先進焊接技術論文

先進焊接技術論文

　　焊接是一種金屬加工工藝，它被廣泛應用于航空航天、機械制造、汽車制造等現代工業生產中。下面是小編精心推薦的先進焊接技術論文，希望你能有所感觸!

　　先進焊接技術論文一：激光焊接技術研究

　　摘 要：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，激光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。激光焊接能量集中使得線能量小、熱影響區窄、焊接變形小，可以實現用小功率激光器焊接厚大的零件，同時能夠改善焊縫質量，獲得硬度和塑性較好的焊接接頭，成為許多材料焊接成形的重要手段。

　　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。現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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