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機械社區(qū)

標題: 關于激光焊 [打印本頁]

作者: 殺一條血路出來 時間: 2008-7-14 21:48
標題: 關于激光焊
激光焊

我們知道許多我們?nèi)粘Ｉ钪兴佑|的工業(yè)產(chǎn)品中,，很多是不同零部件裝配起來的,。通常的裝配方式有鉚接與焊接兩種,。其中焊接是大型裝配流水線上不可缺少的工序,。

  隨著科學技術的發(fā)展,，近年來出現(xiàn)了激光焊接,。那么什么是激光焊接呢,？激光焊接的特點與優(yōu)點又有哪些呢,？

  激光技術采用偏光鏡反射激光產(chǎn)生的光束使其集中在聚焦裝置中產(chǎn)生巨大能量的光束,，如果焦點靠近工件,，工仵就會在幾毫秒內(nèi)熔化和蒸發(fā)，這一效應可用于焊接工藝高功率CO2及高功率YAG激光器的出現(xiàn),，開辟了激光焊接的新領域,。激光焊接設備的關鍵是大功率激光器，主要有兩大類,，一類是固體激光器,，又稱Nd:YAG激光器。Nd（釹）是一種稀土族元素,，YAG代表釔鋁柘榴石,，晶體結構與紅寶石相似。Nd:YAG激光器波長為1.06μm,，主要優(yōu)點是產(chǎn)生的光束可以通過光纖傳送,，因此可以省去復雜的光束傳送系統(tǒng)，適用于柔性制造系統(tǒng)或遠程加工,，通常用于焊接精度要求比較高的工件,。汽車工業(yè)常用輸出功率為3-4千瓦的Nd:YAG激光器。另一類是氣體激光器，又稱CO2激光器,，分子氣體作工作介質,，產(chǎn)生平均為10.6μm的紅外激光，可以連續(xù)工作并輸出很高的功率,，標準激光功率在2-5千瓦之間,。

  激光焊接的特點是被焊接工件變形極小，幾乎沒有連接間隙,，焊接深度/寬度比高,，因此焊接質量比傳統(tǒng)焊接方法高。但是,，如向保證激光焊接的質量,，也就是激光焊接過程監(jiān)測與質量控制是一個激光利用領域的重要內(nèi)容，包括利用電感,、電容,、聲波、光電等各種傳感器,，通過電子計算機處理,，針對不同焊接對象和要求，實現(xiàn)諸如焊縫跟蹤,、缺陷檢測,、焊縫質量監(jiān)測等項目，通過反饋控制調節(jié)焊接工藝參數(shù),，從而實現(xiàn)自動化激光焊接,。

在激光焊接中，光束焦點位置是最關鍵的控制工藝參數(shù)之一,，在一定激光功率和焊接速度下,，只有焦點處于最佳位置范圍內(nèi)才能獲得最大熔深和好的焊縫形狀。在實際激光焊接中,，為了避免和減少影響焦點位置穩(wěn)定性的因素,，需要專門的夾緊和設備技術，這種設備的精確程度與激光焊接的質量高低是相輔相成的,。

一,、激光焊接的主要特性。

與其它傳統(tǒng)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,。

二、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。

三,、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,。

四、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。

五,、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,。

六,、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量和高的生產(chǎn)效率,。

七、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(chǎn)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(zhèn)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(guī)焊接更易于獲得優(yōu)質接頭,。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�,，F(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。

作者: 紅帆船 時間: 2008-7-16 10:51
值得一看,。
國產(chǎn)的激光焊接設備質量太差,，主要還是激光發(fā)生器質量不穩(wěn)定，造成焊接缺陷,，特別是連續(xù)焊接的時候。激光的傳導途徑有鏡面反射式和光纖式，國內(nèi)的激光設備廠家在這兩方面技術的應用方面還有相當大的缺陷,，造成激光的使用功率不穩(wěn)定,。
老外的設備太貴了，如ANRROW,百通等,。

作者: zjp1390 時間: 2008-8-26 23:39
頂一下,！謝謝！

作者: 納深 時間: 2009-2-6 08:56
總結的很好,！辛苦了,！

作者: bizarry 時間: 2009-3-10 22:40
光纖激光器用來焊接如何？

作者: wwf0702 時間: 2009-7-1 14:42
頂了,，值得看,。

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