激光焊接五篇

关键词：激光;焊接;技术;应用

中图分类号： TG456.7 文献标识码： A 文章编号： 1673-1069（2017）01-164-2

0 引言

随着我国经济的快速发展，科学技术水平的不断提高，我国焊接技术也有了很大的进步，尤其是激光焊接技术以其独有的优势受到了各行各业的认可和广泛的应用，为我国制造业、电子行业、生物医学等领域都做出了极大的贡献，因此，深入的研究激光焊接技术及其应用不仅能够促进焊接行业的持续发展，而且对于发展我国工业、农业等其他行业也具有非常重要的现实意义。

1 激光焊接技术

1.1 激光焊接技术的工作机理

20世纪60年代以来，伴随CO2、YAG等激光器的诞生，研究人员们也迅速将其利用到了焊接技术中，进而开发了激光焊接技术，它的开发和应用为焊接行业带来了新的希望，并且很快被广泛应用于各个领域中。激光焊接技术的工作机理由于激光器的不同也各有差异，因而，根据激光器提供的功率密度的大小可以将激光焊接技术分为两类，一是激光传热熔化焊，二是激光深熔焊，他们的工作机理也各不相同。激光传热熔化焊所使用的激光器功率密度为105～106w/cm2，其工作机理是被焊工件表面吸收激光束热量，然后利用热传导效应在工件表面形成一定体积的熔池，使被焊部位熔化，然后进行焊接工作。激光深熔焊所使用的激光器功率密度为106～108w/cm2，其工作机理为利用激光器功率密度高的特点，使材料达到瞬间汽化进而在表面形成圆孔空腔，然后再通过控制激光束与工件间的相对运用使空腔附近的金属熔化，进而完成焊接工作。

1.2 激光焊接技术的特点

近年来，经过研究人员不断的探索和创新，激光焊接技术终于被成功开发和应用，并且，在某些领域中，传统的焊接技术已经完全被激光焊接技术所取代。激光焊接技术之所以可以被广泛的应用，一定是有其独有的优势。下面我们就介绍激光焊接技术的突出优点。第一，热影响区域非常小。由于激光焊接技术是将激光束直接打到被焊接的部位，而激光束又具有方向性强和热源集中的特点，因而激光束只作用于被焊接的部位，不会影响其他区域。正是因为这个优点，激光焊接技术可以被应用于焊接非常精密的零部件，大大降低了焊件收缩、变形情况的出现。第二，激光束聚集可以产生很高的热量，因而，利用激光焊接技术所焊接的焊缝强度都很高，保证了焊件的质量，并且焊接工作效率也很高，此外，由于激光束方向性好，不会对非焊接区域造成干扰，因而通常焊缝表面的质量都很好。第三，利用激光焊接可以对非常隐蔽、难以到达的部位进行焊接。这是因为激光焊接技术非常灵活，只需要通过控制激光束的方向就能改变焊接位置。第四，传统的焊接技术对于金属间的焊接还是能够达到的，但是对于异种合金焊接就相对困难了。然而，利用激光焊接技术甚至可以完成金属与非金属之间的焊接，可以说是焊接技术新的突破。

当然，一切事物都有两面性，激光焊接技术虽然有很多突出的优势，但是依旧存在一些不足之处，比如：第一，如果被焊工件要应用激光焊接技术进行焊接，那么就要求其在焊接前进行高标准的处理，通常要处理焊件的加工精度、装配等，因为如果被焊工件达不到高标准的要求，那么利用激光焊接技术在焊接过程中很容易造成缺陷;第二，激光焊接技术相对于普通焊接技术有很多优势，因而受到各行各业的青睐，然而，如果想要应用激光焊接技术，所要购买的激光焊接设备价格相对比较高，对于一些企业而言就需要花费高额的投资成本，这也是有些企业放弃应用激光焊接技术的原因之一。

2 激光焊接技术的应用

2.1 制造业领域

早在20世纪80年代，千瓦级激光器的诞生促使激光焊接技术被成功应用于工业生产中，而在之后的发展中，激光焊接技术被应用最多的就是汽车制造业中。尤其是当今汽车市场非常火爆，汽车制造业迅速发展，激光焊接技术为汽车制造提供了强大的技术支持。就拿发达国家美国和日本来说，两个国家在汽车制造业上都属于世界领先水平，90年代初，美国非常有名的通用、福特和克莱斯特汽车制造公司引入了激光焊技术，虽然相对而言激光焊接技术的引入有些晚，但是，这并没有阻碍激光焊接技术快速发展的脚步，美国相关研究人员对激光焊接技术做出了更大的提升，使得其在汽车制造业上发挥了更大的作用。众所周知，日本的本田、丰田都是非常出色、实力很强的汽车制造企业，它们所生产的汽车覆盖件都利用了激光焊接技术，尤其是高强钢激光焊接装配件具有非常优良的性能，如今被广泛应用于汽车制造业中，促进了汽车制造业的快速发展。

2.2 粉末冶金焊接

随着科学技术水平的不断提高，在很多制造业中，传统的材料已经无法满足产品生产的需要，因而，在很多制造业中都对材料提出了更高的要求。在众多新型材料中，粉末冶金材料成为了汽车、飞机等制造业所青睐的冶铸材料，而要想很好的利用粉末冶金材料，就必须解决它与其他零件的连接问题。传统的焊接技术显然无法满足焊接需求，而激光焊接技术的诞生有效解决了这一问题，不仅使粉末冶金材料可以与很多种合金进行焊接，而且其焊接强度也非常高。

2.3 电子工业领域

正如我们上述提到的激光焊接技术的优点之一是其焊接热影响区域小，而在电子工业中，所要焊接的通常都是比较微小的电子元件，因而，激光焊接技术就可以在电子工业领域中发挥其优势。此外，激光焊接技术在真空器件研制中也得到了应用，在过去，由于传感器、温控器中的弹性薄壁波纹片厚度非常小，大约在0.05―0.1mm之间，传统电弧焊焊接技术穿透力极强，稍微不小心就可能会穿透波纹片，并且还会影响到其他区域，稳定性较差，这给焊接工作带来了极大的困难，而应用激光焊接技术由于其稳定性强，激光束容易控制，且热影响范围很小，就可以很容易完成波纹片焊接工作。

2.4 生物医学领域

20世纪70年代，国外研究学者就将激光焊接技术应用到了焊接输卵管和血管上，并且顺利完成了焊接工作，这使得更多的研究人员看到了激光焊接技术的优越性。我国生物医学研究人员将激光焊接技术应用于大白鼠胆总管焊接上，经过实践证明激光焊接具有吻合速度快的特点，并且在愈合过程中没有异物反映，而被修复的组织依旧可以按照原生物力学性状生长，这为未来的生物医学发展又提供了宝贵的参考价值。

3 结语

总而言之，近年来，激光焊接技术被广泛应用于汽车、轮船等制造业，以及电子工业和生物医学等领域中，该焊接技术的原理主要是利用了激光束聚焦后能获得高能量的特点，进而在所需焊接的部位打激光束，焊接部位的金属受到激光束产生的热能而融化，即可进行焊接工作。激光焊接技术与传统焊接技术相比具有突出的优越性，促进了焊接行业的快速发展，同时，也正是因为激光焊接技术的优势，近年来被广泛应用于汽车制造业、粉末冶金焊接、电子产业以及生物医学领域，为各领域在焊接方面做出了突出的贡献，促进了我国工业、医学等各行各业的快速发展。激光焊接技术以其独有的优势给很多领域的工作带来了极大的方便，不仅促进了焊接技术的发展，而且带动了工业、农业等很多行业的进步。

参 考 文 献

[1] 郭伟强，欧玉峰.浅谈激光焊接技术及其应用[J].科协论坛（下半月），2011（04）：40.

[2] 李少华，康蓉娣.激光焊接技术及其应用[J].舰船防化，2011（04）：32-36.

[3] 任方杰.激光焊接技术及其研究进展[J].现代焊接，2010（11）：1-4.

[4] 史强.浅谈激光焊接技术原理及其应用[J].企业导报，2012（11）：297.

[5] 王蕾.我国激光焊接技术及其发展[J].科技资讯，2012（30）：53.

参考文献

[1]CAO X， JAHAZI M， IMMARIGEON J P， et al. A review of laser beam welding techniques for magnesium alloys [J]. Journal of Materials Processing Technology， 2006， 171（2）： 188-204.

[2]MOHAMSD D， JEAN E M. Laser welding of AZ91 and WE43 magnesium alloys for automotive and aerospace industries [J].Advanced Engineering Materials，2001， 7： 504-507.

[3]MORDIKE B L， EBERT T. Magnesium propertiesapplicationspotential [J]. Materials Science and Engineering A， 2001， 302（1）： 37-45.

[4]YANG Z， LI J P， ZHANG J X， et al. Review on research and development of magnesium alloys [J]. Acta Metallurgica Sinica， 2008， 21（5）：313-328.

[5]FRIEDRICH H， SCHUMANN S. Research for a “new age of magnesium” in the automotive industry [J]. Journal of Materials Processing Technology， 2001， 117（3）： 276-281.

[6]尹斌，王玉松. AZ61镁合金自行车的焊接[J]. 现代焊接，2008，8 ：40-41.

[7]稽文凤.MgAlZn系变形镁合金板材大应变轧制成形工艺研究[D].长沙：湖南大学材料科学与工程学院，2012.

[8]王红英，李志军. AZ61镁合金激光焊接接头的组织与性能[J]. 中国有色金属学报，2006，16（8）：1388-1393.

[9]WANG H Y， LI Z J. Investigation of laser beam welding process of AZ61 magnesiumbased alloy [J]. Science Direct， 2006， 19 （4）： 287-294.

[10]俞照辉. ZK系高强镁合金的激光焊接研究[D].长沙：湖南大学材料科学与工程学院，2010.

[11]彭建，周绸，判复生.AZ61镁合金薄板TIG焊接头的组织与性能[J]. 金属铸锻焊技术，2010，39（21）：1-3.

[12]KOU S. Welding metallurgy [M]. New York： John Wiley & Sons， Inc，2002：189-199.

[13]陈振华，夏伟军，严红革， 等.变形镁合金[M].北京：化学工业出版社，2005：101-110.

[14]ANRU W U， XIA Changqing， WANG Shaowu. Effects of cerium on the microstructure and mechanical properties of AZ31 alloy [J]. Rare Metals， 2006， 25（4）： 371-376.

[15]YANG Y K， DONG H， CAO H， et al. Liquation of Mg alloys in friction stir spot welding [J]. Welding Journal， 2008， 87（7）：167-177.

新在哪里 本题的新颖之处在于以双曲线为载体考查同角三角函数间的关系以及三角恒等变换.

难度系数 0.70

解后反思 学生要明确双曲线的性质，不要认为凡是含x2项的分式的分母对应的就是实半轴的平方.

真题再现2 （上海理科卷第21题）已知函数 f（x）=2sin ωx，其中常数ω>0.

新在哪里 本题在零点这个框架下，需要学生有很强的分析与思考能力.学生对复杂的问题要有较强的分解能力，同时对数形结合思想的运用要合理.

难度系数 0.40

解后反思 本题对第（1）问的处理主要考查两个方面的内容：①会求 f（x）=2sin ωx的单调递增区间（注：要能分辨清楚求函数的单调区间与函数的值域的操作步骤）；②要能清向；后半部分是本题最出彩的地方，解决这类问题最多的还是借助函数的图形来综合考虑.破解此问有核心的两步：①若b-a最小，则a和b都是零点；②在区间（14π+a，b]上至少有一（Ⅰ）求函数f（x）与g（x）的解析式.

（Ⅲ）求实数a与正整数n，使得F（x）= f（x）+ag（x）在（0，nπ）内恰有2 013个零点.

新在哪里 本题在三角函数的图像的变换和性质下，利用导数这个工具，融合等差数列与零点的提问一一呈现出来.

难度系数 0.30

解答过程 （Ⅰ） f（x）=cos 2x，g（x）=sin x.解答过程省略.

（Ⅲ）依题意F（x）=asin x+cos 2x.令F（x）=asin x+cos 2x=0，当sin x=0，即x=kπ（k∈Z）时，cos 2x=1，从而x=kπ（k∈Z）不是方程F（x）=0的解.所以，方程F

当x变化时，h′（x）和h（x）的变化情况如下表：

当x>0且x趋近于0时，h（x）趋向于-∞；当xπ且x趋近于π时，h（x）趋向于+∞；当x1时，直线y =a与曲线y =h（x）在（0，π）内无交点，在（π，2π）内有2个交点；当a

关键词：激光焊接 技术 发展

中图分类号：TG456 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2012）10（c）-0053-01

1 激光焊接技术概述

激光焊接技术是激光加工技术的重要内容之一，激光焊接技术国外的研究和应用历史比较长，20世纪90年代欧美国家已经把激光焊接技术应用于工业、农业等行业的加工和生产过程中。随后，我国也对激光加工技术以及激光焊接技术进行了广泛、深入的研究和使用。激光焊接技术是近些年受到广泛关注和重视的焊接技术之一，由于其他焊接技术无法比拟的优势和特点，激光焊接技术的应用价值和发展前景被普遍看好。与其他种类的焊接技术相比，焊接时对于温度的要求比较小，各种温度下都能进行操作，激光焊接设备较简单、搭配灵活，激光焊接的应用范围比较广，能够对各种材料实施焊接，并且能对不同材质的物质进行焊接，焊接效果比较好，激光焊接技术焊接速度快、深度大、变形较小。另外，激光焊接技术对于焊接设备的精度要求比较高，并对操作人员的焊接技术水平要求更高，激光焊接设备的成本较其他焊接设备高出很多。激光焊接技术的诸多要求也阻碍了激光焊接技术的应用。无论是传统的焊接工艺还是新兴的焊接工种，激光焊接技术都能够灵活、自如的进行，且焊接效果比较好，焊接的效率更高。目前已有大量的激光焊接技术生产线投入各个领域的工农业生产过程中。

2 我国的激光焊接技术

目前，我国已经形成了激光焊接技术的研究、开发、生产一条龙的体系，激光焊接技术研发中心、激光焊接设备生产单位逐渐形成，这为激光焊接技术的发展和应用水平的提高提供了充足的资源和环境，对于激光焊接技术和设备的发展和更新注入了动力。国内对激光焊接研究主要集中在激光焊接原理及特性、激光焊接控制、激光焊接质量、激光焊接的领域开发、激光焊接与其他领域合作等方面。广泛、多领域、多渠道的激光焊接技术的研究和应用已经为激光焊接技术在我国的发展注入了更大的生命力，对于我国社会主义建设提供了强大的技术支持也是激光焊接技术得以较快发展的重要原因。现阶段，我国对于高强度钢激光焊接技术研究以及应用是激光焊接技术的薄弱环节，也可以说是我国激光焊接技术的空白，在理论和实践层面都缺乏一定的技术支持，技术不成熟直接导致应用领域发展的滞后，相关的高强度钢焊接生产还在延续传统的焊接方式，在焊接质量和使用方面都不能够达到标准，多数高强度钢焊接的设备和仪器主要依赖于进口，我国应该提高在高强度钢激光焊接技术领域的研究和支持力度。

3 我国激光焊接技术的发展

3.1 复合焊接方面

总体上看，激光焊接技术有其优势和好处，相比传统的焊接技术具有很强的实用性和先进性。但是，无论是那种焊接技术包括激光焊接技术在内，都有各自的缺点和不足之处。对于激光焊接技术来讲，其本身也有许多不足之处。在激光焊接过程中，焊接原材料在受热后熔化、汽化，形成小孔，孔中充满金属蒸汽，金属蒸汽在激光束的作用下形成等离子云。等离子云可以吸收和反射激光，在等离子云的作用下，金属材料只能吸收一部分激光束，降低了激光的使用效率，激光的能量利用率降低，常常原材料形成疏松和裂纹，焊接过程不稳定等问题。单纯的依靠激光焊接技术本身很难彻底解决上述问题。因此，为减少或消除激光焊接的缺点和不足，通过研究，在保持激光焊接技术优点的基础上，把激光热源和其他热源结合使用，在保证激光焊接的优点的基础上，减少或者消除其缺点和不足，把激光与其他热源进行复合焊接。复合热源焊接方式可以有效的解决激光焊接技术的缺点和不足，形成良性、合理利用。

3.2 激光焊接技术的应用方面

现阶段，激光焊接技术在应用方面已经覆盖了工业制造、农业生产、航空航天、海洋勘探等生产领域，激光焊接技术的应用范围已经比较广泛。有关于焊接的相关领域都能够看到激光焊接技术的应用价值和贡献。随着激光焊接技术的更新和不断完善、创新，激光焊接技术的应用领域以及应用空间的广度和深度也会随之加深，激光焊接技术的不断完善和提升直接导致激光焊接技术应用领域的不断扩大。在今后的发展过程中，激光焊接技术的应用不只停留于简单的设备和机器，逐渐会向各领域的高、精、尖机械设备方面发展。这也会加大的提高激光焊接技术的技术含量和科技成分，提高激光焊接技术的应用深度和广度。

4 结语

激光焊接技术随着科学技术的不断发展也会呈现出快速、全面发展的态势，激光焊接技术由于本身的技术优势和价值其发展前景非常可观。我国通过多年的激光焊接技术的研究与开发，逐步建立了生产、研究、开发相结合的激光焊接发展体制，并在个别的技术环节和应用方面取得了一定的研究成果。相关的激光焊接技术科研成果逐步的应用于工业制造、农业生产、航空航天、海洋勘探等生产领域。

参考文献

[1] 梅汉华，肖荣诗，左铁钏.采用填充焊丝激光焊接工艺的研究[J].北京工业大学学报，1996，22（3）：38-42.

[2] 刘亚林，李长义，吴海树.异种金属激光焊接熔焊区的组织合金化[J].现代口腔医学杂志，2002，16（4）：310-312.

[3] 关振中.激光加工工艺手册[M].北京：中国计量出版社，1998.

【关键词】激光-MAG电弧复合焊；焊接工艺；对比试验研究

0.引言

随着激光焊接工艺应用范围推广，激光-MAG电弧复合焊接工艺成为一种新兴的焊接工艺备受青睐，应用日益广泛，如造船业、管道运输和车辆制造等领域。

轨道车辆的承载部件主要包括走形部转向架构架和车体钢结构的牵枕缓，主要采用中厚低合金钢板（板厚为8～16mm）通过冷加工压型（或滚压成型）的零件，相互拼焊组装而成。通常焊接工艺为自动或半自动MAG焊接。

通过激光-MAG电弧复合焊和MAG焊接工艺对比试验验证及性能试验，为激光-MAG电弧复合焊接工艺在轨道车辆承载部件应用提供试验数据和研究基础。

1.激光—MAG电弧复合焊原理及特点

1.1激光-MAG电弧复合焊接原理

激光-MAG电弧复合焊接是将激光焊接和电弧焊接有机结合起来的一种高效优质焊接新工艺。它将激光和电弧这两种热源物质的物理性能、能量传输机制截然不同的复合在一起，共同作用于被焊接件的表面，通过两种热源物质的相互作用及复合热源与工件的作用完成焊接过程。

采用激光+电弧的复合方式可以充分发挥两种热源的优势，在同等条件下，激光-MAG电弧复合焊接比单一的激光焊或电弧焊具有更强的焊接工艺适应性和更好的焊缝成型质量。

1.2激光-MAG电弧复合焊接的特点

（1）焊缝熔深增大。熔化的熔池金属可以提高对激光光源的吸收率，而激光束在熔池中产生小孔，保证在高速焊接条件下获得理想的焊缝熔深，并保证焊接过程中的稳定和获得规则焊缝成型。

（2）焊缝质量改善，焊接缺陷减少。激光束可以使焊缝加热变短，不易产生晶粒过大而且热影响区减小，改善焊缝组织性能。同时，在电弧的作用下，复合热源能减缓熔池的凝固时间，有利于气体和杂质的溢出，有效减少焊缝中气孔、裂纹、咬边等缺陷。

（3）焊接过程稳定。由于激光作用在熔池中会形成匙孔，对电弧有吸引作用，从而提高了焊接的稳定性。匙孔也会使电弧的根部压缩，从而增大电弧能量的利用率。

（4）生产效率提高，生产成本降低。激光和电弧的相互作用增大焊接速度，电弧的作用使得较小功率的激光器就能达到很好的焊接效果，与纯激光焊接工艺相比可降低焊接设备成本。

激光-MAG电弧复合焊接工艺能够形成大深宽比、高质量焊接接头，提高生产效率、降低生产成本的诸多优势，作为一种优质、高效、清洁的焊接技术，具有良好的应用价值。

2.激光—MAG电弧复合焊接工艺可行性试验

2.1试验材料及其化学成分和物理性能

试验焊件选用常用低合金钢材Q345C（板厚12mm），试验填充焊丝选用ф1.2实心焊丝（牌号 CHW-55CNH）。

2.2 试件组装间隙及钝边调整试验验证

在坡口角度选定常用的60°时的激光-MAG电弧复合焊缝成型及外观如图1所示，其中钝边尺寸分别取为4mm和2mm，组焊间隙分别选取0和1mm。

图1 焊缝成型及外观

当钝边尺寸为2mm时，无论组装间隙为0还是1mm，焊缝根部完全熔透，焊缝表面成型良好，无缺陷。但是外层焊缝需要两道才能完全熔合。

当钝边尺寸为4mm时，无论组装间隙为0还是1mm，焊缝根部完全熔透，焊缝表面成型良好，无缺陷，外层焊缝一道完全熔合。比较组装间隙，由于当离焦量为+2～+4mm时，对应作用在焊件表面的激光斑束直径一般为1.0～1.5mm，因此底层焊道的组装间隙不应大于1mm。同时，底层焊道均呈凹形，有利于后续焊道的填充。

根据上述试验结果分析，当选用坡口角度60°、钝边尺寸4mm、组装间隙0为宜，最大不能大于1mm。

3.激光—MAG电弧复合焊与MAG焊工艺对比

板厚12mm的板材对接焊缝焊接工艺对比。

对比板厚12mm的板材对接焊缝，坡口角度60°、钝边尺寸4mm、组装间隙0试件，激光-MAG电弧复合焊比MAG焊接线能量减少50%以上，焊缝填充金属的质量减少60%左右。表明激光-MAG电弧复合焊具有焊接线能量低，焊接速度快和节约焊接熔敷金属等焊接特点。

（1）对接接头力学性能对比结果表明：焊接接头及热影响区的维氏硬度方面，激光-MAG电弧复合焊接工艺高于MAG焊接工艺试件；拉伸、弯曲性能两者相当，但冲击韧性方面，激光-MAG电弧复合焊接接头优于常规MAG焊接接头。

两种焊接工艺的焊接接头区域的焊缝和热影响区的维氏硬度都低于标准规定的退货状态下最高硬度值320 HV10，符合要求。

（2）对接接头对比—冲击扫描对比：两种焊接工艺的焊接对接接头—冲击扫描对比结果如图2所示。

图2 接头冲击扫描对比结果

经过低温冲击试验后，激光-MAG电弧复合焊接接头的焊缝和热影响区的冲击断口起裂区均呈现韧窝状微观断裂特征，属于典型的韧窝断裂性质。而MAG电弧焊接接头的焊缝区的冲击断口呈准解理+少量韧窝状的混合断裂特性；其热影响区的冲击断口起裂区韧窝状，为韧性断裂特征。

（3）对接接头对比—接头宏观、微观组织对比：两种焊接工艺的焊接对接接头—宏观、微观组织对比结果如图3所示。

图3 宏观、微观组织对比结果

宏观组织对比：MAG焊接接头中，焊缝根部完全熔合，焊道之间及焊道与母材之间完全熔合，没有气孔等缺陷。激光-MAG电弧复合焊接接头中，焊缝根部完全熔合，焊道之间及焊道与母材之间完全熔合，没有气孔等缺陷，焊缝具有较大的深宽比。表面焊缝的成型主要依靠电弧焊，而底层焊缝主要借助于激光束的匙孔效应，保证了完全熔透和完好的背面成型。

两种焊接接头宏观组织对比可以发现，激光-MAG电弧复合焊接接头中，焊缝与母材之间的焊趾部位圆滑过渡，可以明显降低焊缝应力集中程度，有利于接头疲劳强度改善。

微观组织对比：两者的焊接接头特征区划分相同，焊接热影响区分为熔合区、粗晶区（过热区）、相变重结晶区（正火区）和不完全重结晶区（不完全正火区），焊缝及热影响区各微观区的组织结构没有发生变化，只是由于激光-MAG电弧复合焊的线能量较小，接头区域冷却速度较快，使得接头区域的晶粒度在一定程度上细化，焊接热影响区粗晶区宽度减小，从而改善焊接接头的力学性能。

4.结论

（1）通过焊接工艺可行性试验表明：激光-MAG电弧复合焊焊接板厚12mm的低合金钢板对接焊缝时，采用坡口角度60°、钝边尺寸4mm、组装间隙0～1mm，焊接质量高，焊缝成型好。

（2）通过激光-MAG电弧复合焊接与MAG焊接工艺对比表明，激光-MAG电弧复合焊接线能量减少50%以上，焊缝填充金属的质量减少60%左右。体现激光-MAG电弧复合焊具有焊接线能量低，焊接速度快和节省焊接材料的工艺特点。

（3）通过激光-MAG电弧复合焊接与MAG焊接焊缝的宏观组织对比表明，激光-MAG电弧复合焊接接头中，焊缝与母材之间的焊趾部位圆滑过渡，可以明显降低焊缝应力集中程度，有利于接头疲劳强度改善。

（4）通过激光-MAG电弧复合焊接与MAG焊接焊缝的微观组织对比表明，激光-MAG电弧复合焊接接头的焊缝和热影响区各微区的显微组织没有发生变化，只是由于复合焊接的线能量较小，接头各区域冷却速度较快，使得接头区域的晶粒度在一定程度上细化，焊接热影响区粗晶区宽度减小，从而改善焊接接头的力学性能。

（5）轨道车辆主要承载结构焊接量大，焊接质量要求高。通过验证结构中典型的对接接头的激光-MAG电弧复合焊接工艺，能有效提高生产效率，改善工作环境，提高焊接质量。

【参考文献】

关键词：活塞，激光焊接

中图分类号：P755.1文献标识码： A 文章编号：

引言

发动机的活塞是发动机系统的重要组成部分，而大中型发动机的活塞又具有活塞基体和活塞顶环两部分。其活塞基体与活塞顶环需要在过盈配合的基础上进行焊接。随着材料加工技术的发展，为了获得更好的金相组织，获得更美观的焊缝，人们逐渐从传统的焊接技术转向了具有高能束特点的激光加工技术。同时，作为大批量生产的对象，系统对于机电光一体化的要求也极为严格。本系统采用了激光焊接方式，配置了一套发动机活塞激光焊接装备。系统具有数控加工机床主体，一台8kW光纤激光器通过光纤将激光输出到激光焊接头YW52上。系统配备了焊接头的CCD系统，用于TCP点校正。由西门子828D-SL数控系统进行统一控制，带有四个工位，分别为人工上料工位、预热工位、焊接工位、下料自动搬运工位。

该设备主体为直角坐标激光加工数控机床，X，Y，Z轴由数控系统进行控制，采用滚珠丝杠、线性导轨驱动。激光加工机床直线轴具体指标如下：

行程： X：300mm，Y：300mm，Z：100mm；最大速度：X：24m/min，Y：24m/min，Z：24m/min。重复定位精度： X：±0.01mm，Y：±0.01mm，Z：±0.01mm。

系统功能部件特点

激光器及光学配套设施

本系统集成IPG 8000W多模掺镱光纤激光器，是目前世界上最为先进的固体激光器，激光束模式为多模，适合于金属焊接、切割、快速成形等。IPG高功率光纤激光器是采用阵列若干个光纤激光器模块的模式，这些模块输出的激光通过合束器合束，最终得到一束高功率的激光。光纤激光器模块中的泵浦源为单芯结半导体模块，它具有高功率、高效率、高亮度的特点。

本系统的激光焊接头采用的是德国Precitec公司生产的YW52激光焊接头系统，该系统由光纤准直镜连接系统、聚焦镜、保护镜、气刀等机构组成。它具有高效率、可支持大功率激光光源等特点。利用高质量的透镜，以及适当的保护气体供给，来完成高质量的焊接；利用独特的气体横吹，来延长保护窗口的使用寿命；灵活性便于不同配置的模块设计。

激光加工机床系统

本系统的机床主体采用数控系统进行控制。系统为西门子828D，机床部分共驱动了3个直线运动伺服轴，1个工件旋转伺服轴，1个凸轮分度轴。加工机床主体示意图如图2.1所示。

图2.1 加工机床主体示意图

Fig. 2.1 The layout of the main body

该设备使用了西门子828D-SL系统，此系统适于各种复杂加工任务的控制，具有优于其它系统的动态品质和控制精度。为机床的自动化提供了全方位的解决方案：全数字化的系统、革新的系统结构、更高的控制品质、更高的系统分辨率以及更短的采样时间，确保了一流的工件质量。控制能够实现任意四轴插补联动，伺服轴都能实现伺服精确定位，828D-SL可支持PROFINET 总线协议，通过增设PN-COUPLER 与S7-315-2 PN/DP 进行通讯，再由S7-315-2 PN/DP 可以任意添加DP 协议第三方设备，具有中英双语操作界面，具有中文报警显示，安全门、急停安全回路设计，激光出光安全联锁，具有远程诊断功能，具有DNC 功能。

本系统采用工件旋转的方式来完成环形焊缝的焊接，并设置了旋转焊接工位。

旋转焊接工位采用工件始终在同一水平高度、旋转工位直接进行旋转驱动、在夹具和小旋转台共同保证旋转精度的基础上适度进行数控补偿的方法。

预热及缓冷系统

本系统配备了中频预热系统。预热系统可起到降低焊前温度梯度的重要作用，从而防止出现裂纹和焊接缺陷。该系统采用了固态中频预热机。固态中频感应加热电源，采用IGBT构成并联型逆变器，主要包括整流器、滤波电路、逆变器、槽路、加热变压器及相应控制保护电路。除了预热之外，还配有缓冷系统，起去除应力的作用，也对金相组织的质量保证起着重要作用。

焊接结果及结论

系统经过实际的焊接实验后，可达到如表3.1所示焊接结果。

表3.1 焊接实验结果

Tabel 3.1 Welding experimental result

激光焊接技术可有效适应大批量活塞生产的需求。作为活塞生产线，除了焊接过程工艺的控制、夹具及加工头运动的特殊考虑、焊接质量的在线监控外，还应加入焊前预热、焊后缓冷过程，从而优化材料的金相组织，抑制飞溅，减小焊接应力。最终达到工件焊缝成形良好，无飞溅、凹陷、气孔、裂纹等缺陷，并能连续稳定生产的目的。

参 考 文 献

1.K Partes,G.Sepold.Modulation of power density distribution in time and space for high speed laser cladding[J].J.Mater.Process.Technol.,2008,195(1-3):27~33

2.杜晓明,,常雷.集成化的交互式电子技术手册技术研究[J].装备指挥技术学院学报,2006（3）：77-88.

3.王金凤.机械制造工程概论[M].北京:航空工业出版社,2005.