高功率激光焊接技术的应用与发展

焊接是最广泛使用和最重要的材料永久连接方法，并且在提高材料利用率，减少结构重量和降低成本方面具有独特的优点。激光焊接是过去十年中增长最快的焊接方法。它使用高能量密度激光束，聚焦和控制加热材料进行熔焊。激光束的方向性，单色性和相干性非常好。光强度是普通光的1010倍，脉冲功率可达1014瓦。因此，热作用集中，焊接变形小，焊接结构制造精度高，自动化程度高。结合机器人，过程数据库和专家系统管理等先进工艺模式，实现数字智能制造。它是现代设备结构制造中不可或缺的关键技术。它可以在汽车，船舶，高速列车和航空航天结构中获得。成功应用，其中汽车行业已将激光焊接确定为结构制造标准化过程，激光焊接技术被认为是世界上最先进的焊接技术。随着激光，冶金，材料，力学，测控，信息，机电等学科的发展，激光焊接应用的发展，是现代科学技术在材料加工领域应用的综合体现，尤其是高 - 千瓦级以上的激光焊接技术几乎随着激光的发展。从20世纪80年代的CO2激光器和YAG激光器开始，半导体激光器和光纤激光器得到了扩展，激光功率从1kW增加到100kW。典型焊接激光器的特性如表1所示。其中，光纤激光焊接是一种新的激光焊接工艺。研究热点。激光焊接根据热的形式而不同，并且可以适应产品对象。要解决的关键问题也不同。最广泛使用的激光焊接是薄壁结构焊接。最典型的航空结构是欧洲空客系列的铝合金机身下壁。这种焊接铆钉结构将使飞机机身的重量减轻近20％。制造成本降低了约20％。空客A318，A380和A340系列飞机的墙体结构已焊接完毕，面板数量将达到18个，焊缝总长度将达到1000米。随着航空航天结构应用要求的发展，激光焊接技术的一个应用发展是中厚度结构的激光复合热源焊接技术。目的是扩大激光焊接技术的应用范围，解决未来设备结构中中厚度结构的高精度，高效率焊接问题。需要采用脉冲激光焊接进行微纳米结构精密焊接，使用脉冲激光如微秒和纳秒来解决非金属材料如铜和铝，金属基复合材料，陶瓷和其他相关的层压材料航空结构（Glare），碳纤维增强复合材料（CFRP）的可焊性。目前，美国，欧洲等发达国家已在军工制造领域发布国家计划，以推动先进激光焊接技术的研究和应用。欧洲空客是第一家使用激光焊接结构代替传统铆接结构用于飞机铝合金壁板和pur条连接的航空航天制造公司，并将在未来应用于A350飞机壁板的焊接。激光焊接金属夹层板已广泛用于制造导弹舱，大型飞机壁板和轻质轻质结构部件。与传统的实芯结构部件相比，重量可减少50％以上，所需空间减少。 / 3。飞机的混合层流控制结构也是未来激光焊接技术应用的对象，该领域的研究已在德国进行。新的铝锂合金是一种金属结构在飞机减重结构设计中可与复合材料竞争的材料。在Turboprop90pax减重项目中，欧盟的许多研究机构一直在进行铝锂合金壁板激光焊接技术的基础研究。研究2198铝 - 锂合金激光焊接技术，欧盟框架项目，如ECO-01-060，ECO-01-065，ECO-01-069等，均涉及铝 - 锂合金激光焊接技术的相关研究。在欧洲和美国，铝锂合金激光焊接技术被列为未来20年的研究计划。在发动机结构方面，Pratt＆Whitney USA完成了涡轮叶片所需部件的自动激光焊接。美国GE还成功完成了发动机导叶组件的激光焊接，有效解决了激光焊接变形和镍基合金零件开裂的问题。国外也对金属间化合物和记忆合金等特殊材料的激光焊接进行了大量的研究工作。国内大功率激光焊接技术的研究首先集中在汽车板坯的焊接上，并在各个领域得到了广泛的应用。哈尔滨工业大学在工业，学术和研究相结合的基础上，对航天器中钛合金和不锈钢轻质部件进行了广泛的研究，并建立了相关的激光焊接平台。哈尔滨焊接研究所和上海交通大学开展了船舶结构激光焊接和激光电弧复合焊接技术的研究。北京航空工业学院以飞机结构激光焊接为核心，将激光焊接的基础研究与华中科技大学，北京工业大学，西安交通大学相结合。经过十多年的努力，激光焊接技术已应用于飞机钛合金。合金通风鳍，壁板和其他结构。同时，在自主研发的基础上，CO2激光飞行光路四轴自动控制激光切割焊接系统，YAG激光焊接机器人自动焊接系统，光纤激光多轴数控双光束激光焊接平台成立。除了双机器人双光束激光焊接平台外，它还率先形成了一系列大功率激光焊接实验和小批量生产设备系统。在基本方面，一方面，它致力于新材料激光焊接技术的基础研究，以及焊接接头性能和焊接热效率的分析，如Ti3Al等金属间化合物的激光焊接， Ti2AlNb和TiNi，钛合金进行了深入的激光焊接工艺优化，缺陷控制和检测，自动控制，并进行了大量的焊接冶金和机械性能的基础研究，不仅建立了激光焊接工艺信号检测系统等离子体特性，熔池行为和小孔隙特性的工艺机理研究，以及钛合金激光活性剂焊接技术和其他发明专利的发明。在行业中，基于飞机部件的铝合金和钛合金激光焊接，制备激光焊接相关工艺标准（HB）5，今后将逐步完善中国航空结构激光焊接工艺标准体系。