激光焊接技术

激光焊接技术我们知道许多我们日常生活中所接触的工业产品中，很多是不同零部件装 配起来的。通常的装配方式有铆接与焊接两种。其中焊接是大型装配流水线上 不可缺少的工序。随着科学技术的发展，近年来出现了激光焊接。那么什么是激光焊接呢？ 激光焊接的特点与优点又有哪些呢？激光技术采用偏光镜反射激光产生的光束使其集中在聚焦装置中产生巨大 能量的光束，如果焦点靠近工件，工件就会在几毫秒内熔化和蒸发，这一效应 可用于焊接工艺高功率CO2及高功率YAG激光器的出现，开辟了激光焊接的新 领域。激光焊接设备的关键是大功率激光器，主要有两大类，一类是固体激光 器，又称Nd:YAG激光器。Nd （钕）是一种稀土族元素，YAG代表钇铝柘榴石， 晶体结构与红宝石相似。Nd:YAG激光器波长为1.06p m，主要优点是产生的光 束可以通过光纤传送，因此可以省去复杂的光束传送系统，适用于柔性制造系 统或远程加工，通常用于焊接精度要求比较高的工件。汽车工业常用输出功率 为3-4千瓦的Nd:YAG激光器。另一类是气体激光器，又称CO2激光器，分子气 体作工作介质，产生平均为10.6p m的红外激光，可以连续工作并输出很高的 功率，标准激光功率在2-5千瓦之间。激光焊接的特点是被焊接工件变形极小，几乎没有连接间隙，焊接深度/宽 度比高，因此焊接质量比传统焊接方法高。但是，如向保证激光焊接的质量， 也就是激光焊接过程监测与质量控制是一个激光利用领域的重要内容，包括利 用电感、电容、声波、光电等各种传感器，通过电子计算机处理，针对不同焊 接对象和要求，实现诸如焊缝跟踪、缺陷检测、焊缝质量监测等项目，通过反 馈控制调节焊接工艺参数，从而实现自动化激光焊接。在激光焊接中，光束焦点位置是最关键的控制工艺参数之一，在一定激光 功率和焊接速度下，只有焦点处于最佳位置范围内才能获得最大熔深和好的焊 缝形状。在实际激光焊接中，为了避免和减少影响焦点位置稳定性的因素，需 要专门的夹紧和设备技术，这种设备的精确程度与激光焊接的质量高低是相辅 相成的。一、激光焊接的主要特性。与其它传统焊接技术相比，激光焊接的主要优点是：1、速度快、深度大、变形小。2、能在室温或特殊条件下进行焊接，焊接设备装置简单。例如，激光通过 电磁场，光束不会偏移；激光在真空、空气及某种气体环境中均能施焊，并能 通过玻璃或对光束透明的材料进行焊接。3、可焊接难熔材料如钛、石英等，并能对异性材料施焊，效果良好。4、激光聚焦后，功率密度高，在高功率器件焊接时，深宽比可达5： 1, 最高可达10： 1 O5、可进行微型焊接。激光束经聚焦后可获得很小的光斑，且能精确定位， 可应用于大批量自动化生产的微、小型工件的组焊中。6、可焊接难以接近的部位，施行非接触远距离焊接，具有很大的灵活性。 尤其是近几年来，在YAG激光加工技术中采用了光纤传输技术，使激光焊接技 术获得了更为广泛的推广和应用。7、激光束易实现光束按时间与空间分光，能进行多光束同时加工及多工位 加工，为更精密的焊接提供了条件。但是，激光焊接也存在着一定的局限性：1、要求焊件装配精度高，且要求光束在工件上的位置不能有显著偏移。这 是因为激光聚焦后光斑尺寸小，焊缝窄，为加填充金属材料。若工件装配精度 或光束定位精度达不到要求，很容易造成焊接缺憾。2、激光器及其相关系统的成本较高，一次性投资较大。二、激光焊接热传导。激光焊接是将高强度的激光束辐射全金属表面，通过激光与金属的相互作 用，使金属熔化形成焊接。在激光与金属的相互作用过程中，金属熔化仅为其 中一种物理现象。有时光能并非主要转化为金属熔化，而以其它形式表现出来， 如汽化、等离子体形成等。然而，要实现良好的熔融焊接，必须使金属熔化成 为能量转换的主要形式。为此，必须了解激光与金属相互作用中所产生的各种 物理现象以及这些物理现象与激光参数的关系，从而通过控制激光参数，使激 光能量绝大部分转化为金属熔化的能量，达到焊接的目的。三、激光焊接的工艺参数。1、功率密度。功率密度是激光加工中最关键的参数之一。采用较高的功率密度，在微秒 时间范围内，表层即可加热至沸点，产生大量汽化。因此，高功率密度对于材 料去除加工，如打孔、切割、雕刻有利。对于较低功率密度，表层温度达到沸 点需要经历数毫秒，在表层汽化前，底层达到熔点，易形成良好的熔融焊接。 因此，在传导型激光焊接中，功率密度的范围在104106W/CM2。2、激光脉冲波形。激光脉冲波形在激光焊接中是一个重要问题，尤其对于薄片焊接更为重要。 当高强度激光束射至材料表面，金属表面将会有6098%的激光能量反射而损失 掉，且反射率随表面温度变化。在一个激光脉冲作用期间内，金属反射率的变 化很大。3、激光脉冲宽度。脉宽是脉冲激光焊接的重要参数之一，它既是区别于材料去除和材料熔化 的重要参数，也是决定加工设备造价及体积的关键参数。4、离焦量对焊接质量的影响。激光焊接通常需要一定的离做文章一，因为激光焦点处光斑中心的功率密 度过高，容易蒸发成孔。离开激光焦点的各平面上，功率密度分布相对均匀。离焦方式有两种：正离焦与负离焦。焦平面位于工件上方为正离焦，反之 为负离焦。按几何光学理论，当正负离做文章一相等时，所对应平面上功率密 度近似相同，但实际上所获得的熔池形状不同。负离焦时，可获得更大的熔深， 这与熔池的形成过程有关。实验表明，激光加热50200us材料开始熔化，形成 液相金属并出现问分汽化，形成市压蒸汽，并以极高的速度喷射，发出耀眼的 白光。与此同时，高浓度汽体使液相金属运动至熔池边缘，在熔池中心形成凹 陷。当负离焦时，材料内部功率密度比表面还高，易形成更强的熔化、汽化， 使光能向材料更深处传递。所以在实际应用中，当要求熔深较大时，采用负离 焦；焊接薄材料时，宜用正离焦。四、激光焊接工艺方法。1、片与片间的焊接。包括对焊、端焊、中心穿透熔化焊、中心穿孔熔化焊等4种工艺方法。2、丝与丝的焊接。包括丝与丝对焊、交叉焊、平行搭接焊、T型焊等4种工艺方法。3、金属丝与块状元件的焊接。采用激光焊接可以成功的实现金属丝与块状元件的连接，块状元件的尺寸 可以任意。在焊接中应注意丝状元件的几何尺寸。4、不同金属的焊接。焊接不同类型的金属要解决可焊性与可焊参数范围。不同材料之间的激光 焊接只有某些特定的材料组合才有可能。五、激光钎焊。有些元件的连接不宜采用激光熔焊，但可利用激光作为热源，施行软钎焊 与硬钎焊，同样具有激光熔焊的优点。采用钎焊的方式有多种，其中，激光软 钎焊主要用于印刷电路板的焊接，尤其实用于片状元件组装技术。采用激光软 钎焊与其它方式相比有以下优点：1、由于是局部加热，元件不易产生热损伤，热影响区小，因此可在热敏元 件附近施行软钎焊。2、用非接触加热，熔化带宽，不需要任何辅助工具，可在双面印刷电路板 上双面元件装备后加工。3、重复操作稳定性好。焊剂对焊接工具污染小，且激光照射时间和输出功 率易于控制，激光钎焊成品率高。4、激光束易于实现分光，可用半透镜、反射镜、棱镜、扫描镜等光学元件 进行时间与空间分割，能实现多点同时对称焊。5、激光钎焊多用波长1.06um的激光作为热源，可用光纤传输，因此可在 常规方式不易焊接的部位进行加工，灵活性好。6、聚焦性好，易于实现多工位装置的自动化。六、激光深熔焊。1、冶金过程及工艺理论。激光深熔焊冶金物理过程与电子束焊极为相似，即能量转换机制是通过 “小孔”结构来完成的。在足够高的功率密度光束照射下，材料产生蒸发形成 小孔。这个充满蒸汽的小孔犹如一个黑体，几乎全部吸收入射光线的能量，孔 腔内平衡温度达25000度左右。热量从这个高温孔腔外壁传递出来，使包围着 这个孔腔的金属熔化。小孔内充满在光束照射下壁体材料连续蒸发产生的高温 蒸汽，小孔四壁包围着熔融金属，液态金属四周即围着固体材料。孔壁外液体 流动和壁层表面张力与孔腔内连续产生的蒸汽压力相持并保持着动态平衡。光 束不断进入小孔，小孔外材料在连续流动，随着光束移动，小孔始终处于流动 的稳定态。就是说，小孔和围着孔壁的熔融金属随着前导光束前进速度向前移 动，熔融金属填充着小孔移开后留下的空隙并随之冷凝，焊缝于是形成。2、影响因素。对激光深熔焊产生影响的因素包括：激光功率，激光束直径，材料吸收率， 焊接速度，保护气体，透镜焦长，焦点位置，激光束位置，焊接起始和终止点 的激光功率渐升、渐降控制。3、激光深熔焊的特征及优点。特征：（1）高的深宽比。因为熔融金属围着圆柱形高温蒸汽腔体形成并延 伸向工件，焊缝就变得深而窄。（2）最小热输入。因为源腔温度很高，熔化过 程发生得极快，输入工件热量极低，热变形和热影响区很小。（3）高致密性。 因为充满高温蒸汽的小孔有利于熔接熔池搅拌和气体逸出，导致生成无气孔熔 透焊接。焊后高的冷却速度又易使焊缝组织微细化。（4）强固焊缝。（5）精 确控制。（6）非接触，大气焊接过程。优点：（1）由于聚焦激光束比常规方法具有高得多的功率密度，导致焊接 速度快，热影响区和变形都较小，还可以焊接钛、石英等难焊材料。（2）因为 光束容易传输和控制，又不需要经常更换焊炬、喷嘴，显著减少停机辅助时间， 所以有荷系数和生产效率都高。（3）由于纯化作用和高的冷却速度，焊缝强， 综合性能高。（4）由于平衡热输入低，加工精度高，可减少再加工费用。另外， 激光焊接的动转费用也比较低，可以降低生产成本。（5）容易实现自动化，对 光束强度与精细定位能进行有效的控制。4、激光深熔焊设备。激光深熔焊通常选用连续波CO2激光器，这类激光器能维持足够高的输出 功率，产生“小孔”效应，熔透整个工件截面，形成强韧的焊接接头。就激光器本身而言，它只是一个能产生可作为热源、方向性好的平行光束 的装置。如果把它导向和有效处理后射向工件，其输入功率就具有强的相容性， 使之能更好的适应自动化过程。为了有效实施焊接，激光器和其他一些必要的光学、机械以及控制部件一 起共同组成一个大的焊接系统。这个系统包括激光器、光束传输组件、工件的 装卸和移动装置，还有控制装置。这个系统可以是仅由操作者简单地手工搬运 和固定工件，也可以是包括工件能自动的装、卸、固定、焊接、检验。这个系 统的设计和实施的总要求是可获得满意的焊接质量和高的生产效率。七、钢铁材料的激光焊接。1、碳钢及普通合金钢的激光焊接。总的说，碳钢激光焊接效果良好，其焊接质量取决于杂质含量。就象其它 焊接工艺一样，硫和磷是产生焊接裂纹的敏感因素。为了获得满意的焊接质量，碳含量超过0.25%时需要预热。当不同含碳量 的钢相互焊接时，焊炬可稍偏向低碳材料一边，以确保接头质量。低碳沸腾钢由于硫、磷的含量高，并不适合激光焊接。低碳镇静钢由于低 的杂质含量，焊接效果就很好。中、高碳钢和普通合金钢都可以进行良好的激光焊接，但需要预热和焊后 处理，以消除应力，避免裂纹形成。2、不锈钢的激光焊接。一般的情况下，不锈钢激光焊接比常规焊接更易于获得优质接头。由于高 的焊接速度热影响区很小，敏化不成为重要问题。与碳钢相比，不锈钢低的热 导系数更易于获得深熔窄焊缝。3、不同金属之间的激光焊接。激光焊接极高的冷却速度和很小的热影响区，为许多不同金属焊接融化后 有不同结构的材料相容创造了有利条件。现已证明以下金属可以顺利进行激光 深熔焊接：不锈钢低碳钢，416不锈钢310不锈钢，347不锈钢HASTALLY竦 合金，竦电极冷锻钢，不同竦含量的双金属带。