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激光焊接技术

激光打标机   2011-08-02 11:33:27

        激光焊接自上世纪60年代问世以来,激光以其相干性好、能量密度高、准直性好等优异特性,在现代工业的各个方面得到了广泛的应用。在材料加工领域,激光可用于金属材料的切割、焊接、表面相变硬化、合金化、熔覆、打孔、打标、辅助切削、直接制造、快速成形、清洗及微细加工等等。利用激光来焊接金属材料有许多优越性:方便快捷、焊缝小、焊接影响区域小,对原材料性质和形态的改变均很小;易于实现数控,可以焊接形状特殊的工件;激光能量集中、作用时间短,可以焊接薄板、金属丝等传统焊接工艺难以加工的材料以及精密、微小、排列密集、受热敏感的材料等等。激光焊接在金属材料加工中的应用越来越普遍,正逐步从特种加工转变为常规加工工艺。


    1 激光焊接的原理和技术可行性

    1.1激光焊接的原理
         激光焊接是激光材料加工技术应用的重要方面之一。它是采用高能激光束使材料熔融连接,形成优良焊接接头的工艺过程。20世纪70年代主要用于焊接薄壁材料和低速焊接,焊接过程属于热传导型,即激光辐射加热工件表面,表面热量通过热传导向内部扩散,通过控制激光脉冲的宽度、能量、峰值功率和重复频率等参数使工件熔化,形成特定的熔池。

    1.2激光焊接的技术可行性
         激光最基本的特点就是:单色性、方向性、相关性。这些独特性质加上由此而来的超高亮度、超短脉冲等性质使它已经紧紧地和现代工业结合在一起,这些特性非常适合焊接加工。激光焊接设备的关键是大功率激光器。激光器一般按产生激光的工作物质不同来分类,主要有半导体(GaAs,InP等)激光器、固体(Nd:YAG等)激光器、气体(CO2、He-Ne等)激光器、液体(可调谐染料等)激光器、化学激光器、自由电子激光器等。目前广泛应用的是其中的两大类:一类是气体激光器,气体激光器以气体或金属蒸汽作为工作介质,产生平均为10.6μm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2~5kw之问。它是目前种类最多,激励方式最多样化,激光波长分布区域最宽,容易实现大功率连续输出,应用最广泛的一类激光器。另一类是固体激光器,将产生激光的粒子掺于同体基质,其浓度比气体大,因而可以获得比较大的激光能量输出。具有能量大、峰值功率高、机构紧凑、牢固耐用等特点,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。

        激光焊接技术在制造领域的应用稳步增长,由脉冲到连续,由小功率到大功率,由薄板到厚件,由简单单缝到复杂形状,激光焊接在不断的演化过程中已经逐步成为一种成熟的现代加工工艺技术。激光焊接分为脉冲激光焊接和连续激光焊接,在连续焊接中又可分为热传导焊接和深穿透焊接。随着激光输出功率的提高,特别是高功率CO2激光器的出现,激光深穿透技术在国内外都得到了迅速发展,最大的焊接深宽比已经达到了12:1,激光焊接材料也由一般低碳钢发展到了镀锌板、铝板、钛板、铜板和陶瓷材料,激光焊接速度已达到了每分钟几十米。激光焊接技术日益成熟,并大量应用到生产线上,在汽车生产线上如齿轮焊接、汽车底板及结构件(包括车门车身)的高速拼焊中已取得巨大的经济效益和社会效益。

    2 激光焊接的工艺参数和工艺方法

    2.1激光焊接的工艺参数

    2.1.1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,在微秒时问范围内,表层即可加热至沸点,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,功率密度范围在104~106W/cm2。

    2.1.2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60%~98%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。

    2.1.3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。

     2.1.4离焦量对焊接质量的影响
 
           激光焊接通常需要一定的离焦量,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。按照几何光学理论,当正负离焦量相等时,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50~200μs材料开始熔化,形成液相金属并出现部分汽化,形成高压蒸汽,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。

    2.2激光焊接的工艺方法

    2.2.1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。

    2.2.2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。

    2.2.3金属丝与块状元件的焊接

    采用激光焊接可以成功地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。

    2.2.4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。

    3 激光焊接的特点

    激光焊接有以下主要优点:

    3.1速度快、深宽比大、变形小。激光聚焦后,功率密度高,焊接时,深宽比可达5:1,最高可达12:1。由于熔深大,可以获得良好的焊接接头,同时焊接边缘坡口角度小,小体积焊缝节省了填充材料。

    3.2激光焊接技术具有熔池净化效应,能纯净焊缝金属,适用于相同和不同金属材料问的焊接。

    3.3激光焊接能量密度高,对高熔点、高反射率、高导热率和物理特性相差很大的金属焊接特别有利。

    3.4能在室温或特殊条件下进行焊接,焊接装置简单。例如,激光在真空、空气及某种气体环境中均能施焊,并能穿过玻璃或光束透明的材料进行焊接。

    3.5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,尤其是近年来,南于采用了光纤技术,激光焊接技术的应用获得更为广泛的发展。

    3.6激光束易实现按时问与空间分光,能进行多光束同时多工位加工,为更精密、微型的焊接提供了条件。

    但是,激光焊接也存在着一定的局限性,主要体现在以下两方面:

    (1)要求焊件装备精度高,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,焊接时要在焊缝中加入填充金属材料,如若工件装备精度或光束定位精度达不到要求,很容易造成焊接缺陷。

    (2)激光器及相关系统的成本较高,一次性投资较大。目前,我同在激光焊接没备的研制方面技术还不是很成熟,生产成本很高,主要是引进美国和西欧国家的激光器以及配套设施。


 
 

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