激光焊接在工業(yè)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(nèi)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(shù)，使工件熔化，形成特定的熔池。由于其獨特的優(yōu)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(xiàn)，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(yè)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(yōu)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(huán)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(jīng)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(chǎn)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(xiàn)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(tǒng)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(xiàn)象。有時光能并非主要轉化為金屬熔化，而以其它形式表現(xiàn)出來，如汽化、等離子體形成等。然而，要實現(xiàn)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(chǎn)生的各種物理現(xiàn)象以及這些物理現(xiàn)象與激光參數(shù)的關系，從而通過控制激光參數(shù)，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(shù)。

    1、功率密度。

    功率密度是激光加工中最關鍵的參數(shù)之一。采用較高的功率密度，在微秒時間范圍內(nèi)，表層即可加熱至沸點，產(chǎn)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(jīng)歷數(shù)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(nèi)，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(shù)之一，它既是區(qū)別于材料去除和材料熔化的重要參數(shù)，也是決定加工設備造價及體積的關鍵參數(shù)。

    4、離焦量對焊接質(zhì)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(fā)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(xiàn)問分汽化，形成市壓蒸汽，并以極高的速度噴射，發(fā)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(nèi)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(xiàn)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(shù)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(yōu)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(yōu)點：

    1、由于是局部加熱，元件不易產(chǎn)生熱損傷，熱影響區(qū)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(wěn)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(xiàn)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(xiàn)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(guī)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(xiàn)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(chǎn)生蒸發(fā)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(nèi)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(nèi)充滿在光束照射下壁體材料連續(xù)蒸發(fā)產(chǎn)生的高溫蒸汽，小孔四壁包圍著熔融金屬，液態(tài)金屬四周即圍著固體材料。孔壁外液體流動和壁層表面張力與孔腔內(nèi)連續(xù)產(chǎn)生的蒸汽壓力相持并保持著動態(tài)平衡。光束不斷進入小孔，小孔外材料在連續(xù)流動，隨著光束移動，小孔始終處于流動的穩(wěn)定態(tài)。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(chǎn)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(yōu)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(fā)生得極快，輸入工件熱量極低，熱變形和熱影響區(qū)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(yōu)點：（1）由于聚焦激光束比常規(guī)方法具有高得多的功率密度，導致焊接速度快，熱影響區(qū)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(jīng)常更換焊炬、噴嘴，顯著減少停機輔助時間，所以有荷系數(shù)和生產(chǎn)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(chǎn)成本。（5）容易實現(xiàn)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(xù)波CO2激光器，這類激光器能維持足夠高的輸出功率，產(chǎn)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(chǎn)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(tǒng)。這個系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)的設計和實施的總要求是可獲得滿意的焊接質(zhì)量和高的生產(chǎn)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(zhì)量取決于雜質(zhì)含量。就象其它焊接工藝一樣，硫和磷是產(chǎn)生焊接裂紋的敏感因素。

    為了獲得滿意的焊接質(zhì)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(zhì)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(zhèn)靜鋼由于低的雜質(zhì)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(guī)焊接更易于獲得優(yōu)質(zhì)接頭。由于高的焊接速度熱影響區(qū)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(shù)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(qū)，為許多不同金屬焊接融化后有不同結構的材料相容創(chuàng)造了有利條件。現(xiàn)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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