激光焊接工藝的質量控制

董南歐

（身份證號：13022519760825501X）

激光焊接工藝的質量控制

董南歐

（身份證號：13022519760825501X）

激光是輻射的受激發射光放大的簡稱，由于其獨有的高亮度、高方向性、高單色性、高相干性，自誕生以來，其在工業加工中的應用十分廣泛，成為未來制造系統共同的加工手段。這種焊接工藝在未來工業事業中將會得到廣泛的應用與研究。

激光焊接；工藝；質量

引言

激光焊接與傳統的焊接方法相比，激光焊接尚存在設備昂貴，一次性投資大，技術要求高的問題，使得激光焊接在我國的工業應用還相當有限，但激光焊接生產效率高和易實現自動控制的特點使其非常適于大規模生產線和柔性制造。其中，激光焊接在汽車制造領域中的許多成功應用已經凸現出激光焊接不同于傳統焊接方法的特點和優勢，也為許多大功率激光器制造商和激光焊接設備制造商提供了更為誘人的經濟效益前景。

1　激光焊接的一般特點

激光焊接是利用激光束作為熱源的一種熱加工工藝，它與電子束等離子束和一般機械加工相比較，具有許多優點：①激光束的激光焦點光斑小，功率密度高，能焊接一些高熔點、高強度的合金材料；②激光焊接是無接觸加工，沒有工具損耗和工具調換等問題。激光束能量可調，移動速度可調，可以多種焊接加工；③激光焊接自動化程度高，可以用計算機進行控制，焊接速度快，功效高，可方便的進行任何復雜形狀的焊接；④激光焊接熱影響區小，材料變形小，無需后續工序處理；⑤激光可通過玻璃焊接處于真空容器內的工件及處于復雜結構內部位置的工件；⑥激光束易于導向、聚焦，實現各方向變換；⑦激光焊接與電子束加工相比較，不需要嚴格的真空設備系統，操作方便；⑧激光焊接生產效率高，加工質量穩定可靠，經濟效益和社會效益好。

2　焊接工藝與方法

（1）雙/多光束焊接。雙/多光束焊接的提出最初是為了獲得更大的熔深和更穩定的焊接過程和更好的焊縫成形質量，其基本方法是同時將兩臺或兩臺以上的激光器輸出的光束聚焦在同一位置，以提高總的激光能量。后來，隨著激光焊接技術應用范圍的擴大，為減小在厚板焊接，特別是鋁合金焊接時容易出現氣孔傾向，采用以前后排列或平行排列的兩束激光實施焊接，這樣可以適當提高焊接小孔的穩定性，減少焊接缺陷的產生幾率。

（2）激光-電弧復合焊。激光-電弧復合焊是近年激光焊接領域的研究熱點之一。該方法的提出是由于隨著工業生產對激光焊接的要求，激光焊接本身存在的間隙適應性差，即極小的激光聚焦光斑對焊前工件的加工裝配要求過高，此外，激光焊接作為一種以自熔性焊接為主的焊接方法，一般不采用填充金屬，因此在焊接一些高性能材料時對焊縫的成分和組織控制困難。而激光-電弧復合焊集合了激光焊接大熔深、高速度、小變形的優點，又具有間隙敏感性低、焊接適應性好的特點，是一種優質高效焊接方法。

激光與電弧復合焊的方法包括兩種，即旁軸復合焊和同軸復合焊。旁軸激光-電弧復合焊方法實現較為簡單，但最大缺點是熱源為非對稱性，焊接質量受焊接方向影響很大，難以用于曲線或三維焊接。而激光和電弧同軸的焊接方法則可以形成一種同軸對稱的復合熱源，大大提高焊接過程穩定性，并可方便地實現二維和三維焊接。

3　激光焊接過程監測與質量控制

激光焊接過程監測與質量控制一直是激光焊接領域研究和發展的一個重要內容，利用電感、電容、聲波、光電、視覺等各種傳感器，通過人工智能和計算機處理方法，針對不同的激光焊接過程和要求，實現諸如焊縫跟蹤、缺陷檢測、焊縫成形質量監測等，并通過反饋控制調節焊接工藝參數，從而實現高質量的自動化激光焊接過程。

3.1激光焊接過程監測

利用各種傳感器對激光焊接過程中產生的等離子體進行檢測是常用和有效的方法。根據檢測信號的不同，激光焊接質量檢測主要包括以下幾種方式：

（1）光信號檢測。檢測對象為激光焊接過程中的等離子體（包括工件上方和小孔內部）光輻射和熔池光輻射等。從檢測裝置的安裝來看，主要包括與激光束同軸的直視檢測、側面檢測和背面檢測。使用的傳感器主要有光電二極管、光電池、CCD和高速攝像機，以及光譜分析儀等。

（2）聲音信號檢測。檢測對象主要為焊接過程中等離子體的聲振蕩和聲發射。

（3）等離子體電荷信號。檢測對象為焊接噴嘴和工件表面等離子體的電荷。

利用光電傳感器檢測激光焊接過程中等離子體光輻射強度的變化是激光焊接過程監測與控制的重要方法之一。國內外研究工作表明，利用光電傳感器可以自動檢測出焊接過程中因激光功率、焊接速度、焦點位置、噴嘴至工件表面距離、對接間隙等工藝條件的波動引起的焊縫熔深和成形質量的變化，不僅可以診斷出諸如咬邊、燒穿、駝峰等焊縫成形缺陷，而且在一定工藝條件下還可以檢測焊縫內部質量，例如，氣孔傾向的嚴重程度。

3.2激光焊接過程控制

激光焊接過程控制的主要內容就是對焊接工藝參數的控制。在激光焊接時，光束焦點位置是影響激光深熔焊質量最關鍵而又最難監測和控制的工藝參數之一。在一定激光功率和焊接速度下，只有焦點處于最佳焦點位置范圍時，才可獲得最大熔深和良好的焊縫成形。偏離這個范圍，熔深則下降，甚至破壞穩定的深熔焊過程，變為模式不穩定焊接或熱導焊。但實際激光焊接時，存在多種因素影響焦點位置的穩定性，包括因非平面工件和焊接變形引起的焊接噴嘴-工件距離變化，激光器窗口、聚焦鏡等元件熱透鏡效應引起焦點位置的變化，以及光束在飛行光路中不同位置引起焦點位置的變化等。如何迅速確定激光焦點位置并將其控制在合適的范圍，一直是激光焊接迫切要求解決而又難度很大的課題。

激光焊接技術是一種高新技術，由于其獨有的特點，特別適合在傳感器密封焊中使用，目前國外許多生產傳感器的廠家均利用激光焊接工藝生產傳感器，而國內采用此工藝的廠家不多，主要是一些生產軍用傳感器產品的廠家和部分科研機構在采用此種工藝，且采用國外激光焊接機的較多。為提高國內傳感器整體水平以及發展民族激光產業，我國的傳感器生產廠家應盡快采用國產激光焊接機來生產加工傳感器，以增加產品競爭力，開拓國際市場。

TG456.7

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1673-0038（2015）31-0175-02

2015-7-8