在着一定的局限性：
1、要求焊件装配精度高，且要求光束在工件上的位置不能有显著偏移。这是因为激光聚焦后光斑尺雨寸小，焊缝窄，为加填充金属材料。若工件装配精度或光束定位精度达不到要求，很容易造成焊接缺憾。
2、激光器及其相关系统的成本较高，一次性投资较大。二、激光焊接热传导。
激光焊接是将高强度的激光束辐射至金属表面，通过激光与金属的相互作用，使金属熔化形成焊接。在激光与金属的相互作用过程中，金属熔化仅为其中一种物理现象。有时光能并非主要转化为金属熔化，而以其它形式表现出来，如汽化、等离子体形成等。然而，要实现良好的熔融焊接，必须使金属熔化成为能量转换的主要形式。为此，必须了解激光与金属相互作用中所产生的各种物理现象以及这些物理现象与激光参数的关系，从而通过控制激光参数，使激光能量绝大部分转化为金属熔化的能量，达到焊接的目的。
（三）激光焊焊接过程中的几种效应
（1）激光焊焊接过程中的等离子体
①等离子体的形成在高功率密度条件下进行激光加工时会出现等离子体。等离子体的产生是物质原子或分工受能量激发电离的结果，任何物质在接收外界能量而温度升高时，原子或分子受能量（光能、热能、电场能等）的激发都会产生电离，从而形成由自由运动的电子、带正电的离子和中性原子组成的等离子体。等离子体通常称为物质的第四态，在宏观上保持电中性状态。激光焊时，形成等离子体的前提是材料被加热至气化。
金属被激光加热气化后，在熔池上方形成高温金属蒸气。金属蒸气中有一定的自由电子。处在激光辐照区的自由电子通过逆韧致辐射吸收能量而被加速，直到其有足够的能量来碰撞、电离金属蒸气和周围气体，电子密度从而雪崩式地增
加。这个过程可以近似地用微波加热和产生等离子体的经典模型来描述。
在107W/cm2的功率下，平均电子能量随辐照时间的加长急剧增加到一个常值（约1cV）。在这个电子能量下，电离速率占有优势，产生雪崩式电离，电子密度急剧上升。电子密度最后达到的数值与复合速率有关，也与保护气体有关。
激光加工过程中的等离子体主要为金属蒸气的等离子体，这是因为金属材料的电离能低于保护气体的电离能，金属蒸气较周围气体易于电离。如果激光功率密度很高，而周围气体流动不充分时，也可能使周围气体离解而形成等离子体。
②等离子体的行为高功率激光深熔焊时，位于熔池上方的等离子体会引起光的吸收和散射，改变焦点位置，降低激光功率和热源的集中程度，可影响焊接过程。
等离子体通过逆韧致辐射吸收激光能量，逆韧致辐射是等离子体吸收激光能量的重要机制，是由于电子和离子之间的碰撞所引起的。简单地说就是：在激光场中，高频率振荡的电子在和郭碰撞时，会将其相应的振动能变成无规则运动能，结果激光能量变成等离子体热运动的能量，激光能量被等离子体吸收。
等离子体对激光的吸收率与电子密度和蒸气密度成正比，随激光功率密度和作用时间的增长而增加，并与波长的平方成正比。同样的等离子体，对波长10.6μm的CO2激光焊的吸收率比对波长1.06μm的YAG激光的吸收高两个数量级。由于吸收率不同，不同波长的激光产生等离子体所需的功率密度阈值也不同。YAG激光产生等离子体阈值功率密度比CO2激光的高出约两个数量级。也就是说，用CO2激光进行加工时，易产生等离子体并受其影响，而用YAG激光加工，等离子体的影响则较小。
激光通过等离子体时，改变了吸收和聚焦条件，有时会出现激光束的自聚焦现象。等离子体吸收的光能可以通过不同渠道传至工件。如果等离子体传至工件的能量大于等离子体吸收所造成工件接收光能的损失，则等离子体反而增强了工件对激光能量的吸收，这时，等离子体也可看作是一个热源。
激光功率密
度处于形成等离子体的阈值附近时，较稀薄的等离子体云集于工件表面，工件通过等离子体吸收能量〔图3(a)〕，当材料气化和形成的等离子体云浓度形成稳定的平成所谓激光维持的吸收波。在这种情形中，会出现等离子体的形成和消失的周期性振荡〔图3(b)〕。这种激光维持的吸收波，容易在激光焊接过程中出现，必须加以抑制。
进一步加大激光功率密度（I>107W/cm2），激光加工区周围的气体可能被击穿。激光穿过纯气体，将气体击穿所需功率密度一般大于109W/cm2。但在激光作用的材料附近，存在一些物质的初始电离，原始电子密度较大，击穿气体所需功率密度可下降约两个数量级。击穿各种气体所需功率密度大小与气体导热性、解离能和电离能有关。气体的导热性越好，能量的传热导损失越大，等离子体的维持阈值越高，在聚焦状态下就意味着等离子体高度越低，越不容易出现等离子体屏蔽。对于电离能较低的氩气，气体流动状况不好时，在略高于106W/cm2的功率下也可能出现击穿现象。
气体击穿所形成的等离子体，其温度、压力、传播速度和对激光的吸收率都很大，形成所谓激光维持的爆发波，它完全、持续地阻断激光向工件地传播。一般在采用连续CO2激光进行加工时，其功率密度均应小于107W/cm2。
（2）壁聚焦效应激光深熔焊时，当小孔形成以后，激光束将进入小孔。当光束与小孔壁相互作用时，入射激光并不能全部被吸收，有一部分将由孔壁反射在小孔某处重新汇聚起来，这一现象称为壁聚焦效应。壁聚焦效应地产生，可使激光在小孔内部维持较高的功率密度，进一步加热熔化材料。对于激光焊接过程，重要的是激光在小孔底部的剩余功率密度，它必须足够高，以维持孔底有足够高的温度，产生必要的气化压力，维持一定深度的小孔。
小孔效应的产生和壁聚焦效应的出现，能大大地改变激光与物质的相互作用过程，当光束进入小孔后，小孔相当于一个吸光的黑体，使能量的吸收率大大增加。
（3）净化效应净化效应是指CO2激光焊时，焊缝金属有害物质减少或夹杂物减少的现象。
产生净化效应原因是：有害物质在钢中可以有两种形式存在──夹杂物或直接固溶在基体中。当这些元素以非金属夹杂物存在时，在激光焊时将产生下列作用：对于波长为10.6μm的CO2激光，非金属的吸收率远远大于金属，当非金属和金属同时受到激光照射时，非金属将吸收较多的激光使其温度迅速上升而气化。当这些元素固溶在金属基体时，由于这些非金属元素的沸点低，蒸气压高，它们会从熔池中蒸发出来。上述两种作用的总效果是焊缝中的有害元素减少，这对金属的性能，特别是塑性和韧性，有很大好处。当然，激光焊净化效应产生的前提必须是对焊接区加以有效地保护，使之不受大气等的污染。
（四）激光焊工艺参数
(1)功率密度。功率密度是激光加工中最关键的参数之一。采用较高的功率密度，在微秒时间范围内，表层即可加热至沸点，产生大量汽化。因此，
高功率密度对于材料去除加工，如打孔、切割、雕刻有利。对于较低功率密度，表层温度达到沸点需要经历数毫秒，在表层汽化前，底层达到熔点，易形成良好的熔融焊接。因此，在传导型激光焊接中，功率密度在范围在1 0^4~10^6W/CM^2。
(2)激光脉冲波形。激光脉冲波形在激光焊接中是一个重要问题，尤其对于薄片焊接更为重要。当高强度激光束射至材料表面，金属表面将会有6 0~98%的激光能量反射而损失掉，且反射率随表面温度变化。在一个激光脉冲作用期间内，金属反射率的变化很大。
(3)激光脉冲宽度。脉宽是脉冲激光焊接的重要参数之一，它既是区别于材料去除和材料熔化的重要参数，也是决定加工设备造价及体积的关键参数。
(4)离焦量对焊接质量的影响。激光焊接通常需要一定的离做文章一，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，所对应平面上功率密度近似相同，但实际上所获得的熔池形状不同。负离焦时，可获得更大的熔深，这与熔池的形成过程有关。实验表明，激光加热50~200us材料开始熔化，形成液相金属并出现问分汽化，形成市压蒸汽，并以极高的速度喷射，发出耀眼的白光。与此同时，高浓度汽体使液相金属运动至熔池边缘，在熔池中心形成凹陷。当负离焦时，材料内部功率密度比表面还高，易形成更强的熔化、汽化，使光能向材料更深处传递。所以在实际应用中，当要求熔深较大时，采用负离焦；焊接薄材料时，宜用正离焦。
激光焊国内外发展状况
20世纪80年代中期，激光焊接作为新技术在欧洲、美国、日本得到了广泛的关注。1985年德国蒂森钢铁公司与德国大众汽车公司合作，在Aud i100车身上成功采用了全球第一块激光拼焊板。90年代欧洲、北美、日本各大汽车生产厂开始在车身制造中大规模使用激光拼焊板技术。目前，无论实验室还是汽车制造厂的实践经验，均证明了拼焊板可以成功地应用于汽车车身的制造。
激光拼焊是采用激光能源，将若干不同材质、不同厚度、不同涂层的钢材、不锈钢材、铝合金材等进行自动拼合和焊接而形成一块整体板材、型材、夹芯板等，以满足零部件对材料性能的不同要求，用最轻的重量、最优结构和最佳性能实现装备轻量化。在欧美等发达国家，激光拼焊不仅在交通运输装备制造业中被使用，还在建筑业、桥梁、家电板材焊接生产、轧钢线钢板焊接（连续轧制中的钢板连接）等领域中被大量使用。
世界著名的激光焊接企业有瑞士Soudonic公司、法国阿赛洛钢铁集团、德国蒂森克虏伯集团TWB公司、加拿大Servo-Robot公司、德国Precitec 公司等。
中国的激光拼焊板技术应用刚刚起步，2002年10月25日，中国第一条激光拼焊板专业化商业生产线正式投入运行，由武汉蒂森克虏伯中人激光拼焊从德国蒂森克虏伯集团TWB公司引进。此后上海宝钢阿赛洛激光拼焊公司、一汽宝友激光拼焊有限公司等相继投产。
2003年由华工激光提供的国内首台大型带材在线式焊接成套设备通过离线验收。该设备集激光切割、焊接和热处理于一身，使我国华工激光成为世界上第四家能够生产此类设备的企业。
2004年华工激光“高功率激光切割,焊接及切焊组合加工技术与设备”项目获得国家科学技术进步二等奖,成为国内目前唯一具备该项技术与设备研制能力的激光企业。
中科院沈阳自动化研究所与日本石川岛播磨重工株式会社进行国际合作，遵循国家引进消化后再创新的科技发展战略，攻克激光拼焊若干个关键技术，于2006年9月开发出国内第一套激光拼焊成套生产线，并成功开发了机器人激光焊接系统，实现了平面和空间曲线的激光
激光焊接的主要优点
（1）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。
（2）32mm板厚单道焊接的焊接工艺参数业经检定合格，可降低厚板焊接所需的时间甚至可省掉填料金属的使用。
（3）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。
（4）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。
（5）工件可放置在封闭的空间（经抽真空或内部气体环境在控制下）。
（6）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，
（7）可焊材质种类范围大，亦可相互接合各种异质材料。
（8）易于以自动化进行高速焊接，亦可以数位或电脑控制。
（9）焊接薄材或细径线材时，不会像电弧焊接般易有回熔的困扰。
（10）不受磁场所影响（电弧焊接及电子束焊接则容易），能精确的对准焊件。
（11）可焊接不同物性（如不同电阻）的两种金属
（12）不需真空，亦不需做X射线防护。
（13）若以穿孔式焊接，焊道深一宽比可达10:1
（14）可以切换装置将激光束传送至多个工作站。
激光焊接的主要缺点
（1）焊件位置需非常精确，务必在激光束的聚焦范围内。
（2）焊件需使用夹治具时，必须确保焊件的最终位置需与激光束将冲击的焊点对准。
（3）最大可焊厚度受到限制渗透厚度远超过19mm的工件，生产线上不适合使用激光焊接。
（4）高反射性及高导热性材料如铝、铜及其合金等，焊接性会受激光所改变。
（5）当进行中能量至高能量的激光束焊接时，需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。
（6）能量转换效率太低，通常低于10%。
（7）焊道快速凝固，可能有气孔及脆化的顾虑。
（8）设备昂贵。
不锈钢的激光焊
二、实验部分、
三、
304不锈钢激光点焊工艺研究 陶汪陈彦宾李俐群吴林 （现代焊接生产技术国家重点实验室，哈尔滨工业大学 150001） 提要本文以304不锈钢作为试验材料，采用搭接的方式进行激光点焊试验，研究了激光功率、焊接持续时间、离焦量和间隙对焊点形态及尺寸的影响规律。试验结果表明，在熔透情况下，焊点上表面都呈现明显的下塌，持续时间或者间隙较大时，下表面还会出现内凹。随着焊接持续时间的增加，焊点整体尺寸增长较快，中心的下塌和内凹深度都有明显增加；而随着激光功率的增加，焊点尺寸增长缓慢。当间隙变大时，焊点熔合面出现收缩现象。 关键词激光点焊焊点尺寸下塌 An experimental study on laser spot welding of 304 stainless steel Tao Wang Chen Yanbin Li Liqun Wu Lin (State Key Laboratory of Advanced Welding Production Technology, Harbin Institute of Technology 150001) Abstract Laser spot welding of 304 stainless steel was carried out and the relationship between the welding parameters and the geometry of laser spot welds was investigated. The experimental results indicate that the influence of the laser pulse duration on the geometry of spot welds is more significant than that of the laser power. At the condition of full penetration, the surface concave is obvious, and the concave of the bottom side is found when the pulse duration or the dimension of gap increases. Moreover, the fusion area contracts with the increase of gap dimension. Keywords laser spot welding weld geometry surface concave 1. 引言 目前生产中所使用的点焊方式大多为电阻点焊，它易于实现自动化和机械化，生产效率高。但是也存在很多问题，比如无损检测困难，接头强度低等。随着各种焊接方式的不断产生和发展，点焊方式也呈现多样化。目前已经应用于生产的就有电阻点焊、电弧点焊、激光点焊和胶接点焊等多种点焊方法[1]。 激光点焊作为一种新的点焊方式，与传统的电阻点焊相比具有其特有的优势。由于采用激光作热源，点焊速度快、精度高，热输入量小，工件变形小；激光的可达性较好，可以减少点焊时位置与结构上的限制；激光点焊属于无接触焊接，焊点之间的距离、搭接量等参数的调节范围大；不需要大量的辅助设备，能够较快的适应产品变化，满足市场需求[2]。激光点焊所具有的高精度、高柔性的特点使其在实际生产，特别是航空工业的应用中能够取代传统的电阻点焊和铆接等工艺。 目前激光点焊技术多应用在大批量自动化生产的微小元件的组焊中，采用高频率、低功率的脉冲激光器，所得焊点热影响区小，焊点无污染，焊接质量高。但是在大功率点焊厚度大于0.5mm材料的研究非常少。当前对于激光点焊的研究一般都采用数值模拟的方法来预测焊点的形状和尺寸[3]，或者是通过各种检测手段来研究点焊时匙孔特征和动态行为[4]。而把激光点焊当作一项工艺来研究的文献报道非常少见。在激光点焊技术应用到实际生产代替传统的点焊方式之前，需要进行大量的工艺试验研究。为了对激光点焊工艺有一个初步的探索，本文以0.8mm厚不锈钢板为材料，进行搭接点焊试验，研究了CO2激光点焊不锈钢过程中激光功率、焊接持续时间和离焦量这三种工艺参数对激光点焊焊点形态、尺寸和强度的影响规律，并且分析了激光点焊对板间间隙的适应性。
激光焊接的工作原理及其主要工艺参数 目前常用的焊接工艺有电弧焊、电阻焊、钎焊、电子束焊等。电弧焊是目前应用最广泛的焊接方法，它包括手弧焊、埋弧焊、钨极气体保护电弧焊、等离子弧焊、熔化极气体保护焊等。但上述各种焊接方法都有各自的缺点，比如空间限制，对于精细器件不易操作等，而激光焊接不但不具有上述缺点，而且能进行精确的能量控制，可以实现精密微型器件的焊接。并且它能应用于很多金属，特别是能解决一些难焊金属及异种金属的焊接。 激光指在能量相应与两个能级能量差的光子作用下，诱导高能态的原子向低能态跃迁，并同时发射出相同能量的光子。激光具有方向性好、相干性好、单色性好、光脉冲窄等优点。激光焊接是利用大功率相干单色光子流聚焦而成的激光束为热源进行的焊接，这种焊接通常有连续功率激光焊和脉冲功率激光焊。激光焊接从上世纪60年代激光器诞生不久就开始了研究，从开始的薄小零器件的焊接到目前大功率激光焊接在工业生产中的大量的应用，经历了近半个世纪的发展。由于激光焊接具有能量密度高、变形小、热影响区窄、焊接速度高、易实现自动控制、无后续加工的优点，近年来正成为金属材料加工与制造的重要手段，越来越广泛地应用在汽车、航空航天、造船等领域。虽然与传统的焊接方法相比，激光焊接尚存在设备昂贵、一次性投资大、技术要求高的问题，但激光焊接生产效率高和易实现自动控制的特点使其非常适于大规模生产线。 2. 激光焊接原理 2.1激光产生的基本原理和方法 光与物质的相互作用，实质上是组成物质的微观粒子吸收或辐射光子。微观粒子都具有一套特定的能级，任一时刻粒子只能处在与某一能级相对应的状态，物质与光子相互作用时，粒子从一个能级跃迁到另一个能级，并相应地吸收或辐射光子。光子的能量值为此两能级的能量差△E，频率为ν=△E/h。爱因斯坦认为光和原子的相互作用过程包含原子的自发辐射跃迁、受激辐射跃迁和受激吸收跃迁三种过程。我们考虑原子的两个能级E1和E2，处于两个能级的原子数密度分别为N1和N2。构成黑体物质原子中的辐射场能量密度为ρ，并有E2 -E1=hν。 2.1.自发辐射 处于激发态的原子如果存在可以接纳粒子的较低能级，即使没有外界作用，粒子也有一定的概率自发地从高能级激发态（E2）向低能级基态（E1）跃迁，同时辐射出能量为（E2-E1）的光子，光子频率ν=（E2-E1）/h。这种辐射过程称为自发辐射。自发辐射发出的光，不具有相位、偏振态上的一致，是非相干光。 2.2.受激辐射 除自发辐射外，处于高能级E2上的粒子还可以另一方式跃迁到较低能级。当频率为ν=（E2-E1）/h的光子入射时，也会引发粒子以一定的概率，迅速地从能级E2跃迁到能级E1，同时辐射一个与外来光子频率、相位、偏振态以及传播方向都相同的光子，这个过程称为受激辐射。 2.3.受激吸收 受激辐射的反过程就是受激吸收。处于低能级E1的一个原子，在频率为的辐射场作用下吸收一个能量为hν的光子，并跃迁至高能级E2，这种过程称为受激吸收。自发辐射是不相干的，受激辐射是相干的。 由受激辐射和自发辐射的相干性可知，相干辐射的光子简并度很大。普通光源在红外和可见光波段实际上是非相干光源。如果能够创造这样一种情况：使得腔内某一特定模式的ρ很大，而其他所有模式的都很小，就能够在这一特定模式内形成很高的光子简并度，使相干
激光焊接的工作原理及其主要工艺参数摘要：焊接技术主要应用在金属母材热加工上，常用的有电弧焊，电阻焊，钎焊， 电子束焊，激光焊等多种，本文详细介绍了激光焊接的工作原理与工艺参数，还讨论了激光焊接技术在现代工业中的应用，并与其他焊接方法进行对比。研究表明激光焊接技术将逐步得到广泛应用。 关键词：焊接技术；激光焊接；工作原理；工艺参数。 1. 引言 目前常用的焊接工艺有电弧焊、电阻焊、钎焊、电子束焊等。电弧焊是目前应用最广泛的焊接方法，它包括手弧焊、埋弧焊、钨极气体保护电弧焊、等离子弧焊、熔化极气体保护焊等。但上述各种焊接方法都有各自的缺点，比如空间限制，对于精细器件不易操作等，而激光焊接不但不具有上述缺点，而且能进行精确的能量控制，可以实现精密微型器件的焊接。并且它能应用于很多金属，特别是能解决一些难焊金属及异种金属的焊接。 激光指在能量相应与两个能级能量差的光子作用下，诱导高能态的原子向低能态跃迁，并同时发射出相同能量的光子。激光具有方向性好、相干性好、单色性好、光脉冲窄等优点。激光焊接是利用大功率相干单色光子流聚焦而成的激光束为热源进行的焊接，这种焊接通常有连续功率激光焊和脉冲功率激光焊。激光焊接从上世纪60年代激光器诞生不久就开始了研究，从开始的薄小零器件的焊接到目前大功率激光焊接在工业生产中的大量的应用，经历了近半个世纪的发展。由于激光焊接具有能量密度高、变形小、热影响区窄、焊接速度高、易实现自动控制、无后续加工的优点，近年来正成为金属材料加工与制造的重要手段，越来越广泛地应用在汽车、航空航天、造船等领域。虽然与传统的焊接方法相比，激光焊接尚存在设备昂贵、一次性投资大、技术要求高的问题，但激光焊接生产效率高和易实现自动控制的特点使其非常适于大规模生产线。 2. 激光焊接原理 2.1激光产生的基本原理和方法 光与物质的相互作用，实质上是组成物质的微观粒子吸收或辐射光子。微观粒子都具有一套特定的能级，任一时刻粒子只能处在与某一能级相对应的状态，物质与光子相互作用时，粒子从一个能级跃迁到另一个能级，并相应地吸收或辐射光子。光子的能量值为此两能级的能量差△E，频率为ν=△E/h。爱因斯坦认为光和原子的相互作用过程包含原子的自发辐射跃迁、受激辐射跃迁和受激吸收跃迁三种过程。我们考虑原子的两个能级E1和E2，处于两个能级的原子数密度分别为N1和N2。构成黑体物质原子中的辐射场能量密度为ρ，并有E2 -E1=hν。 2.1.自发辐射 处于激发态的原子如果存在可以接纳粒子的较低能级，即使没有外界作用，粒子也有一定的概率自发地从高能级激发态（E2）向低能级基态（E1）跃迁，同时辐射出能量为（E2-E1）的光子，光子频率ν=（E2-E1）/h。这种辐射过程称为自发辐射。自发辐射发出的光，不具有相位、偏振态上的一致，是非相干光。 2.2.受激辐射 除自发辐射外，处于高能级E2上的粒子还可以另一方式跃迁到较低能级。当频率为ν=（E2-E1）/h的光子入射时，也会引发粒子以一定的概率，迅速地从能级E2跃迁到能级E1，同时辐射一个与外来光子频率、相位、偏振态以及传播方向都相同的光子，
不锈钢的激光焊接 一、绪论 激光焊以聚焦的激光束作为能源轰击焊件所产生的热量进行焊接的方法。它具有输入热量少、焊接速度高、接头热变形和热影响区小、熔池形状深宽比大、组织细、韧性好等优点。焊接时无机械接触，有利于实现在线质量监控和自动化生产，经济效益显著。 激光焊接的应用领域 1、制造业应用 激光拼焊(TailoredBlandLaserWelding)技术在国外轿车制造中得到广泛的应用，据统计，2000年全球范围内剪裁坯板激光拼焊生产线超过100条，年产轿车构件拼焊坯板7000万件，并继续以较高速度增长。国内生产的引进车型Passat，Buick，Audi等也采用了一些剪裁坯板结构。日本以C O2激光焊代替了闪光对焊进行制钢业轧钢卷材的连接，在超薄板焊接的研究，如板厚100微米以下的箔片，无法熔焊，但通过有特殊输出功率波形的YAG激光焊得以成功，显示了激光焊的广阔前途。日本还在世界上首次成功开发了将YAG激光焊用于核反应堆中蒸气发生器细管的维修等，在国内苏宝蓉等还进行了齿轮的激光焊接技术。 2、粉末冶金领域 随着科学技术的不断发展，许多工业技术上对材料特殊要求，应用冶铸方法制造的材料已不能满足需要。由于粉末冶金材料具有特殊的性能和制造优点，在某些领域如汽车、飞机、工具刃具制造业中正在取代传统的冶铸材料，随着粉末冶金材料的日益发展，它与其它零件的连接问题显得日益突出，使粉末冶金材料的应用受到限制。在八十年代初期，激光焊以其独特的优点进入粉末冶金材料加工领域，为粉末冶金材料的应用开辟了新的前景，如采用粉末冶金材料连接中常用的钎焊的方法焊接金刚石，由于结合强度低，热影响区宽特别是不能适应高温及强度要求高而引起钎料熔化脱落，采用激光焊接可以提高焊接强度以及耐高温性能。 3、汽车工业 20世纪80年代后期，千瓦级激光成功应用于工业生产，而今激光焊接生产线已大规模出现在汽车制造业，成为汽车制造业突出的成就之一。德国奥迪、奔驰、大众、瑞典的沃尔沃等欧洲的汽车制造厂早在20世纪8 0年代就率先采用激光焊接车顶、车身、侧框等钣金焊接，90年代美国通用、福特和克莱斯勒公司竟相将激光焊接引入汽车制造，尽管起步较晚，但发展很快。意大利菲亚特在大多数钢板组件的焊接装配中采用了激光焊接，日本的日产、本田和丰田汽车公司在制造车身覆盖件中都使用了激光焊接和切割工艺，高强钢激光焊接装配件因其性能优良在汽车车身制造中
激光焊接是激光材料加工技术应用的重要方面之一，又常称为激光焊机、镭射焊机，按其工作方式常可分为激光模具烧焊机（手动焊接机）、自动激光焊接机、激光点焊机、光纤传输激光焊接机，光焊接是利用高能量的激光脉冲对材料进行微小区域内的局部加热，激光辐射的能量通过热传导向材料的内部扩散，将材料熔化后形成特定熔池以达到焊接的目的。 一、激光焊接的主要特性。 20世纪70年代主要用于焊接薄壁材料和低速焊接，焊接过程属热传导型，即激光辐射加热工件表面，表面热量通过热传导向内部扩散，通过控制激光脉冲的宽度、能量、峰值功率和重复频率等参数，使工件熔化，形成特定的熔池。由于其独特的优点，已成功应用于微、小型零件的精密焊接中。 高功率CO2及高功率YAG激光器的出现，开辟了激光焊接的新领域。获得了以小孔效应为理论基础的深熔焊接，在机械、汽车、钢铁等工业领域获得了日益广泛的应用。 与其它焊接技术相比，激光焊接的主要优点是： 1、速度快、深度大、变形小。 2、能在室温或特殊条件下进行焊接，焊接设备装置简单。例如，激光通过电磁场，光束不会偏移；激光在真空、空气及某种气体环境中均能施焊，并能通过玻璃或对光束透明的材料进行焊接。 3、可焊接难熔材料如钛、石英等，并能对异性材料施焊，效果良好。 4、激光聚焦后，功率密度高，在高功率器件焊接时，深宽比可达5：1，最高可达10：1。 5、可进行微型焊接。激光束经聚焦后可获得很小的光斑，且能精确定位，可应用于大批量自动化生产的微、小型工件的组焊中。 6、可焊接难以接近的部位，施行非接触远距离焊接，具有很大的灵活性。尤其是近几年来，在YAG激光加工技术中采用了光纤传输技术，使激光焊接技术获得了更为广泛的推广和应用。 7、激光束易实现光束按时间与空间分光，能进行多光束同时加工及多工位加工，为更精密的焊接提供了条件。 但是，激光焊接也存在着一定的局限性： 1、要求焊件装配精度高，且要求光束在工件上的位置不能有显著偏移。这是因为激光聚焦后光斑尺雨寸小，焊缝窄，为加填充金属材料。若工件装配精度或光束定位精度达不到要求，很容易造成焊接缺憾。 2、激光器及其相关系统的成本较高，一次性投资较大。 二、激光焊接热传导。
激光焊接原理与主要工艺参数 作者:opticsky 日期:2006-12-01 字体大小: 小中大 1．激光焊接原理 激光焊接可以采用连续或脉冲激光束加以实现，激光焊接的原理可分为热传导型焊接和激光深熔 焊接。功率密度小于104~105 W/cm2为热传导焊，此时熔深浅、焊接速度慢；功率密度大于 105~107 W/cm2时，金属表面受热作用下凹成“孔穴”，形成深熔焊，具有焊接速度快、深宽比大的特点。 其中热传导型激光焊接原理为：激光辐射加热待加工表面，表面热量通过热传导向内部扩散，通过 控制激光脉冲的宽度、能量、峰功率和重复频率等激光参数，使工件熔化，形成特定的熔池。 用于齿轮焊接和冶金薄板焊接用的激光焊接机主要涉及激光深熔焊接。下面重点介绍激光深熔焊接 的原理。 激光深熔焊接一般采用连续激光光束完成材料的连接，其冶金物理过程与电子束焊接极为相似，即 能量转换机制是通过“小孔”（Key-hole）结构来完成的。在足够高的功率密度激光照射下，材料产生蒸发并形成小孔。这个充满蒸气的小孔犹如一个黑体，几乎吸收全部的入射光束能量，孔腔内平 衡温度达2500 0C左右，热量从这个高温孔腔外壁传递出来，使包围着这个孔腔四周的金属熔 化。小孔内充满在光束照射下壁体材料连续蒸发产生的高温蒸汽，小孔四壁包围着熔融金属，液态 金属四周包围着固体材料（而在大多数常规焊接过程和激光传导焊接中，能量首先沉积于工件表 面，然后靠传递输送到内部）。孔壁外液体流动和壁层表面张力与孔腔内连续产生的蒸汽压力相持 并保持着动态平衡。光束不断进入小孔，小孔外的材料在连续流动，随着光束移动，小孔始终处于 流动的稳定状态。就是说，小孔和围着孔壁的熔融金属随着前导光束前进速度向前移动，熔融金属 充填着小孔移开后留下的空隙并随之冷凝，焊缝于是形成。上述过程的所有这一切发生得如此快， 使焊接速度很容易达到每分钟数米。 2. 激光深熔焊接的主要工艺参数 1激光功率。激光焊接中存在一个激光能量密度阈值，低于此值，熔深很浅，一旦达到或超过此 值，熔深会大幅度提高。只有当工件上的激光功率密度超过阈值（与材料有关），等离子体才会产生，这标志着稳定深熔焊的进行。如果激光功率低于此阈值，工件仅发生表面熔化，也即焊接以稳 定热传导型进行。而当激光功率密度处于小孔形成的临界条件附近时，深熔焊和传导焊交替进行，
一、激光基本原理 1、 LASER 是什么意思 Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation(通过诱导放出实现光能增幅的英语开头字母 2、激光产生的原理 激光――“受激辐射放大”是通过强光照射激光发生介质,使介质内部原子的电子获得能量,受激而使电子运动轨道发生迁移,由低能态变为高能态。处于激发态的原子,受外界辐射感应,使处于激发态的原子跃迁到低能态,同时发出一束光;这束光在频率、相位、传播方向、偏振等方面和入射光完全一致,此时的光为受激辐射光。 为了得到高能量密度、高指向性的激光,必须要有封闭光线的谐振腔,使观光束在置于激光发生介质两侧的反射镜之间往复振荡,进而提高光强,同时提高光的方向性。含有钕 (ND的 YAG 结晶体发生的激光是一种人眼看不见的波长为 1.064um 的近红外光。这种光束在微弱的受激发情况下,也能实现连续发振。 YAG 晶体是宝石钇铝石榴石的简称,具有优异的光学特性,是最佳的激光发振用结晶体。 3、激光的主要特长 a 、单色性――激光不是已许多不同的光混一合而成的,它是最纯的单色光 (波长、频率 b 、方向性――激光传播时基本不向外扩散。 c 、相干性――激光的位相 (波峰和波谷很有规律,相干性好。 d 、高输出功率――用透镜聚焦激光后,所得到的能量密度是太阳光的几百倍。 二、 YAG 激光焊接
激光焊接是利用激光束优异的方向性和高功么密度等特点进行工作。通过光学系统将激光束聚焦在很小的区域内,在极短的时间内使被焊处形成一个能量高度集中的热源区,从而使被焊物熔化并形成牢固的焊点和焊缝。 常用的激光焊接方式有两种:脉冲激光焊和连续激光焊。前者主要用于单点固定连续和薄件材料的焊接。后者主要用于大厚件的焊接和切割。 l 、激光焊接加工方法的特征 A 、非接触加工,不需对工件加压和进行表面处理。 B 、焊点小、能量密度高、适合于高速加工。 C 、短时间焊接,既对外界无热影响,又对材料本身的热变形及热影响区小,尤其适合加工高熔点、高硬度、 特种材料。 D 、不需要填充金属、不需要真空环境 (可在空气中直接进行、不会像电子束那样在空气中产生 X 射线的危险。 E 、与接触焊工艺相比 . 无电极、工具等的磨损消耗。 F 、无加工噪音,对环境无污染。 G 、微小工件也可加工。此外,还可通过透明材料的壁进行焊接。 H 、可通过光纤实现远距离、普通方法难以达到的部位、多路同时或分时焊接。 I 、很容易改变激光输出焦距及焊点位置。 J 、很容易搭载到自动机、机器人装置上。
SAF2507超级双相不锈钢焊接接头组织及性能研究SAF2507超级双相不锈钢是力学性能和耐腐蚀性能最为优良的双相不锈钢 种之一,广泛运用于船舶海洋、桥梁管道、压力容器等场所。SAF2507超级双相不锈钢拥有高性能的同时,拥有良好的焊接性能,钨极氩弧焊、搅拌摩擦焊、激光焊、等离子弧焊等焊接方式均可运用于焊接SAF2507超级双相不锈钢。 但SAF2507含有的高含量合金元素,也会使其在焊接接头容易析出金属间化合物,两相比例失衡,从而导致焊接结构力学及腐蚀性能的降低,尤其是激光焊接等高能量密度能源的焊接中更为严重,这在一定程度上阻碍SAF2507超级双相不锈钢在工程上的应用,也阻碍激光焊接等高效率焊接工艺在该合金中的应用。因此,本文采用钨极氩弧焊、激光自熔焊以及激光-MIG复合焊三种焊接方式焊接SAF2507超级双相不锈钢,通过焊后热处理的方法改善焊接接头失衡的双相比例,消除接头中的金属间化合物,对比分析三种焊接接头的组织演变对力学及腐蚀性能的影响。 研究结果表明,激光自熔焊接的焊缝成形最佳,但其由于过快的焊接冷却速度,焊缝区域双相组织失衡严重,铁素体组织含量高达69.3%;钨极氩弧焊的焊缝成形最差,但得益于较慢的焊接速度以及较大的焊缝散热面积,焊接冷却速度慢,铁素体大量转变为奥氏体组织,双相组织最为均衡,比例接近于1:1;激光-MIG复合焊接头分上下部分,上部分受到填丝和激光的共同影响,焊丝的加入使得焊缝冷却速度变慢,同时焊丝中奥氏体化元素Ni的含量比母材更高,更多的奥氏体组织析出,下部分只受到激光的影响,冷却速度较快,组织与激光自熔焊类似。三种焊接方式在接头热影响区都出现了金属间化合物Cr2N,其会影响接头的综合性能,通过焊后固溶处理的方式消除Cr2N组织,同时调节
Material Sciences 材料科学, 2017, 7(8), 681-689 Published Online November 2017 in Hans. https://www.doczj.com/doc/4917283003.html,/journal/ms https://https://www.doczj.com/doc/4917283003.html,/10.12677/ms.2017.78090 Study on Appearance of Weld during Deep-Penetration Laser Welding of 304 Stainless Steel Shichun Li1,2, Shenghui Liao3*, Genyu Chen4 1Intelligent Manufacturing Institute of HNUST, Hunan University of Science and Technology, Xiangtan Hunan 2Hunan Provincial Key Laboratory of High Efficiency and Precision Machining of Difficult-to-Cut Material, Hunan University of Science and Technology, Xiangtan Hunan 3Xiamen King Long United Automotive Industry Co. Ltd., Xiamen Fujian 4Laser Research Institute, College of Mechanical and Vehicle Engineering, Hunan University, Changsha Hunan Received: Oct. 28th, 2017; accepted: Nov. 11th, 2017; published: Nov. 21st, 2017 Abstract For the reasons that bad weld shapes were easy to form during high-power deep-penetration laser welding, and the “nail-head” weld shape could generated easily, this paper carried out the expe-riments to study the effects of weld speed, defocused distance and jet orifice diameter of shielding gas on the weld seam geometry. The effects of surface-active sulfur powder on weld formation were studied. It was found that when the welding speed increased or the defocused distance changed from negative to positive, the depth-to-width ratio and the angle θincreased first and then decreased. When the welding speed was 25 mm/s and the defocused distance was ?3 mm, the depth-to-width ratio and the angle θ were the biggest and the “nail-head” characteristic of weld shape was most non-obvious. During laser welding with argon shielding gas which was set prepo-sition and with 45 degree angle, the relative big jet orifice diameter should be chosen, then the relative big depth-to-width ratio and angle θcould be obtained and the “nail-head” weld shape could be better controlled. The addition of surface-active sulfur powder during laser welding could control the molten pool behavior, reduce the weld width and increase the weld depth, and then the “nail-head” weld shape could be suppressed. Therefore, optimizing welding parameters and adding active powder were two valid means to control “nail-head” weld shape, which could be used during actual production. Keywords Deep-Penetration Laser Welding, “Nail-Head” Shape Weld, Parameter Optimization, Active-Welding *通讯作者。
不锈钢管焊接方法之激光焊接 最近几年，由于人们对环境问题越来越关注，在提高燃料效率方面，汽车制造商受到的压力日益增长。更加严格、约束性更强的法规给工业生产和材料加工带来了技术上的挑战。在这些趋势中包括了降低废气的排放，车身更轻，以及延长零件的使用寿命。 材料加工方面的进步为不锈钢管生产领域带来了独特的机遇。具体来说，人们要求生产商生产这样的零件，它们必须有更轻的重量，但是仍必须有防腐蚀特点，并且满足强度要求。此外，车身的空间局限性更强调了可成形性的重要性。典型的应用包括了排气管、燃料管、喷油嘴和其他组件。 不锈钢管时，先成形扁平的钢带，随后使得其外形成为圆管状。一旦成形后，管子的接缝必须被焊接到一起。这个焊缝很大程度上影响了零件的可成形性。因此，若要得到能够满足制造业内严格的测试要求的焊接外形，选择合适的焊接技术就极为重要。无庸置疑，钨极气体保护电弧焊（GTAW）、高频（HF）焊，以及激光焊接已经在不锈钢管的制造中各自得到了应用。在生产 激光焊接 在所有的钢管焊接应用中，钢带的边缘被熔化，当使用夹紧支架把钢管边缘挤压到一起时，边缘发生凝固。然而，对激光焊接来说，特有的性质是它具有高能量的光束密度。激光光束不仅熔化了材料的表层，还产生了一个匙孔，以至焊缝外形很窄。 功率密度低于1 MW/cm2的话，如GTAW技术，就产生不了足够的能量密度以产生匙孔。这样，无匙孔的工艺得到的焊接外形宽且浅。激光焊接的高精度带来了更高效率的穿透，这又减少了晶粒生长，带来更好的金相质量；另一方面，GTAW更高的热能输入与较慢的冷却过程导致了粗糙的焊接结构。 通常来说，人们认为激光焊接过程比GTAW快，它们有同样的废品率，而前者带来更好的金相特性，这就带来了更高的爆破强度和更高的可成形性。当与高频焊接相比时，激光加工材料过程不发生氧化，这就使得废品率更低，可成形性更高。 光斑尺寸的影响 在不锈钢管厂的焊接中，焊接深度是由钢管的厚度决定的。这样，生产目标就是通过减小焊接宽度来提高可成形性，同时实现更高的速度。在选择最合适的激光时，人们不能只考虑光束质量，还必须考虑轧管机的准确性。此外，轧管机在尺寸上的误差起作用以前还必须先考虑减小光斑时受到的限制。 在钢管焊接中特有的尺寸上的问题很多，然而，影响焊接的主要因素是，在焊接盒（更具体的说，是焊接卷）上的接缝。一旦钢带经过成形加工准备进行焊接时，焊缝的特徵包括了：钢带间隙、严重/轻微的焊接错位、焊缝中线的变化。间隙决定了要用多少材料来形成焊池。压力太大将导致钢管顶部或者内径材料过剩。另一方面，严重或者轻微的焊接错位会导致焊接外形不佳。
激光焊接工艺详解 随着科学技术的发展，近年来出现了激光焊接。那么什么是激光焊接呢？激光焊接的特点与优点又有哪些呢？ 下图是激光焊接的工作原理： 首先，什么是激光？世界上的第一个激光束于1960年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106瓦，但仍属于低能量输出. 激光技术采用偏光镜反射激光产生的光束使其集中在聚焦装置中产生巨大能量的光束，假如焦点靠近工件，工件就会在几毫秒内熔化和蒸发，这一效应可用于焊接工艺高功率CO2及高功率YAG激光器的出现，开辟了激光焊接的新领域。激光焊接设备的关键是大功率激光器，主要有两大类，一类是固体激光器，又称Nd:YAG 激光器。Nd（钕）是一种稀土族元素，YAG代表钇铝柘榴石，晶体结构与红宝石相似。Nd:YAG激光器波长为1.06μm，主要优点是产生的光束可以通过光纤传送，因此可以省往复杂的光束传送系统，适用于柔性制造系统或远程加工，通常用于焊接精度要求比较高的工件。汽车产业常用输出功率为3-4千瓦的Nd:YAG激光器。另一类是气体激光器，又称CO2激光器，分子气体作工作介质，产生均匀为10.6μm的红外激光，可以连续工作并输出很高的功率，标准激光功率在2-5千瓦之间。 与其它传统焊接技术相比，激光焊接的主要优点是： 1、速度快、深度大、变形小。 2、能在室温或特殊条件下进行焊接，焊接设备装置简单。例如，激光通过电磁场，光束不会偏移；激光在真空、空气及某种气体环境中均能施焊，并能通过玻璃或对光束透明的材料进行焊接。 3、可焊接难熔材料如钛、石英等，并能对异性材料施焊，效果良好。 4、激光聚焦后，功率密度高，在高功率器件焊接时，深宽比可达5：1，最高可达10：1。 5、可进行微型焊接。激光束经聚焦后可获得很小的光斑，且能精确定位，可应用于大批量自动化生产的微、小型工件的组焊中。 6、可焊接难以接近的部位，施行非接触远间隔焊接，具有很大的灵活性。尤其是近几年来，在YAG激光加工技术中采用了光纤传输技术，使激光焊接技术获得了更为广泛的推广和应用。 7、激光束易实现光束按时间与空间分光，能进行多光束同时加工及多工位加工，为更精密的焊接提供了条件。
上海交通大学硕士学位论文 2205双相不锈钢激光焊缝组织调控方法研究 硕士研究生：赖睿 学号：1130509040 导师：蔡艳副教授 申请学位：工学硕士 学科：材料科学与工程 所在单位：材料科学与工程学院 答辩日期：2016年1月 授予学位单位：上海交通大学
Dissertation Submitted to Shanghai Jiao Tong University for the Degree of Master STUDY ON REGULATION OF MICROSTUCTURE IN 2205 DUPLEX STAINLESS STEEL WELD PROCESSED BY FIBER LASER Candidate：Lai Rui Student ID: 1130509040 Supervisor：Prof. Cai Academic Degree Applied for：Master of Engineering Speciality：Material Science And Engineer Affiliation：School of Material Science And Engineer Date of Defence：Jan, 2016 Degree-Conferring-Institution：Shanghai Jiao Tong University
上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文《2205双相不锈钢激光焊缝组织调控方法研究》，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期：年月日
焊接不锈钢管，先成形扁平的钢带，随后使得其外形成为圆管状，一旦成形后，不锈钢管的接缝必须被焊接到一起。这个焊缝很大程度上影响了零件的可成形性。因此，若要得到能够满足制造业内严格的测试要求的焊接外形，选择合适的焊接技术就极为重要。毋庸置疑，钨极气体保护电弧焊（GTAW）、高频（HF）焊，以及激光焊接已经在不锈钢管的制造中各自得到了应用。 在所有的钢管焊接应用中，钢带的边缘被熔化，当使用夹紧支架把钢管边缘挤压到一起时，边缘发生凝固。然而，对激光焊接来说，
特有的性质是它具有高能量的光束密度。激光光束不仅熔化了材料的表层，还产生了一个匙孔，以至焊缝外形很窄。 通常来说，人们认为激光焊接过程比GTAW快，它们有同样的废品率，而前者带来更好的金相特性，这就带来了更高的爆破强度和更高的可成形性。当与高频焊接相比时，激光加工材料过程不发生氧化，这就使得废品率更低，可成形性更高。 在不锈钢管厂的焊接中，焊接深度是由钢管的厚度决定的。这样，生产目标就是通过减小焊接宽度来提高可成形性，同时实现更高的速度。在选择最合适的激光时，人们不能只考虑光束质量，还必须考虑轧管机的准确性。此外，轧管机在尺寸上的误差起作用以前还必须先考虑减小光斑时受到的限制。 在钢管焊接中特有的尺寸上的问题很多，然而，影响焊接的主要因素是，在焊接盒上的接缝。一旦钢带经过成形加工准备进行焊接时，焊缝的特徵包括了：钢带间隙、严重/轻微的焊接错位、焊缝中线的变化。间隙决定了要用多少材料来形成焊池。压力太大将导致不锈钢焊管顶部或者内径材料过剩。另一方面，严重或者轻微的焊接错位会导致焊接外形不佳。 如果您还想了解更多相关信息，可以拨打海维光电官方电话、登
1．激光焊接原理 激光焊接可以采用连续或脉冲激光束加以实现，激光焊接的原理可分为热传导型焊接和激光深熔焊接。功率密度小于104~105 W/cm2为热传导焊，此时熔深浅、焊接速度慢；功率密度大于105~107 W/cm2时，金属表面受热作用下凹成“孔穴”，形成深熔焊，具有焊接速度快、深宽比大的特点。 其中热传导型激光焊接原理为：激光辐射加热待加工表面，表面热量通过热传导向内部扩散，通过控制激光脉冲的宽度、能量、峰功率和重复频率等激光参数，使工件熔化，形成特定的熔池。 用于齿轮焊接和冶金薄板焊接用的激光焊接机主要涉及激光深熔焊接。下面重点介绍激光深熔焊接的原理。 激光深熔焊接一般采用连续激光光束完成材料的连接，其冶金物理过程与电子束焊接极为相似，即能量转换机制是通过“小孔”（Key-hole）结构来完成的。在足够高的功率密度激光照射下，材料产生蒸发并形成小孔。这个充满蒸气的小孔犹如一个黑体，几乎吸收全部的入射光束能量，孔腔内平衡温度达2500 0C左右，热量从这个高温孔腔外壁传递出来，使包围着这个孔腔四周的金属熔化。小孔内充满在光束照射下壁体材料连续蒸发产生的高温蒸汽，小孔四壁包围着熔融金属，液态金属四周包围着固体材料（而在大多数常规焊接过程和激光传导焊接中，能量首先沉积于工件表面，然后靠传递输送到内部）。孔壁外液体流动和壁层表面张力与孔腔内连续产生的蒸汽压力相持并保持着动态平衡。光束不断进入小孔，小孔外的材料在连续流动，随着光束移动，小孔始终处于流动的稳定状态。就是说，小孔和围着孔壁的熔融金属随着前导光束前进速度向前移动，熔融金属充填着小孔移开后留下的空隙并随之冷凝，焊缝于是形成。上述过程的所有这一切发生得如此快，使焊接速度很容易达到每分钟数米。 2. 激光深熔焊接的主要工艺参数 1)激光功率。激光焊接中存在一个激光能量密度阈值，低于此值，熔深很浅，一旦达到或超过此值，熔深会大幅度提高。只有当工件上的激光功率密度超过阈值（与材料有关），等离子体才会产生，这标志着稳定深熔焊的进行。如果激光功率低于此阈值，工件仅发生表面熔化，也即焊接以稳定热传导型进行。而当激光功率密度处于小孔形成的临界条件附近时，深熔焊和传导焊交替进行，成为不稳定焊接过程，导致熔深波动很大。激光深熔焊时，激光功率同时控制熔透深度和焊接速度。焊接的熔深直接与光束功率密度有关，且是入射光束功率和光束焦斑的函数。一般来说，对一定直径的激光束，熔深随着光束功率提高而增加。 2)光束焦斑。光束斑点大小是激光焊接的最重要变量之一，因为它决定功率密度。但对高功率激光来说，对它的测量是一个难题，尽管已经有很多间接测量技术。 光束焦点衍射极限光斑尺寸可以根据光衍射理论计算，但由于聚焦透镜像差的存在，实际光斑要比计算值偏大。最简单的实测方法是等温度轮廓法，即用厚纸烧焦和穿透聚丙烯板后测量焦斑和穿孔直径。这种方法要通过测量实践，掌握好激光功率大小和光束作用的时间。 3)材料吸收值。材料对激光的吸收取决于材料的一些重要性能，如吸收率、反射率、热导率、熔化温度、蒸发温度等，其中最重要的是吸收率。
激光焊接介绍罗雅2016年1月26日
目录 激光焊接的分类 焊接的接头形式 3 激光焊接的特点 1 2 激光焊接的主要工艺参数4 56 激光焊接适用的材料 5 焊接保护气 焊接要求 7
激光焊接的特点 优点 (1) 小的加工范围对能量输入可控：小的热应力，小的热影响区，和 小的热变形。 (2) 窄而光滑的焊缝：可以减少或消除焊后处理工序 (3) 冷却速度快，焊缝组织微细，故焊接接头性能良好。 (4) 高加工速度，短工作周期 (5)可进行微型焊接或实现远距离传输，不需要真空装置，利于大批 量自动化生产。 (6) 易于功能集成：激光焊接很容易与其它加工手段，协同生产，例 如折弯，冲床，组装等等,容易实现自动化生产 (7)生产过程易于控制：传感系统对加工实时监控，保证焊接质量 (8)激光焊接不需要与工件接触，避免接触应力
缺点 激光焊虽然是一种新型的焊接方式，具有好的前景，但是也有自身的局限性。 (1)焊接厚度有局限，适合薄材焊接。 (2)工件的夹持要求比较高，间隙尽量小。而且精密焊接夹具的成本 比较高。 (3)定位要非常准确，对编程的要求比较高。 (4)高反射性及高导热性材料如铝、铜及其合金等，焊接性会有影响； (5)焊缝快速凝固，不利于气体的排出，可能有气孔及脆化； (6)设备昂贵，对于小批量的生产或者定位复杂，工序复杂的生产性 价比不高。
激光焊接的分类 激光深熔焊 激光深熔焊接要求光束具有很高的能量密度一般大于10 kW/mm2。 在这种情况下，激光不仅熔化了金属，同时导致了一定的金属蒸汽。 产生的金属蒸汽在熔池的压力消失并且不断却带液态金属位置，同时金属在不断的熔化，金属蒸汽不断下降，最终形成一个窄而细的金属蒸汽小孔。池孔周围是液态熔融金属，池孔随着激光光束向前移动，液态金属不断地在匙孔后面凝固形成焊缝。
详解激光焊接技术 一、激光基本原理 1、LASER是什么意思 Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation(通过诱导放出实现光能增幅)的英语缩写。 2、激光产生的原理 激光——“受激辐射放大”是通过强光照射激光发生介质，使介质内部原子的电子获得能量，受激而使电子运动轨道发生迁移，由低能态变为高能态。处于激发态的原子，受外界辐射感应，使处于激发态的原子跃迁到低能态，同时发出一束光；这束光在频率、相位、传播方向、偏振等方面和入射光完全一致，此时的光为受激辐射光。为了得到高能量密度、高指向性的激光，必须要有封闭光线的谐振腔，使观光束在置于激光发生介质两侧的反射镜之间往复振荡，进而提高光强，同时提高光的方向。 含有钕（ND）的YAG结晶体发生的激光是一种人眼看不见的波长为1.064um 的近红外光。这种光束在微弱的受激发情况下，也能实现连续发振。YAG晶体是宝石钇铝石榴石的简称，具有优异的光学特性，是最佳的激光发振用结晶体。 3、滋光的主要特长 a、单色性―激光不是已许多不同的光混一合而成的，它是最纯的单色光（彼长、频率） b、方向性―橄光传播时基本不向外扩散。 c、相千性－－徽光的位相（波峰和波谷）很有规律，相干性好。 d、高输出功率一用透镜聚焦激光后，所得到的能量密度是太阳光的几百倍。 二、YAG激光焊接 激光焊接是利用激光束优异的方向性和高功么密度等特点进行工作。通过光学系统将激光束聚焦在很小的区域内，在极短的时间内使被焊处形成一个能量高度集中的热源区，从而使被焊物熔化并形成牢固的焊点和焊缝。 常用的激光焊接方式有两种：脉冲激光焊和连续激光焊。前者主要用于单点固定连续和薄件材料的焊接。后者主要用于大厚件的焊接和切割。