大功率激光焊接技术的运用与发展

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  焊接是应用最广泛、最重要的材料永久連接方法,在提升材料利用率、减少和降低结构重量、降低花费方面独具优势。激光焊接则是近十年应用发展速度最快的焊接方法,其利用可聚焦可调控的高能量密度激光束为热源实现材料的溶化焊接。激光束方向性、单色性和相干性极好,光强是普通光的1010倍,脉冲功率可达1014瓦,因此热作用聚集、焊接变形小,焊接结构制作精准度高,柔性自动化实施性好,与机器人、技术数据库和专家系统管理等先进技术模式有机结合,可实现数字化智能化制作,是现代设备结构制作中不可或缺的主要技术,在汽车、船舶、高速列车乃至航空航天结构中得到成功应用,其中汽车行业已将激光焊接确定为结构制作标准化技术,激光焊接技术在国际上被视为最具发展潜力的先进焊接技术。

  激光焊接应用的发展伴随着激光、冶金、材料、力学、测控、信息、机电等学科的进步发展,是现代科学技术在材料加工领域应用的综合显现,特别是千瓦级以上的大功率激光焊接技术,几乎与激光器的进步相伴。从20世纪80年代的CO2激光、YAG激光,已扩大出半导体激光、光纤激光,激光功率由1kW提升到100kW,典型焊接激光器的特性如表1所示,其中光纤激光焊接是当前激光焊接新技术研讨热点。

  激光焊接因为热作用形式的不同、可合适产品对象也不同,所需解决的主要问题也是因需而异。激光焊接应用最广的是薄壁结构焊接,在航空结构中最典型的是欧洲空客系列客机的铝合金机身下壁板,这种以焊代铆结构将减少和降低飞机机身重量近20%,降低制作花费约20%,已应用空客A318、A380和A340系列飞机的壁板结构焊接,其中壁板数量将达到18块,焊缝总长度达到1000米。伴随着航空结构应用需求的发展,激光焊接技术的一个应用发展是面向中等厚度结构的激光复合热源焊接技术,目的是拓展激光焊接技术应用规模,解决将来设备结构的中厚度结构高精高效焊接之需,其次是针对微纳结构精密焊接的脉冲激光焊接,选用微秒、纳秒等脉冲激光器解决铜铝等异种金属、金属基复合材料、陶瓷等非金属材料乃至与航空结构相干的层叠材料(Glare)、碳纤维增强复合材料(CFRP)的焊接性问题。

  当前美、欧等发财国家在军工制作领域均公布国家计划以促进先进激光焊接技术的研讨和应用推广。欧洲空客是航空制作企业第一家将激光焊接结构代替传统铆接结构运用于飞机铝合金壁板和桁条的連接,将来还将运用于A350飞机壁板的焊接。激光焊接金属夹层板在导弹舱体、大型飞机壁板、轻型舰船轻量化结构件制作中开始大量应用,与传统实芯结构件相比较,可使重量减少和降低50%以上,所需空间降低2/3。飞机的混合层流控制结构也是将来激光焊接技术应用的对象,德国已在展开这方面的研讨。新型铝锂合金是当今在飞机减重结构设计中可与复合材料竞争的金属结构材料,欧盟的多家研讨机构一向在展开铝锂合金壁板激光焊接技术的基础研讨,在Turboprop90pax减重项目中展开2198铝锂合金激光焊接技术的研讨,欧盟的框架项目,如ECO-01-060、ECO-01-065、ECO-01-069等,均涉及铝锂合金激光焊接技术相干研讨。欧美将铝锂合金激光焊接技术列为将来20年的研讨计划。在发设法结构方面,美国普惠公司完成涡轮叶片所需部件的自动激光焊接。美国GE公司也已成功完成发设法导向叶片组件的激光焊接,有效地解决了镍基合金零件激光焊接变形与裂纹等问题。国外还在金属间化合物、记忆合金等特殊材料激光焊方面做了好多研讨工作。

  国内大功率激光焊接技术的研讨最先是针对汽车板坯拼焊,当前已广泛各个领域。哈尔滨工业大学基于产学研联合,面向航天器中钛合金、不锈钢轻量化构件展开了大量研讨,设立了相干的激光焊接平台。哈尔滨焊接研讨所、上海交通大学等重点展开了船舶结构激光焊接和激光电弧复合焊接技术的研讨。北京航空制作工程研讨所则以飞机结构激光焊接为核心,联合华中科技大学、北京工业大学、西安交通大学等展开激光焊接基础研讨,经过十余年的努力,已将激光焊接技术应运用到飞机钛合金腹鳍、壁板等结构。同时立足自主研发,设立起了CO2激光飞翔光路四轴自动控制激光切割与焊接系统,YAG激光焊机器手自动焊接系统,伴随着光纤激光的发展又设立了光纤激光多轴数控双光束激光焊接平台,乃至双机器人双光束激光焊接平台,在国内率先产生具备好多种大功率激光焊接的实验和小批生产的设备系统。在基础方面,一方面努力于新型材料的激光焊接技术基础研讨乃至焊接接头特性和功能、焊接热效果和速率等剖析,如Ti3Al、Ti2AlNb、TiNi等金属间化合物的激光焊接;另外一方面针对航空结构的铝合金、钛合金深入展开激光焊接技术优化、缺点控制与检测、自动化控制,并在焊接冶金与力学特性和功能展开了大量基础性研讨,不仅是设立了激光焊接过程信號检测系统进行等离子体特点、熔池行为与小孔特点的过程机理研讨,而且开发了钛合金激光活性剂焊接技术等发明专利。在行业内立足飞机构件铝合金和钛合金激光焊接,体例激光焊接相干技术标准(HB)5份,将来还将慢慢完善我国航空结构激光焊接技术标准系统。

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大粤激光(DAYUE LASER)是一家专业从事精密激光焊接和高精度激光打标设备的制造商,生产销售精密激光焊接机和高精度激光打标机。

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