激光焊接在工業中的主要應用

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激光焊接是激光材料加工技術應用的重要方面之一。20世紀70年代主要用于焊接薄壁材料和低速焊接，焊接過程屬熱傳導型，即激光輻射加熱工件表面，表面熱量通過熱傳導向內部擴散，通過控制激光脈沖的寬度、能量、峰值功率和重復頻率等參數，使工件熔化，形成特定的熔池。由于其獨特的優點，已成功應用于微、小型零件的精密焊接中。

    高功率CO2及高功率YAG激光器的出現，開辟了激光焊接的新領域。獲得了以小孔效應為理論基礎的深熔焊接，在機械、汽車、鋼鐵等工業領域獲得了日益廣泛的應用。

    與其它焊接技術相比，激光焊接的主要優點是：1、速度快、深度大、變形小。2、能在室溫或特殊條件下進行焊接，焊接設備裝置簡單。例如，激光通過電磁場，光束不會偏移；激光在真空、空氣及某種氣體環境中均能施焊，并能通過玻璃或對光束透明的材料進行焊接。3、可焊接難熔材料如鈦、石英等，并能對異性材料施焊，效果良好。4、激光聚焦后，功率密度高，在高功率器件焊接時，深寬比可達5：1，最高可達10：1。5、可進行微型焊接。激光束經聚焦后可獲得很小的光斑，且能精確定位，可應用于大批量自動化生產的微、小型工件的組焊中。6、可焊接難以接近的部位，施行非接觸遠距離焊接，具有很大的靈活性。尤其是近幾年來， 在YAG激光加工技術中采用了光纖傳輸技術，使激光焊接技術獲得了更為廣泛的推廣和應用。7、激光束易實現光束按時間與空間分光，能進行多光束同時加工及多工位加工，為更精密的焊接提供了條件。

    但是，激光焊接也存在著一定的局限性：1、要求焊件裝配精度高，且要求光束在工件上的位置不能有顯著偏移。這是因為激光聚焦后光斑尺雨寸小，焊縫窄，為加填充金屬材料。若工件裝配精度或光束定位精度達不到要求，很容易造成焊接缺憾。2、激光器及其相關系統的成本較高，一次性投資較大。

    激光焊接熱傳導。

    激光焊接是將高強度的激光束輻射至金屬表面，通過激光與金屬的相互作用，使金屬熔化形成焊接。在激光與金屬的相互作用過程中，金屬熔化僅為其中一種物理現象。有時光能并非主要轉化為金屬熔化，而以其它形式表現出來，如汽化、等離子體形成等。然而，要實現良好的熔融焊接，必須使金屬熔化成為能量轉換的主要形式。為此，必須了解激光與金屬相互作用中所產生的各種物理現象以及這些物理現象與激光參數的關系，從而通過控制激光參數，使激光能量絕大部分轉化為金屬熔化的能量，達到焊接的目的。

    激光焊接的工藝參數。

    1、功率密度。

    功率密度是激光加工中最關鍵的參數之一。采用較高的功率密度，在微秒時間范圍內，表層即可加熱至沸點，產生大量汽化。因此，高功率密度對于材料去除加工，如打孔、切割、雕刻有利。對于較低功率密度，表層溫度達到沸點需要經歷數毫秒，在表層汽化前，底層達到熔點，易形成良好的熔融焊接。因此，在傳導型激光焊接中，功率密度在范圍在104~106W/CM2。

    2、激光脈沖波形。

    激光脈沖波形在激光焊接中是一個重要問題，尤其對于薄片焊接更為重要。當高強度激光束射至材料表面，金屬表面將會有60~98%的激光能量反射而損失掉，且反射率隨表面溫度變化。在一個激光脈沖作用期間內，金屬反射率的變化很大。

     3、激光脈沖寬度。

    脈寬是脈沖激光焊接的重要參數之一，它既是區別于材料去除和材料熔化的重要參數，也是決定加工設備造價及體積的關鍵參數。

    4、離焦量對焊接質量的影響。

    激光焊接通常需要一定的離做文章一，因為激光焦點處光斑中心的功率密度過高，容易蒸發成孔。離開激光焦點的各平面上，功率密度分布相對均勻。

    離焦方式有兩種：正離焦與負離焦。焦平面位于工件上方為正離焦，反之為負離焦。按幾何光學理論，當正負離做文章一相等時，所對應平面上功率密度近似相同，但實際上所獲得的熔池形狀不同。負離焦時，可獲得更大的熔深，這與熔池的形成過程有關。實驗表明，激光加熱50~200us材料開始熔化，形成液相金屬并出現問分汽化，形成市壓蒸汽，并以極高的速度噴射，發出耀眼的白光。與此同時，高濃度汽體使液相金屬運動至熔池邊緣，在熔池中心形成凹陷。當負離焦時，材料內部功率密度比表面還高，易形成更強的熔化、汽化，使光能向材料更深處傳遞。所以在實際應用中，當要求熔深較大時，采用負離焦；焊接薄材料時，宜用正離焦。

    激光焊接工藝方法

    1、片與片間的焊接。包括對焊、端焊、中心穿透熔化焊、中心穿孔熔化焊等4種工藝方法。

    2、絲與絲的焊接。包括絲與絲對焊、交叉焊、平行搭接焊、T型焊等4種工藝方法。

    3、金屬絲與塊狀元件的焊接。采用激光焊接可以成功的實現金屬絲與塊狀元件的連接，塊狀元件的尺寸可以任意。在焊接中應注意絲狀元件的幾何尺寸。

    4、不同金屬的焊接。焊接不同類型的金屬要解決可焊性與可焊參數范圍。不同材料之間的激光焊接只有某些特定的材料組合才有可能。

    激光釬焊

    有些元件的連接不宜采用激光熔焊，但可利用激光作為熱源，施行軟釬焊與硬釬焊，同樣具有激光熔焊的優點。采用釬焊的方式有多種，其中，激光軟釬焊主要用于印刷電路板的焊接，尤其實用于片狀元件組裝技術。采用激光軟釬焊與其它方式相比有以下優點：

    1、由于是局部加熱，元件不易產生熱損傷，熱影響區小，因此可在熱敏元件附近施行軟釬焊。

    2、用非接觸加熱，熔化帶寬，不需要任何輔助工具，可在雙面印刷電路板上雙面元件裝備后加工。

    3、重復操作穩定性好。焊劑對焊接工具污染小，且激光照射時間和輸出功率易于控制，激光釬焊成品率高。

    4、激光束易于實現分光，可用半透鏡、反射鏡、棱鏡、掃描鏡等光學元件進行時間與空間分割，能實現多點同時對稱焊。

    5、激光釬焊多用波長1.06um的激光作為熱源，可用光纖傳輸，因此可在常規方式不易焊接的部位進行加工，靈活性好。

    6、聚焦性好，易于實現多工位裝置的自動化。

    激光深熔焊

    1、冶金過程及工藝理論。

    激光深熔焊冶金物理過程與電子束焊極為相似，即能量轉換機制是通過“小孔”結構來完成的。在足夠高的功率密度光束照射下，材料產生蒸發形成小孔。這個充滿蒸汽的小孔猶如一個黑體，幾乎全部吸收入射光線的能量，孔腔內平衡溫度達25000度左右。熱量從這個高溫孔腔外壁傳遞出來，使包圍著這個孔腔的金屬熔化。小孔內充滿在光束照射下壁體材料連續蒸發產生的高溫蒸汽，小孔四壁包圍著熔融金屬，液態金屬四周即圍著固體材料�？妆谕庖后w流動和壁層表面張力與孔腔內連續產生的蒸汽壓力相持并保持著動態平衡。光束不斷進入小孔，小孔外材料在連續流動，隨著光束移動，小孔始終處于流動的穩定態。就是說，小孔和圍著孔壁的熔融金屬隨著前導光束前進速度向前移動，熔融金屬填充著小孔移開后留下的空隙并隨之冷凝，焊縫于是形成。

    2、影響因素。

    對激光深熔焊產生影響的因素包括：激光功率，激光束直徑，材料吸收率，焊接速度，保護氣體，透鏡焦長，焦點位置，激光束位置，焊接起始和終止點的激光功率漸升、漸降控制。

    3、激光深熔焊的特征及優點。

     特征：（1）高的深寬比。因為熔融金屬圍著圓柱形高溫蒸汽腔體形成并延伸向工件，焊縫就變得深而窄。（2）最小熱輸入。因為源腔溫度很高，熔化過程發生得極快，輸入工件熱量極低，熱變形和熱影響區很小。（3）高致密性。因為充滿高溫蒸汽的小孔有利于熔接熔池攪拌和氣體逸出，導致生成無氣孔熔透焊接。焊后高的冷卻速度又易使焊縫組織微細化。（4）強固焊縫。（5）精確控制。（6）非接觸，大氣焊接過程。

    優點：（1）由于聚焦激光束比常規方法具有高得多的功率密度，導致焊接速度快，熱影響區和變形都較小，還可以焊接鈦、石英等難焊材料。（2）因為光束容易傳輸和控制，又不需要經常更換焊炬、噴嘴，顯著減少停機輔助時間，所以有荷系數和生產效率都高。（3）由于純化作用和高的冷卻速度，焊縫強，綜合性能高。（4）由于平衡熱輸入低，加工精度高，可減少再加工費用。另外，激光焊接的動轉費用也比較低，可以降低生產成本。（5）容易實現自動化，對光束強度與精細定位能進行有效的控制。

    4、激光深熔焊設備。

    激光深熔焊通常選用連續波CO2激光器，這類激光器能維持足夠高的輸出功率，產生“小孔”效應，熔透整個工件截面，形成強韌的焊接接頭。

    就激光器本身而言，它只是一個能產生可作為熱源、方向性好的平行光束的裝置。如果把它導向和有效處理后射向工件，其輸入功率就具有強的相容性，使之能更好的適應自動化過程。

    為了有效實施焊接，激光器和其他一些必要的光學、機械以及控制部件一起共同組成一個大的焊接系統。這個系統包括激光器、光束傳輸組件、工件的裝卸和移動裝置，還有控制裝置。這個系統可以是僅由操作者簡單地手工搬運和固定工件，也可以是包括工件能自動的裝、卸、固定、焊接、檢驗。這個系統的設計和實施的總要求是可獲得滿意的焊接質量和高的生產效率。

    鋼鐵材料的激光焊接

    1、碳鋼及普通合金鋼的激光焊接。

    總的說，碳鋼激光焊接效果良好，其焊接質量取決于雜質含量。就象其它焊接工藝一樣，硫和磷是產生焊接裂紋的敏感因素。

    為了獲得滿意的焊接質量，碳含量超過0.25%時需要預熱。當不同含碳量的鋼相互焊接時，焊炬可稍偏向低碳材料一邊，以確保接頭質量。

    低碳沸騰鋼由于硫、磷的含量高，并不適合激光焊接。低碳鎮靜鋼由于低的雜質含量，焊接效果就很好。

    中、高碳鋼和普通合金鋼都可以進行良好的激光焊接，但需要預熱和焊后處理，以消除應力，避免裂紋形成。

    2、不銹鋼的激光焊接。

    一般的情況下，不銹鋼激光焊接比常規焊接更易于獲得優質接頭。由于高的焊接速度熱影響區很小，敏化不成為重要問題。與碳鋼相比，不銹鋼低的熱導系數更易于獲得深熔窄焊縫。

    3、不同金屬之間的激光焊接。

     激光焊接極高的冷卻速度和很小的熱影響區，為許多不同金屬焊接融化后有不同結構的材料相容創造了有利條件�，F已證明以下金屬可以順利進行激光深熔焊接：不銹鋼~低碳鋼，416不銹鋼~310不銹鋼，347不銹鋼~HASTALLY鎳合金，鎳電極~冷鍛鋼，不同鎳含量的雙金屬帶。

三腳貓

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