關(guān)于激光焊

殺一條血路出來

激光焊


) K6 T" n2 ]) A1 _/ i/ V) P+ s   我們知道許多我們?nèi)粘Ｉ�活中所接觸的工業(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(xué)技術(shù)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(diǎn)與優(yōu)點(diǎn)又有哪些呢,？  
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  激光技術(shù)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(diǎn)靠近工件，工仵就會在幾毫秒內(nèi)熔化和蒸發(fā),，這一效應(yīng)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(lǐng)域。激光焊接設(shè)備的關(guān)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(jié)構(gòu)與紅寶石相似,。Nd:YAG激光器波長為1.06μm,，主要優(yōu)點(diǎn)是產(chǎn)生的光束可以通過光纖傳送，因此可以省去復(fù)雜的光束傳送系統(tǒng),，適用于柔性制造系統(tǒng)或遠(yuǎn)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(zhì),，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(biāo)準(zhǔn)激光功率在2-5千瓦之間,。  

  激光焊接的特點(diǎn)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(zhì)量比傳統(tǒng)焊接方法高,。但是，如向保證激光焊接的質(zhì)量,，也就是激光焊接過程監(jiān)測與質(zhì)量控制是一個激光利用領(lǐng)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(jì)算機(jī)處理，針對不同焊接對象和要求,，實(shí)現(xiàn)諸如焊縫跟蹤,、缺陷檢測、焊縫質(zhì)量監(jiān)測等項(xiàng)目,，通過反饋控制調(diào)節(jié)焊接工藝參數(shù),，從而實(shí)現(xiàn)自動化激光焊接。  
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5 Q* D1 J  _: f- F& ]在激光焊接中,，光束焦點(diǎn)位置是最關(guān)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(diǎn)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(shí)際激光焊接中,，為了避免和減少影響焦點(diǎn)位置穩(wěn)定性的因素，需要專門的夾緊和設(shè)備技術(shù),，這種設(shè)備的精確程度與激光焊接的質(zhì)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(shù)相比,，激光焊接的主要優(yōu)點(diǎn)是：  
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; G- z/ r: t( O7 u6 ^/ x1、速度快,、深度大,、變形小。  
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2,、能在室溫或特殊條件下進(jìn)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(jìn)行焊接。  

( G0 t, x6 S' a  u1 ?! `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,。  
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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(dá)5：1,，最高可達(dá)10：1,。  
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5 d% F4 G5 C- B3 O: E" U5、可進(jìn)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,。  
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4 `; ~( E$ C. P1 y" k1 c% r; g6、可焊接難以接近的部位,，施行非接觸遠(yuǎn)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。  
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1 a3 K+ a- r) l( C) L' C- C7,、激光束易實(shí)現(xiàn)光束按時間與空間分光,，能進(jìn)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,。  
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但是,，激光焊接也存在著一定的局限性：  

2 I$ M& m' `6 O# `: m1 {, O0 }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?yàn)榧す饩劢购蠊獍叱哂甏缧。�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(dá)不到要求，很容易造成焊接缺憾,。  

+ @7 V' U6 p- u0 V7 H2,、激光器及其相關(guān)系統(tǒng)的成本較高，一次性投資較大,。  

二,、激光焊接熱傳導(dǎo)。  
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激光焊接是將高強(qiáng)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(shí)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(dá)到焊接的目的,。  

+ T& h7 V; K/ Y2 p9 ~: C# P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(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(diǎn)，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(dá)到沸點(diǎn)需要經(jīng)歷數(shù)毫秒,，在表層汽化前，底層達(dá)到熔點(diǎn),，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,。  

3 s6 I6 _. {0 v: A. X/ k: p2、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(qiáng)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,。  
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* B1 k/ M& y" e: J) G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 e: h: \/ b0 z6 T1 K4,、離焦量對焊接質(zhì)量的影響。  

, e) q4 s- ~+ o' k: h  i$ s+ B! B激光焊接通常需要一定的離做文章一,，因?yàn)榧す饨裹c(diǎn)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(diǎn)的各平面上,，功率密度分布相對均勻,。  
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  q& H. L7 J, Y2 N  j7 p! a0 F離焦方式有兩種：正離焦與負(fù)離焦。焦平面位于工件上方為正離焦,，反之為負(fù)離焦,。按幾何光學(xué)理論，當(dāng)正負(fù)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(shí)際上所獲得的熔池形狀不同。負(fù)離焦時,，可獲得更大的熔深,，這與熔池的形成過程有關(guān)。實(shí)驗(yàn)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(yùn)動至熔池邊緣,，在熔池中心形成凹陷。當(dāng)負(fù)離焦時,，材料內(nèi)部功率密度比表面還高,，易形成更強(qiáng)的熔化、汽化,，使光能向材料更深處傳遞,。所以在實(shí)際應(yīng)用中,，當(dāng)要求熔深較大時，采用負(fù)離焦,；焊接薄材料時,，宜用正離焦。  
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/ p& _& o7 v1 K: s四,、激光焊接工藝方法,。  

1、片與片間的焊接,。  

: w5 x/ `+ {; F' i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,。  

$ z9 u2 O5 J3 y4 A! g# e2、絲與絲的焊接,。  
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3 U+ j( M  F6 z( t. f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,。  
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3、金屬絲與塊狀元件的焊接,。  
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采用激光焊接可以成功的實(shí)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,。  

  G* }0 {( _% W" C3 W" Z, ^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,。  

" ^2 t/ K' k3 O1 F五、激光釬焊,。  

1 h1 K6 q; ~$ T% R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(diǎn),。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(shí)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(diǎn)：  

" m3 o/ M: R1 ~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,。  
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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。  

7 N6 `- j2 y6 O4 p( R3 T( G+ G4,、激光束易于實(shí)現(xiàn)分光,，可用半透鏡、反射鏡,、棱鏡,、掃描鏡等光學(xué)元件進(jìn)行時間與空間分割，能實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)同時對稱焊,。  

# `" y6 O/ G$ Y4 y  W+ C: A5,、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(jìn)行加工,，靈活性好。  
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6,、聚焦性好,，易于實(shí)現(xiàn)多工位裝置的自動化。  

六,、激光深熔焊,。  
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7 K; A. o5 Y) |# T1、冶金過程及工藝?yán)碚摗?nbsp; 

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(jī)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(dá)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(jìn)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(jìn)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。  
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  ]' F( `: ~( p9 ]8 @& v2,、影響因素,。  

7 _5 r; U) H6 a  K+ w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(hù)氣體,，透鏡焦長,，焦點(diǎn)位置，激光束位置,，焊接起始和終止點(diǎn)的激光功率漸升,、漸降控制。  

3,、激光深熔焊的特征及優(yōu)點(diǎn),。  
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0 m. x$ K& p# A" q3 _' N特征：（1）高的深寬比。因?yàn)槿廴诮饘賴�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?yàn)樵辞粶囟群芨�,，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?yàn)槌錆M高溫蒸汽的小孔有利于熔接熔池?cái)嚢韬蜌怏w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(xì)化,。（4）強(qiáng)固焊縫,。（5）精確控制。（6）非接觸,，大氣焊接過程,。  

& V8 |' j; Y: a% k( j! j) J6 {6 i優(yōu)點(diǎn)：（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?yàn)楣馐�容易傳輸和控��,，又不需要�?jīng)常更換焊炬、噴嘴,，顯著減少停機(jī)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(qiáng),，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(fèi)用,。另外,，激光焊接的動轉(zhuǎn)費(fèi)用也比較低，可以降低生產(chǎn)成本,。（5）容易實(shí)現(xiàn)自動化,，對光束強(qiáng)度與精細(xì)定位能進(jìn)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(qiáng)韌的焊接接頭,。  
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. z1 n& Y, m9 U* s1 \$ `, ^# ?6 c/ A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(qiáng)的相容性，使之能更好的適應(yīng)自動化過程。  
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為了有效實(shí)施焊接,，激光器和其他一些必要的光學(xué),、機(jī)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(yùn)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(yàn),。這個系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)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,。  
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( J$ `5 X8 c7 {( v; ]1 \/ z" u七、鋼鐵材料的激光焊接,。  
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1,、碳鋼及普通合金鋼的激光焊接。  
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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,。  
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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。  
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7 O) P9 i- g1 Y中,、高碳鋼和普通合金鋼都可以進(jìn)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,。  
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( ~3 t1 M/ Z, a8 a7 T2,、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。  
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3,、不同金屬之間的激光焊接,。  

2 w0 g: S) n* O7 S( m1 d0 f　　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(jìn)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。

紅帆船

值得一看。
國產(chǎn)的激光焊接設(shè)備質(zhì)量太差,，主要還是激光發(fā)生器質(zhì)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(dǎo)途徑有鏡面反射式和光纖式，國內(nèi)的激光設(shè)備廠家在這兩方面技術(shù)的應(yīng)用方面還有相當(dāng)大的缺陷,，造成激光的使用功率不穩(wěn)定,。
  G$ x& U( n/ C7 G& v! [0 P3 P- m老外的設(shè)備太貴了，如ANRROW,百通等,。

zjp1390

頂一下,！謝謝！

納深

總結(jié)的很好,！辛苦了,！

bizarry

光纖激光器用來焊接如何？

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頂了,，值得看,。