不锈钢激光焊的应用及国内外研究现状

激光焊具有焊接质量好、焊接效率高、外形美观,操作方便等优点,很多汽车厂家已经将其应用于汽车的各个零件且激光焊逐步取代汽车上每个电阻焊点。激光焊在国外已普遍应用于汽车的各个零件,在欧洲汽车产业中激光器大多数被用于焊接车顶。目前,德国大众已在AudiA4AudiA6PassatGolf等车顶采用了此技术。目前,高亮度的激光器、光纤激光器和盘状YAG激光器已经问世并得到了重视,他们具有高功率、高光束质量、高效率和高的线性传导率的优势。10KW光纤激光束能产生超高峰值的功率密度。据Y.Kawahito等人报道,用最大激光功率是10 KW的连续波光纤激光器,焊接20mm厚的304奥氏体不锈钢,熔深可达18mm,但是会产生未填满、驼峰、气孔等焊接缺陷。当焊速为50mm/s,熔深为12mm。高速摄像的图片表明激光等离子云每隔0.5ms从小孔部位周期性产生,且激光等离子云最大高度可达到12 mm。光谱图结果能够显示A304不锈钢中的合金元素比如铁、铬、锰等中性原子的谱线。但是合金元素电离的谱线和中性原子Ar的谱线在此焊接条件下不能明显的测出。此外,通过波尔兹曼图得到激光等离子云的温度大约是6000K,用萨哈方程计算其电离程度大概是0.02。根据以上的实验结果判定激光等离子云为弱电离等离子体。

在我国激光焊接在汽车上的应用主要有:1、汽车同步齿轮,之前国外采用电子束焊接,但是由于有辐射对人体伤害较大,且操作困难,所以很多国家在汽车工业上采用激光焊,随着我国汽车工业的迅速发展,我国也采用了激光焊接[6]2、汽车排气管采用不锈钢的激光焊接,设备也是国产,取得了较好的成就,与国外同类产品相当。3、汽车拼焊板:汽车车身的传统生产采用分离成型,但是在实际生产中难以保证质量,同时生产成本也较高,因此拼焊板(Tailor Welded Blank,TWB)成形技术应运而生,它具有减少模具和零件数量,降低零件重量,提高尺寸精度和减低成本的优点,目前跟多汽车商已经采用这种技术。

另外,激光焊接在车身制造中主要应用普通激光焊接、激光远程焊接、激光钎焊等。在我国,上海大众在较多车型中采用激光技术焊接侧围外板和车顶,如途安和帕萨特等;上海通用新君威采用了4KW泵浦激光器焊接侧围和车顶,使跟踪系统及焊缝质量监测系统都集成于焊接头上,焊接一个新君威车顶只需十几秒,且焊接质量和效率都大大提高,同时车得外形很美观。

MIG激光焊相比,激光钎焊是用激光源来熔化焊丝,填充焊缝,从而形成焊接接头。图1.8所示为激光钎焊的工艺及应用。汽车生产商通常采用的钎料是CuSi 3,熔点大约在950℃,比钢的熔点(1500)低很多,故激光钎焊所需的激光器功率也较低(约为普通激光焊接的一半),很大程度上节省激光器的投资成本,且激光钎焊能达到很高的强度。在焊接过程中,钎料直接被填入到接头缝隙中,不需要焊后涂胶,大大节省工艺成本。目前激光钎焊主要应用于车顶与侧围外板、后盖焊接等。但是在焊接车顶与侧围外板时,激光钎焊存在的缺点是对夹具(见图1.9)定位的要求高,为了得到稳定的焊接质量要求一种车型一种夹具。

远程激光焊接(见图1.10)是代替汽车白车身电阻点焊的一种更新的手段。它主要集中在欧洲和北美地区。远程激光焊接是非接触式的,由机器人驱动镜头,激光聚焦点的变化都是通过机器人的移动来完成,能够灵活地实现各个部位的焊接。远程激光焊接大大缩短了焊接时间,并提高了总生产效率。用传统机器人激光焊接20mm的缝焊需要0.20.4s,重复定位时间约3s,而远程激光焊接在焊接时间相同的条件下,重复定位时间仅为0.2s。由此可见,远程激光焊接的优势是定位时间短,主要是由于它高速的光束扫描。

目前,ComauPico公司和RofinSinar等公司合作,采用CO 2激光器的远程焊接替代电阻点焊,以高速反射光束,焊接车身件的多个焊接位置。Renault公司采用一套Agilaser焊接C85的前门部件,节省了人力和物力。但是远程激光焊接仍然处在发展阶段,是一种灵活的焊接方式。随着激光技术的不断成熟和成本的下降,激光焊接在轿车车上的应用会越来越广泛。

在国内据哈尔滨理工大学王丽凤等人报道,实验采用连续激光器堆焊3mm厚的1Cr18Ni9Ti奥氏体不锈钢,当焊接速度为1.5m/min时,激光功率对熔深的影响如图1.11,图1.12、图1.13分别为在同一激光功率下,焊速对熔深和熔宽的影响,图1.14为离焦量对熔深的影响。

实验结果表明,激光深熔焊接1Cr18Ni9Ti奥氏体不锈钢时,最佳的工艺参数是激光输出功率为1850W,,焊接速度为1.2m/min,离焦量为-2mm,此时熔深为2.3mm,热影响区较小,焊接接头良好。从此可知,只有工艺参数的合理匹配才能得到较好的焊接接头。

我国的焊接设备更是有着突飞猛进的发展,已应用于冶金、化工、机械、电力等各行各业,规模也变得强大起来。总的来说,我国焊接设备的这个行业,已经成为一个有一定科研和生产力较强的产业部门,为我国国民经济发展做出了贡献。近年来,我国的自动、半自动焊机保持着较快的增长,但是60%以上的自动、半自动焊机均是进口,这就要求我们要刻苦钻研,争取减少进口焊机的数量。

文章作者:不锈钢管|304不锈钢无缝管|316L不锈钢厚壁管|不锈钢小管|大口径不锈钢管|不锈钢换热管

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