激光焊接技术导入工程机械结构件制造的范式研究

王清鲁

摘要：在工程机械制造领域，结构件的制造一直是关键的环节之一。传统的焊接技术存在着焊缝质量不稳定、成本高、生产周期长等问题。本论文以激光焊接技术为切入点，研究和探讨了将其应用于工程机械结构件制造的范式。通过对激光焊接技术与传统焊接技术进行对比、分析，并结合现有工程机械结构件制造的实际情况，探索了激光焊接技术在结构件制造中的应用潜力、效益和可行性。

关键词：激光焊接技术；工程机械；结构件制造

引言

随着工程机械行业的快速发展和技术水平的提升，对于结构件制造的要求也越来越高。传统的焊接技术在结构件制造过程中存在着较大的局限性，如焊缝质量不稳定、成本高、生产周期长等问题。而激光焊接技术作为一种新兴的焊接技术，在高精度、高效率、高质量等方面具有明显的优势，对于解决传统焊接技术所面临的问题具有较大的潜力。

1.激光焊接原理和技术分类

激光焊接是一种利用高能量密度激光束来加热并融化焊接接头以实现焊接的方法。它采用激光束的高能量聚焦作用，使工件表面的材料迅速融化并形成焊缝，从而实现材料的连接。激光束具有高度聚焦的特性，可以将能量集中在极小的区域内，达到高能量密度。通过适当的透镜系统，可以将激光束的能量聚焦到焊接接头上，提供足够的能量来融化和熔合材料。激光束对金属材料有较高的光学吸收率。当激光束照射到金属表面时，被吸收的光能会迅速转化为热能，使金属表面迅速升温并融化。激光焊接中的焦点深度是可调节的，可以通过调整焦距和聚焦镜头的位置来控制焊缝的形成位置和深度。这使得激光焊接可以适应不同厚度和形状的工件。采用CO2激光器作为激光源，具有较高的功率和较大的束斑，适用于大规模工件的高速焊接。采用Nd:YAG激光器作为激光源，具有较小的束斑和较高的能量密度，适用于对细小、精密焊缝的要求较高的应用。采用光纤激光器作为激光源，通过光纤传输激光束，具有灵活性高、易于集成和操作的特点。采用半导体二极管激光器作为激光源，具有小巧、便携、高效的特点，适用于精密焊接和微小结构件的制造。

2.工程机械结构件制造中的激光焊接应用

2.1结构件设计与激光焊接的相容性

工程机械结构件的设计在应用激光焊接技术时需要考虑其与激光焊接的相容性。相容性是指结构件设计是否适合采用激光焊接技术进行制造，并能够充分发挥激光焊接技术的优势。结构件设计需要考虑激光焊接的材料选择。不同材料在激光焊接过程中具有不同的反应性和熔化特性。因此，结构件的材料选择应考虑其在激光焊接中的熔点、熔池形成性以及与其他材料的相容性。常见的可激光焊接的结构件材料包括钢材、铝材和不锈钢等。结构件的几何形状和尺寸对激光焊接的适用性也有重要影响。特殊形状或大尺寸结构件可能需要采用多道激光焊接或采用其他辅助支持装置来保证焊缝的稳定性和焊接质量。此外，结构件的板厚和壁厚也需要与激光焊接的工艺参数相匹配，以确保焊缝的充分熔化和完整性。结构件设计还需要考虑到激光焊接的局限性。例如，激光焊接对于特定孔洞、凹槽等形状的结构件可能存在一定的制造难度。此时，可以通过适当调整设计来简化结构或采用其他焊接方法进行补充。结构件设计应重点关注焊接接头的设计。激光焊接通常涉及到叠焊、角焊等复杂接头形式。焊接接头的设计需要考虑焊缝长度、形状、宽度和间距等参数，以确保焊接强度和焊缝质量满足要求。

2.2激光焊接工艺与参数优化

激光焊接的功率密度决定了焊接过程中的能量输入，对焊缝的深度和宽度有直接影响。功率密度较高时，焊缝的深度会增加，但同时也可能导致焊缝形状不规则或过度融化。因此，在实际应用中，需要根据结构件的材料、厚度和设计要求等因素合理调整功率密度。扫描速度是指激光束在焊接过程中在结构件上移动的速度。较高的扫描速度可以减少熔池面积和热输入，从而降低热影响区的大小和变形风险；较低的扫描速度则可提供更多的热输入来保证焊缝的充分熔化。因此，选择适当的扫描速度对于控制焊缝质量和提高生产效率非常重要。脉冲频率和脉冲宽度对于激光焊接速度、能量输入以及焊缝质量都有影响。较高的脉冲频率和较窄的脉冲宽度可以提供较高的能量密度和焊接速度，但也可能导致过热和焊缝质量不稳定。选择适当的脉冲频率和脉冲宽度应根据具体应用需求和材料特性进行优化调整。激光焦距的选择会影响焊缝形状和焊接质量。焦点距离工件表面越近，激光束的能量密度越大，焊缝宽度和深度也会增加。因此，在设计时需要根据焊接要求和材料特性调整焦点位置，以获得理想的焊接效果。激光焊接过程中，通常需要在焊缝周围进行气氛保护，以防止氧化和污染。常用的气氛包括惰性气体（如氩气）和活性气体（如氮气）。选择合适的气氛保护方式和参数可以减少焊接残留物，提高焊缝质量。

2.3激光焊接与传统焊接方法的比较

激光焊接通过聚焦激光束来实现焊接，具有较小的焊缝尺寸和高的焊接精度。激光焊接相比传统焊接方法具有高精度、无接触、高能量密度、低热输入以及自动化和高效率等优势。然而，激光焊接设备和技术的投资成本较高，适应性较差，可能难以承担。因此，在选择焊接方法时，需要根据具体应用需求和材料特性进行综合考虑，并权衡各种因素来确定最适合的焊接方法。相比之下，传统焊接方法需要加热较大范围的材料，焊缝较宽，精度较低。激光焊接是一种非接触式焊接方法，在焊接过程中不需要直接接触工件，减少了机械变形和污染的风险。而传统焊接方法通常需要使用电极或接触头与工件接触进行焊接，可能会对工件表面造成损伤。激光束具有高能量密度，可以快速传递能量到焊接区域，使焊缝迅速熔化和冷却。相比之下，传统焊接方法需要较长时间进行预热、加热和冷却过程。激光焊接由于高能量密度和快速熔化冷却的特性，减少了热影响区的大小和工件变形的风险。而传统焊接方法由于需要较长时间的加热和冷却过程，可能会造成较大的热影响区和工件变形。激光焊接可以与自动化设备集成，实现高效的生产线操作。传统焊接方法可能需要手工操作或辅助设备，生产效率相对较低。激光焊接设备和技术的投资成本较高，对于部分企业来说可能难以承担。传统焊接方法相对来说成本更低。激光焊接对于某些材料的焊接适应性不如传统焊接方法广泛，例如激光焊接对铝合金的焊接具有一定的困难。激光焊接与传统焊接方法相比具有高精度、无接触、高能量密度、低热输入以及自动化和高效率等优势，但同时也面临着设备和技术成本高、对材料适应性较差等挑战。在选择焊接方法时，需要根据具体应用需求和材料特性进行综合考虑，并权衡各种因素来确定最适合的焊接方法。

结束语

总之，本研究对于将激光焊接技术导入工程机械结构件制造的范式具有重要意义。通过研究和实践，我们相信激光焊接技术将在工程机械制造领域发挥更大的作用，促进行业的创新与进步。我们希望本研究能够为相关领域的研究者和从业人员提供有益的参考，并为未来相关研究提出新的思路和方向。

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