精密激光焊接在航空工程的应用研究

第３０卷第２期

２０１０年４月

应用激

光

Ｖ０１．３０，Ｎｏ．２Ａｐｒｉｌ２０１０

ＡＰＰＬｆＥＤＬＡＳＥＲ

精密激光焊接在航空工程的应用研究＊

张桂华”，

王菲，

陈皲忮，王琳，李丽，

蔡伟，

．

张珊

（天津激光技术研究所，天津３００１９２）

提要对激光精密焊接方法在航空工程中的应用进行了深入探讨，首先对影响焊接质量的相关因素进行了实验研究，并对焊件进行了例行试验。结果表明，焊缝的性能质量达到了产品的设计要求；而且在提升效率降低成本方面做了大量的工作，从而破解了激光焊接工程应用的效益瓶颈。有关工作得到企业的认可，激光焊接被纳入飞机制造的工艺路线之中，成为激光焊接实际应用的案例。

关键词激光焊接；工程应用；工艺参数；焊接质量；效率提升

ｄｏｉ：１０．３７８８／ＡＬ２０１０３００２．０１１１

ＴｈｅＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆＰｒｅｃｉｓｉｏｎＬａｓｅｒ

ＺｈａｎｇＧｕｉｈｕａ，

ＷｅｌｄｉｎｇｉｎＡｅｒｏｎａｕｔｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ

ＷａｎｇＦｅｉ，ＣｈｅｎＸｉａｏｘｉａｏ，ＷａｎｇＬｉｎ，ＬｉＬｉ，ＣａｉＷｅｉ，ＺｈａｎｇＳｈａｎ

（ＴｉａｎｊｉｎＬａｓｅｒＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｔｉａｎｊｉｉｎ３００１９２，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ

Ｔｈｅｐｒｅｃｉｓｉｏｎｌａｓｅｒｗｅｌｄｉｎｇｍｅｔｈｏｄｓａｎｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｉｎａｅｒｏｎａｕｔｉｃａｌｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ

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ｇｉｎｅｅｒｉｎｇａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｌａｓｅｒｗｅｌｄｉｎｇ．Ｔｈｅｒｅｌｅｖａｎｔｗｏｒｋｈａｓｂｅｅｎｒｅｃｏｇｎｉｚｅｄｂｙｔｈｅｉｎｖｏｌｖｅｄｅｎｔｅｒｐｒｉｓｅｓ．ＬａｓｅｒｗｅｌｄｉｎｇｈａｓｂｅｅｎｉｎｃｏｒｐｏｒａｔｅｄｉｎｔｏｔｈｅａｉｒｃｒａｆｔｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇＫｅｙｗｏｒｄｓ

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Ｏ

引言

激光焊接具有诸多优点，如速度快、焊缝和热

程应用的效益瓶颈。质量和效益促成企业对激光焊接的认可，将激光焊接正式纳入某飞机制造的工艺路线之中。目前，已多批次完成了该飞机一精密部件的焊接，成功配套，成为激光焊接工程应用的实际案例。

影响区窄、变形小、不同种类材料焊接、不同规格与形状焊接等，因而在制造领域具有极大的应用潜力，尤其在航天航空工程中有较强的需求。目前，国内外对激光焊接的研究多限于激光焊接机理、激光焊接方法及工艺等［１＿１０］，相关的研究结论虽然对实际生产具有指导意义，但真正将研究成果成功用于工程的实例则鲜有报道。本文正是基于这一现实，致力于工程应用的研究与开发，对激光精密焊接方法在航空工程中的实际应用进行了深入探讨。首先对影响焊接质量的相关因素进行了大量的实验研究，确保在技术上可行，满足工程的质量要求；同时，多途径提高焊接效率，降低产品成本，破解工

ｌ实验条件与方法

精密部件由连接板和３个销轴装配而成，材料皆为４５８钢。连接板的尺寸为１４．５ｍｍ×５．５ｍｍ×０．８ｒａｍ，在大面上钻有３个西ｌｒｎｍ的小孔；３个销轴西２ｍｍ，在轴端有垂ｌｍｍ×０．７ｍｍ的轴颈，与连接板的小孔配合。焊接部位：每个销轴一处圆周焊，两处点焊，精密部件结构及焊接部位示意图见

图１。

’基金项目：天津市转制院所技术开发扶持基金资助项目（项目编号：ＹＳＫ２００６—０９）．

”通信作者：张桂华（１９６４一），女，天津人，所长，正高级工程师，主要从事激光加工技术方面的研究。Ｅｍａｉｌ：ｊｇｓｚｇｈ＠ｓｏ—

ｈｕ．ｃｏｒｎ

收稿日期：２００９—１１—２０

一１１１—

万方数据

图１精密部件结构及焊接部位不意图

机加工合格的连接板与销轴浸泡在煤油中，焊前用酒精清洗，用专用工装将销轴压入连接板，再用专用量具测垂直度，此后进行激光圆周焊和点焊，焊后再测垂直度，合格品清洗焊尘，进入下道工序。

激光焊接设备采用５５０型ＹＡＧ激光加工机，平均功率２００Ｗ。实验条件：电压范围１００～２０００Ｖ；脉宽范围０．３～７．４ｍｓ；频率范围１０～１０００Ｈｚ；速度范围１５～１５００ｍｍ／ｍｉｎ；透镜焦距５０ｍｍ和１００ｍｍ，焦面焊接；气体喷嘴ｄ９６ｍｍ，同轴吹氮，气体压力０．２ＭＰａ；机床运行范围６００ｍｍ×６００ｍｍ，定位精度±０．０１ｒａｍ。

对圆周焊和点焊设置不同的工艺参数进行实验；对连接板小孔与销轴轴颈加工精度与配合精度的影响进行实验；对装夹定位方法进行实验；对不同透镜焦距进行实验；对光束偏离焊缝的影响等进行实验。

用ｏＬＹＭＰＵＳＢＸ４１Ｍ型金相显微镜进行形貌

摄影与金相组织分析；用岛津ＨＭＶ一２Ｔ型显微硬度计测量硬度。

２结果与讨论

２．１控制焊缝的性能质量是激光焊接工程应用的前提条件

影响焊缝性能质量的因素是多方面的，必须在各个环节都很好地控制。２．１．１激光焊接工艺的保证

圆周焊是精密部件焊接的主部位，对质量影响最大。根据经验，设定激光焊接的初始工艺条件，由实验结果调整与修改相关的工艺参数，使焊缝宽度与熔深逐步扩大。在电压５８０Ｖ、脉宽３ｍｓ、频率１８Ｈｚ、焦距１００ｍｍ、速度７５ｍｍ／ｍｉｎ的条件下，焊缝扩宽至中心部位连在一起，即焊缝由圆环变成一个圆板，相当于为轴颈端部再造了一个凸缘，而且这个凸缘和连接板冶金结合为一体，见图２。因点焊与圆周焊的边界条件不同，且要求更大的焊点体积，故在其他工艺条件不变的情况下将脉宽调整为一】１２—

万方数据

５ｍｓ，速度设置为０。

图２连接板与销轴激光圆周焊形成的凸缘

因为焊接为脉冲焊，光斑有部分重叠，故焊道呈“破浪状”，结束点尤其明显。为改善焊道的形貌，采用了多圈扫描和逐步降低功率的方法，即第一圈功率较高，完成主焊接；当光斑通过起始点后，功率下降一定幅度再扫描一圈，目的是焊道表面重熔，提高表面光洁度；当光斑再次通过起始点，实施功率逐步降低功能，运行一周后功率下降为零。此时，基本消除了“破浪状”和结束点的痕迹，形貌改观。焊道的对比见图３所示。

（ａ）光斑重叠的焊道形貌

（ｂ）多圈扫描的焊道形貌

图３试件焊道状况对比

２．１．２不同焦距的影响

为增加焊缝的宽度，用不同焦距的透镜进行实

验，效果十分明显，在其他工艺条件相同的情况下，和可靠性。上述的结果表明，激光焊接工程应用的５０ｍｍ的短焦透镜得到了如图４的焊缝，而ｌＯＯｍｍ质量条件已得到满足。

的长焦透镜得到如图２所示的效果。

２．２破解效益瓶颈是激光焊接工程应用的重要条件

激光焊接只有产生经济效益，才有实际意义。所以本工作从多方面着手，努力提高激光焊接的加工效率，降低产品的成本，最大限度地增加企业的效益。

２．２．１焊接夹具的设计与制造

当激光焊接工艺参数最佳匹配确定后，加工速

图４短焦透镜的焊缝

度成为定值，效率的再提升，只有减少工艺过程中的辅助时间。在本部件的焊接中，焊前的装夹定位是一项主要的辅助工作，所以设计制造了专用的焊接光束偏移对精密焊接的焊缝成形影响较大，操作上必须严格控制光束中心与焊缝中心的重合。用夹具。根据精密部件的外形，在夹具板上精密开孔，可手工快速将部件嵌入。在每块夹具板上，开２０孔，孔与孔的间隔严格控制，做到了多件装夹即能精果，凸缘整体向图的左侧偏移，而右侧剩之甚少，形密定位又稳定可靠。焊接过程是自动进行的，焊接成了不良焊接，而图２是控制中心重合的效果。

与装夹同步进行。所以每种焊况都制作两块夹具板，一块在线焊接，一块用于装夹，因两块夹具板能快速滑动交替，做到了不停机焊接，最大限度地减少了焊接的辅助时间。

２．２．２程序编制与控制设计

为充分利用激光出光时间进行焊接，本工作在程序与控制方面做了深入的开发与编制。一个焊接部位是一个子程序，其中镶嵌了电压、频率、脉宽设

图５光束偏移的影响

置，激光予燃与出光、光闸开关、气闸开关、轨迹运２．１．４部件垂直度的保证

行、功率递减等若干个小的子程序。每块夹具板上连接板与销轴装配后的垂直度是一个重要的指装了２０个待焊部件，在大程序的编制上，需调用单个焊接部位的子程序２０次，其中又加进了光闸关板小孔与销轴轴颈不同的加工精度与粗糙度进行焊闭、间隔快速运行及大程序运行结束机床快速回原接实验，确定达到要求的紧配合精度，用专门研制的点的子程序。在整个程序运行的过程中，激光不停，工装进行压合；同时焊前与焊后都用专用量具测量，用光闸动作控制焊接的进行，这样就最大限度地发保证本部件成品的垂直度达标。对加工精度、粗糙挥了设备的潜力，极大地提升了激光焊接的效率。

度较低的零件或配合松动的样件进行实验，垂直度３

结论

很难保证。

针对航空工程对激光焊接的需求及要求，进行

２．１．５焊缝的金相组织与硬度

。了有效的实验研究与开发工作。首先，从技术上保由于被焊材料含碳量较高，而且激光焊接加热证激光焊接工程应用的质量要求，深入进行了激光和冷却的速度极快，所以焊缝的金相组织有一定的焊接工艺（电压、频率、脉宽、焦距、焊速、气体等）实８基体验，确保焊缝的连接强度。又从零件的加工精度、粗的金相组织为珠光体＋铁素体，而焊缝的金相组织糙度、装配精度等方面保证部件要求的垂直度。同为混合马氏体。显微硬度的区别也十分明显，基体时严格控制光束的偏移量，保证焊缝的一致性，最终材料的ＨＶ∽约为２３０，而焊缝的ＨＶ㈣约为６００，所使焊缝的质量达标。同时多途径（夹具与定位、程序以焊缝的抗拉强度提高很多。焊件经例行的拉伸试与控制等）提高加工效率，降低产品成本，破解激光焊接工程应用的重大屏障即效益瓶颈。质量和效益

～】】３一

万方数据

２．１．３光束偏移的影响

０．２ｍｍ的偏移量进行实验，得到如图５所示的结标，直接影响部件的功能及后序。为此，首先对连接特点规律。在５００×的视场下，清晰可见４５验，断裂处在焊缝之外，证明焊缝有足够的连接强度

促使航空企业对激光焊接新工艺的认可，并将其纳入飞机制造工艺的路线之中，成为精密激光焊接工程应用的典型案例。

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精密激光焊接在航空工程的应用研究

作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次数：

张桂华， 王菲， 陈(学支)恔， 王琳， 李丽， 蔡伟， 张珊天津激光技术研究所,天津,300192应用激光

APPLIED LASER2010，""(2)0次

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相似文献(10条)

1.学位论文 皮友东 黄铜与紫铜及黄铜与低碳钢异种金属的激光焊接 2007

本论文采用高功率激光加工系统，针对两个具体的工程应用实例，对黄铜与紫铜、黄铜与低碳钢异种金属的激光焊接进行了全面系统的研究。首先，对黄铜的激光焊接性进行了深入的研究。测定了黄铜的激光深熔焊接阈值。通过改变焊接速度、离焦量和保护气氛，研究了各种不同工艺参数对焊缝成型的影响以及各工艺参数与熔深、熔宽的关系。其次，对黄铜与紫铜异种金属的激光搭接焊接工艺进行研究。最后，采用激光深熔钎焊新方法，对黄铜与低碳钢异种金属对接接头的连接进行实验研究。

黄铜与紫铜异种金属组合，采用激光搭界焊的连接方法，聚焦激光作用在接头外侧(黄铜一侧)形成深熔焊接熔池，激光能量穿透黄铜管与紫铜管相互作用形成搭接头。为满足黄铜与紫铜组合工程应用在保证焊接接头强度基础上尽可能的提高加工效率的前提下，详细分析了不同的焊接速度，不同厚度组合等工艺参数对焊缝成型，焊缝组织和接头力学性能的影响。研究结果表明：在合适的工艺参数下，可以得到外观成型均匀一致、焊缝与母材形成了良好的冶金结合的焊缝。当焊接速度为20mm/s，黄铜管壁厚1.1mm时，焊后式样经爆破实验强度测试，断裂强度达264bar。

黄铜与低碳钢异种金属组合，提出了激光深熔钎焊的连接方法。即聚焦激光作用在接头黄铜一侧形成深熔焊接熔池，熔化的黄铜浸润碳钢界面形成接头。因此，黄铜一侧为深熔焊，碳钢一侧为钎焊。采用光学显微镜、扫描电镜、X射线能谱分析对焊缝成形和接头界面进行观察，碳钢母材与焊缝的界面形成了良好的冶金结合，相互作用区的宽度约为3μm。显微硬度结果表明焊缝硬度值高于黄铜母材。经爆破实验测试，断裂发生在黄铜母材一侧，表明黄铜与钢的激光深熔钎焊接头力学性能满足工业使用要求。

2.期刊论文 罗荣.尹波.何树国.LUO Rong.YIN Bo.HE Shu-guo 系统分析与总体设计在工程实践中的应用——某型冲锋枪弹匣激光焊接工艺系统分析与设计 -四川兵工学报2006,27(6)

介绍了某型冲锋枪弹匣激光焊接工艺系统的研究内容,对系统进行了总功能分析、功能分解和功能求解,并对系统进行了总体设计和方案评价.

3.学位论文 李波 块体锆基非晶合金焊接物理冶金机理的研究 2005

非晶合金以其高的强度、耐磨性、耐蚀性、优良的软磁性和低磁损耗等特点，开始在电子、机械、化工等行业得到应用。随着非晶合金研究的深入和发展，非晶合金必将拥有更为广阔的工程应用前景。工程应用中非晶合金的连接是一个无法回避的问题，因而焊接问题显得尤为重要。本文就块体非晶合金在焊接热循环作用下发生晶化的机理、结晶抑制方法以及摩擦焊连接块体非晶合金的内因进行了研究，上述关于非晶合金焊接物理冶金的基础性研究，对于非晶合金的工程应用和学术研究具有非常重要的意义。

本文首次采用激光焊接技术连接块体非晶合金Zr45Cu48Al7。微区X 射线衍射结果显示：当功率为1200W，光斑直径为0.3mm，焊接速率为8m/min，Ar气保护时，焊接热影响区和焊缝内的合金均保持了非晶特性，成功地实现了块体非晶合金Zr45Cu48Al7 的激光焊接；DSC 实验结果显示：焊接接头和母材合金具有相同的热特性。本文以复合热源激光穿透焊接模型为基础，模拟了焊接速率为8m/min 时，焊接热影响区和焊缝的温度场变化。结果显示，焊缝和热影响区内的合金温度在0.5s之内快速冷却到369°C，远低于该非晶合金的玻璃转变温度(Tg=436°C)，整个接头保持了非晶特性。 首次采用激光静止点热源加热块体非晶合金，系统分析了接头的组织、构成演变、晶粒形貌特征和物理冶金机理。 结果显示：

（1）热影响内非晶合金的晶化是关于非晶合金热稳定性的问题；熔化区内非晶合金的晶化是关于块体非晶合金的非晶形成能力的问题。块体非晶合金加热过程中抑制晶化所需的临界加热速率远大于液态合金冷却过程中抑制晶化所需的临界冷却速率，且制备态的块体非晶合金内存在着原子团簇和晶核，因此，在同一焊接工艺规范条件下，热影响区内的非晶合金比焊缝内的合金更容易晶化。激光成功焊接块体非晶合金的关键在于抑制热影响区内合金的晶化。

（2）块体非晶合金的晶粒最大线生长速率所对应的温度值远大于非晶合金最大形核率所对应的温度值，焊接热影响区内沿半径方向不同位置处非晶合金加热速率的不同，造成由熔合区向母材方向上不同位置处的非晶合金晶化时晶粒的生长速率和形核速率的不同。当激光点光源作用块体非晶合金时间为2s 时，导致热影响区内的晶粒离母材越近，尺寸越小。随着激光作用时间的减少，焊接热影响区内的晶粒尺寸逐步趋向一致，当激光作用块体非晶

合金的时间为0.04s 时，整个热影响区内的合金保持了非晶特性。

（3）由于块体非晶合金具有很强的抑制晶粒长大能力，使得柱状晶组织在焊缝内得不到充分的长大，随着激光作用于块体非晶合金时间的减少，柱状晶尺寸也随之减小。当激光点光源作用于块体非晶合金的时间为0.08s 时，焊缝内没有发现柱状晶，在热影响区和焊缝的交界处存在着半熔化的晶粒；当作用时间为0.06s 时，熔合区也从接头中消失。

由于DSC 的最大加热速率为500K/min，而当前大部分块体非晶合金的临界加热速率均大于500K/min，因此，目前块体非晶合金的连续加热相变曲线（CHT）的求解具有一定的难度。本文首次利用热影响区和母材交界处的临界位置处的热循环曲线与该合金的CHT 相切这一关系，采用了一种切实可行的方法求解块体非晶合金的CHT，解决了块体非晶合金领域的一个难点。

块体非晶合金的均匀变形通常发生在较高温度范围（>0.70 Tg，Tg 为玻璃转变温度），并且其形变显示出极大的超塑特性。本文采用摩擦焊连接技术，连接具有大超冷塑性温度区间的块体非晶合金Zr65Cu12.5Al7.5Ni15，所用焊接工艺规范为：转速2500r/min，摩擦时间0.5s，摩擦压力100MPa，顶锻时间5s，顶锻压力150MPa。

分析结果显示：接触面的温度始终在该合金的晶化温度以下；微区X 射线衍射结果证实，整个接头保持了非晶特性；DSC 实验结果证实，母材和接头具有相同的热特性，因此，本文成功的实现了块体非晶合金Zr65Cu12.5Al7.5Ni15 的摩擦焊连接。

4.期刊论文 宋林森.李占国.史国权.SONG LinSen.LI ZhanGuo.SHI GuoQuan 激光焊接的温度场及焊缝残余应力分析 -长春理工大学学报2005,28(4)

激光焊接过程是一个快速不均匀的热传导过程,由于激光与材料相互作用的复杂性,使得激光焊接质量难以保证.本文根据激光焊接的特点与实际加工环境建立了激光焊接的热力学模型,利用有限元分析软件ANSYS对焊接结构的温度场及残余应力进行分析,可实现焊接结构的质量和使用性能的预测,便于工程应用.

5.学位论文 祁俊峰 全铝结构船长甲板的CO<,2>激光焊接技术研究 2008

本文以全铝结构高速船长甲板为主要应用背景,以中厚度船用铝合金长焊缝焊接为主要研究对象,针对目前全铝结构船舶长甲板焊接技术存在的诸多问题,在分析船舶工业中CO2激光加工系统应用特点及对CO2激光长焊缝焊接光学系统参数进行计算的基础上,利用SlabCO2激光器的飞行光学加工系统对4.0mm和6.0mm的5083铝合金及6.0mm的6061铝合金进行了激光焊接基础工艺和长焊缝焊接工艺的研究,并对两种船用铝合金的CO2激光焊接接头性能进行了综合评定,探讨了CO2激光焊接技术在全铝结构船舶制造工业中应用的可行性问题。采用高速摄像装置和光谱分析技术对铝合金CO2激光焊接光致等离子体行为进行了研究。

5083铝合金由于易挥发性元素Mg含量大,实现深熔焊的阈值功率要低于6061铝合金；内径为5.0mm的辅助气体喷嘴既具有良好的层流干伸长度,又能提供足够的辅助气体以稀释等离子体,且对于5083铝合金采用201/min氦气和21/min氩气的混合气体能够获得良好的焊缝表面,对于6061铝合金应采用

301/min氦气和21/min氩气的混合气体作为辅助气体。激光功率、焊接速度、送丝速度的合理匹配对焊缝成形至关重要。对于三种规格材料,采用激光扫描焊接和激光填丝焊接的方法,实现了船用铝合金中厚板长焊缝的CO2激光焊接,获得了成形美观且无明显外观缺陷的焊缝,得到了八套焊接工艺方案。 根据全铝结构船舶长甲板焊接光学系统的设计要求,利用高斯光束传输和聚焦的基本理论,分析计算了激光器光束质量、聚焦镜焦距以及材料焊接所要求的聚焦光斑最大值的设定对飞行光束光学参数的影响。对比了扩散冷却板条DC035CO2激光器和快速轴流RS200CO2激光器用于飞行光学加工系统的差别。理论上两种CO2激光器都可以用于实现大范围激光加工的飞行光学系统,但从实际系统的实现而言,光束质量较好的DC035CO2激光器比光束质量较差的RS200CO2激光器更加适用于船用铝合金长焊缝焊接的飞行光学系统。

船用铝合金厚度越小,实现长焊缝全熔透焊接所允许的聚焦光束束腰半径变化量ωivar和聚焦光束束腰位置变化量Sivar范围越大。在实验条件下,对于4mm厚的5083铝合金实现全熔透焊且焊缝表面成形较好,要求ωivar小于30μm,Sivar小于4.0mm;对于6mm厚的5083铝合金实现全熔透焊且焊缝表面成形较好,要求ωivar小于20μm,Sivar小于3.0mm;对于6mm厚的6061铝合金实现全熔透焊且焊缝表面成形较好,要求ωivar小于15μm,Sivar小于2.0mm。对于I型坡口,激光扫描焊和填丝焊所允许的最大间隙分别为0.5mm和0.7mm。由于铝合金长甲板激光焊接对试样的坡口准备和装夹精度要求甚高,在实际生产过程中目前的坡口加工方式和工装夹具,无法满足激光焊接的要求,因此成为全铝结构船长甲板激光焊接技术实际应用的最大障碍。 5083铝合金激光填丝焊接头和双面焊接头拉伸强度可达到母材强度的95％,而屈服强度基本与母材的屈服强度持平,拉伸断口位于熔合线附近；6061铝合金激光填丝焊接头和双面焊接头拉伸强度可达到母材强度的82％,而屈服强度低于母材,拉伸断口沿焊缝45°对角线开裂。5083铝合金激光焊接接头经150°三点弯曲试验而不开裂,6061铝合金激光焊接接头弯曲90°沿熔合线发生开裂。5083铝合金激光焊缝冲击韧性值高于母材,而6061铝合金激光焊缝冲击韧性值低于母材。 当激光功率超过材料深熔焊接阈值功率后,激光功率对光致等离子体温度的影响不大；激光聚焦光斑位于工件表面附近时,光致等离子体温度较大离焦情况下低；焊接速度对光致等离子体温度的影响表现为倒"U"形曲线规律,即在焊接速度较高和较低情况下,光致等离子体温度均为下降趋势；He气对光致等离子体有良好的冷却效果,对于一定内径的辅助气体喷嘴,等离子体温度随辅助气体流量呈现先增加后减小的趋势；在He气中加入Ar气会导致光致等离子体温度升高,且升高幅度随加入Ar气含量的增加而增加。光致等离子体温度位于6000±200K温度范围内时,焊缝表面成形质量普遍较好；工件表面的等离子体对焊缝的熔深没有贡献,对焊缝熔宽的影响也不明显。

对全铝结构船长甲板的激光焊接技术研究,具有重大的实际工程应用价值,同时也具有一定的理论研究价值。在工程应用方面,研究成果能够为论证CO2激光焊接技术在全铝结构船舶制造工业中应用的可行性问题提供必要的技术基础,对相关部门制定全铝结构船舶长甲板的工业激光解决方案,具有重大现实意义。在理论研究方面,研究涉及的铝合金大功率激光焊接技术、大功率激光深熔焊接小孔和等离子体行为的分析研究,对车辆、航空航天等行业铝合金的激光焊接技术具有重要指导意义。

6.期刊论文 王蔚.陈俐.赵兴科.黄继华.Wang Wei.Chen Li.Zhao Xingke.Huang Jihua 激光焊接工艺参数对NiTi形状记忆合金焊缝成形的影响 -中国激光2008,35(2)

采用Nd:YAG连续激光器对2 mm厚NiTi形状记忆合金(SMA)进行激光焊接.研究了激光焊接过程中激光功率、焊接速度、离焦量、侧吹保护气流量等主要工艺参数对焊缝成形的影响.结果表明,激光功率、焊接速度、离焦量等工艺参数的合理匹配是实现NiTi合金良好焊缝成形的关键因素.线能量为

59～75.6 J/mm时能获得最佳焊缝成形;离焦量在-2～3 mm时均能使厚度2 mm NiTi合金试件焊透,其中离焦量在0～1 mm可以得到最佳焊缝成形;当侧吹气流量为15～20 L/min时,气体保护效果和焊缝成形最好.通过大量工艺实验得到2 mm厚NiTi合金焊接速度与激光功率的不同匹配对焊缝成形影响的曲线,为NiTi合金焊接加工及工程应用提供参考.

7.学位论文 韩明娟 中国低活化马氏体钢的激光焊接研究 2009

聚变堆用结构材料是聚变能能否实现商业化应用的关键之一。由于低活化铁素体/马氏体钢(RAFM)具有较低的辐照肿胀和热膨胀系数、较高的热导率等优良的热物理性能和力学性能，以及相对较为成熟的技术基础，因此被普遍认为是未来聚变示范堆和聚变动力堆的首选结构材料。中国低活化马氏体钢(CLAM)是具有中国自主知识产权的、成分及性能优化的RAFM钢。CLAM钢被定为中国设计研究的ITER试验包层模块的首选结构材料。<br>　　

CLAM钢焊接技术的解决将为其工程应用奠定基础，激光焊接由于其具有高质量、高精度、高效率等优点而被广泛应用。本文采用Nd: YAG激光器对5mm和6mm的CLAM钢板采用不同的焊接工艺参数(输出功率、焊接速度，离焦量)进行激光焊接，并对部分试样进行了回火处理。利用金相显微镜和扫描电镜观察了CLAM钢焊接接头微观组织、碳化物分布；利用硬度试验、拉伸试验和冲击试验对焊接接头的力学性能进行了研究。<br>　　

通过对不同焊接参数试样的质量对比优化了焊接工艺参数。分析了不同焊接工艺参数对焊缝和热影响区组织的影响，即焊接线能量越大，焊缝及热影响区的宽度越大，组织越粗大。通过组织分析可以看到，热处理前焊缝区主要为晶粒粗大的板条马氏体组织；热影响区为马氏体组织和少量残余奥氏体。焊接接头回火处理后得到回火马氏体组织，并有碳化物析出，碳化物形状不规则，呈短棒状，碳化物颗粒主要分布在有着密集位错线和晶胞壁等微观缺陷的马氏体板条或奥氏体晶界上，晶内碳化物分布较少。对回火处理前后焊接接头硬度的分析表明，焊件在未经回火处理的情况下，焊缝的硬度略低于母材，热影响区内硬度呈现先升后降的趋势，这主要由于在细晶区形成了均匀而细小的组织，从而使硬度值升高。回火处理后焊接接头的整体强度降低，焊缝及热影响区的硬度值均高于母材，热影响区未出现软化现象。热处理后的焊接接头在室温下的抗拉强度平均达到了688MPa，试样在母材处断裂，焊缝具有良好的强度；1/2标准冲击试样最低冲击功达到了88J，灰色的纤维区占冲击断口的绝大部分，微观形貌呈明显的韧窝状，焊缝具有良好的韧性。

8.期刊论文 高明.曾晓雁.严军.胡乾午.Gao Ming.Zeng Xiaoyan.Yan Jun.Hu Qianwu 激光-电弧复合焊接的坡口间

隙桥接能力 -中国机械工程2008,19(20)

为推动激光-电弧复合焊接的工程应用,对其接头间隙桥接能力进行了系统研究.结果表明:激光-电弧复合焊接具有很强的间隙桥接能力,板厚4mm时最大可焊间隙量为1.8mm,板厚6mm时最大可焊间隙量为2.8mm;存在获得良好焊缝成形的接头间隙范围,板厚4mm时接头间隙范围为0.5～1mm,板厚6mm时接头间隙范围为0.6～1.2mm;电弧电流能够同时改变电弧压力、熔池重力、母材和填充材料熔化数量及坡口间隙两边熔化母材的熔合状况,是提高复合焊接可焊间隙量的关键因素;在相同焊速下,较高的电弧电流有利于厚板可焊间隙量的提高,薄板则需要相对较低的电弧电流来提高可焊间隙量.

9.学位论文 邹媛媛 激光焊接焊缝视觉跟踪关键技术研究 2008

激光焊接技术是现代焊接技术的重要组成部分，在国民经济发展中处于举足轻重的地位，其中的激光拼焊技术由于具有高效率、高速度、高精度、强适应性等特点，被广泛应用于航天、造船、汽车等领域。激光焊接过程中，仅仅依靠示教再现以及预装夹的方法已很难满足焊接精度要求，需要采用焊缝跟踪系统精确确定焊炬与焊缝的位置关系，并实时检测出这种变化，以保证焊接质量。目前，虽然国外已有将焊缝视觉跟踪系统应用于激光焊接的实例，但国内仍处在实验研发阶段，焊缝视觉跟踪过程中仍存在很多亟待解决的技术难题，因此，研制焊缝视觉跟踪系统，应用于机器人激光焊接，实现焊接过程中的自动跟踪补偿在学术理论性及工程应用性上具有重要研究意义。

本文以激光拼焊为背景，针对激光拼焊焊缝跟踪中存在的科学问题和实际应用需求，基于结构光视觉检测原理、实时图像处理等技术，开展了应用于机器人激光拼焊系统的焊缝视觉跟踪关键技术研究以及系统集成技术研究。

线结构光视觉传感器是焊缝跟踪系统的核心，本文首先论述了应用于焊缝跟踪的线结构光视觉传感器检测原理，建立了线结构光视觉传感器测量模型，深入分析了应用于焊缝跟踪的线结构光视觉传感器误差影响因素，并给出了一种线结构光视觉传感器优化设计方法。

焊缝跟踪光纹图像实时处理技术是激光拼焊焊缝跟踪系统的关键技术之一，针对激光拼焊过程中图像处理的特点，分析研究了基于二值数学形态学的焊缝跟踪结构光条纹中心线提取算法流程及激光拼焊焊缝特征点识别算法。实验结果表明，图像处理算法可以满足激光拼焊的焊接速度要求。

焊缝跟踪系统中，结构光视觉传感器的标定精度决定了系统的实际使用精度，标定方法的便捷性也直接影响着工业现场实际应用。本文系统论述了摄像机以及结构光视觉传感器的标定方法，针对当前大多数结构光传感器的标定方法在大视场、短焦距或广角镜头的应用中有明显优势，而在小视场情况下标定难度加大的问题，以及激光拼焊焊缝视觉跟踪过程中小视场高精度的应用要求，提出了一种新的线结构光传感器直接标定方法，并实验验证了该标定方法的有效性。新方法建立了特征点图像坐标同空间三维坐标的直接映射关系，使得空间任一点的三维坐标均可通过已知点插值获得，而不必对摄像机的内外参数和系统结构进行标定。该方法操作便捷，可靠稳定，标定精度高，可以方便地应用于实际工业生产，满足现场应用需求。 如何提高跟踪控制过程的精度及实时性是焊缝跟踪系统面临的一个重要问

题，本文通过分析焊缝跟踪系统的控制过程及特征，建立了基于图像的激光焊接焊缝跟踪系统控制模型。鉴于焊缝跟踪控制是一个高度非线性、强耦合及时变性的复杂过程，难以建立起精确的数学模型，本文设计了模糊控制器，以实现跟踪过程中的偏差跟踪控制，并结合激光拼焊焊缝跟踪系统生产实际要求，分析了系统的实时性及精度的影响因素。 焊缝跟踪误差补偿是实现高精度激光拼焊的关键。本文分析了机器人激光拼焊过程中焊接精度的影响因素，通过实验分析了多关节式机器人的轨迹精度，并结合系统工作的特点，对不同形状的焊缝分别探讨了跟踪补偿方法，进行了跟踪补偿实验，实验结果表明焊接质量良好。实验过程中，根据同轴视觉传感，提出了一种基于同轴视觉传感的焊缝跟踪补偿方法，该方法通过获取激光焊点处的引导光斑图像，可以直接修正机器人轨迹偏差，在焊接过程中结合跟踪系统获取信息，可以实现激光拼焊过程中的误差跟踪补偿，满足了系统应用的便捷性要求，仿真实验验证了该方法的有效性。

最后，本文对所做的研究工作进行了总结，并对今后的工作进行了展望。关键词：计算机视觉；激光拼焊；焊缝跟踪；结构光传感器标定；误差补偿

10.会议论文 刘金合 高能束流焊接技术的特点、应用及发展 2000

该文以高能束流焊的功率密度为出发点，分析了高能束流焊的特点，介绍了电子束焊接、激光焊接的工程应用以及它们的发展趋势。

本文链接：/Periodical_yyjg201002010.aspx授权使用：李建平(wfnchkdx)，授权号：437bf52c-62da-4c97-bf0e-9e230150c354

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