激光焊接在工業(yè)中的主要應(yīng)用

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激光焊接是激光材料加工技術(shù)應(yīng)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(dǎo)型，即激光輻射加熱工件表面,，表面熱量通過熱傳導(dǎo)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(fù)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(yīng)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(lǐng)域。獲得了以小孔效應(yīng)為理論基礎(chǔ)的深熔焊接，在機械,、汽車,、鋼鐵等工業(yè)領(lǐng)域獲得了日益廣泛的應(yīng)用。

    與其它焊接技術(shù)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(shè)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?qū)�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(yīng)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(shù)中采用了光纖傳輸技術(shù),，使激光焊接技術(shù)獲得了更為廣泛的推廣和應(yīng)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(guān)系統(tǒng)的成本較高,，一次性投資較大。

    激光焊接熱傳導(dǎo),。

    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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(guān)系，從而通過控制激光參數(shù),，使激光能量絕大部分轉(zhuǎn)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(guān)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(dǎo)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(dāng)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(shè)備造價及體積的關(guān)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(xué)理論，當(dāng)正負離做文章一相等時,，所對應(yīng)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(guān)。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(dāng)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(yīng)用中，當(dāng)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(yīng)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(shù),。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(fù)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(xué)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(zhuǎn)換機制是通過“小孔”結(jié)構(gòu)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,�,？妆谕庖后w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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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(zhuǎn)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(shè)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(yīng)，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(dǎo)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(yīng)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(xué),、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(shè)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(yù)熱。當(dāng)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(yù)熱和焊后處理,，以消除應(yīng)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(dǎo)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(jié)構(gòu)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。

三腳貓

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