激光焊接的工作原理及其主要工藝參數(shù)

1、激光焊接的工作原理及其主要工藝參數(shù)目前常用的焊接工藝有電弧焊、 電阻焊、 釬焊、 電子束焊等。電弧焊是目前應(yīng)用最廣泛 的焊接方法，它包括手弧焊、埋弧焊、鎢極氣體保護(hù)電弧焊、等離子弧焊、熔化極氣體保護(hù) 焊等。 但上述各種焊接方法都有各自的缺點(diǎn)， 比如空間限制， 對于精細(xì)器件不易操作等，而 激光焊接不但不具有上述缺點(diǎn)， 而且能進(jìn)行精確的能量控制， 可以實(shí)現(xiàn)精密微型器件的焊接。 并且它能應(yīng)用于很多金屬，特別是能解決一些難焊金屬及異種金屬的焊接。激光指在能量相應(yīng)與兩個(gè)能級能量差的光子作用下，誘導(dǎo)高能態(tài)的原子向低能態(tài)躍遷， 并同時(shí)發(fā)射出相同能量的光子。 激光具有方向性好、 相干性好、 單色性好、 光脈沖

2、窄等優(yōu)點(diǎn)。 激光焊接是利用大功率相干單色光子流聚焦而成的激光束為熱源進(jìn)行的焊接， 這種焊接通常 有連續(xù)功率激光焊和脈沖功率激光焊。激光焊接從上世紀(jì) 60 年代激光器誕生不久就開始了 研究，從開始的薄小零器件的焊接到目前大功率激光焊接在工業(yè)生產(chǎn)中的大量的應(yīng)用，經(jīng)歷了近半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展。由于激光焊接具有能量密度高、變形小、熱影響區(qū)窄、焊接速度高、 易實(shí)現(xiàn)自動控制、 無后續(xù)加工的優(yōu)點(diǎn)， 近年來正成為金屬材料加工與制造的重要手段，越來越廣泛地應(yīng)用在汽車、航空航天、造船等領(lǐng)域。雖然與傳統(tǒng)的焊接方法相比，激光焊接尚存 在設(shè)備昂貴、 一次性投資大、 技術(shù)要求高的問題， 但激光焊接生產(chǎn)效率高和易實(shí)現(xiàn)自動控制 的

3、特點(diǎn)使其非常適于大規(guī)模生產(chǎn)線。2. 激光焊接原理2.1 激光產(chǎn)生的基本原理和方法光與物質(zhì)的相互作用， 實(shí)質(zhì)上是組成物質(zhì)的微觀粒子吸收或輻射光子。 微觀粒子都具有 一套特定的能級， 任一時(shí)刻粒子只能處在與某一能級相對應(yīng)的狀態(tài)， 物質(zhì)與光子相互作用時(shí)， 粒子從一個(gè)能級躍遷到另一個(gè)能級， 并相應(yīng)地吸收或輻射光子。 光子的能量值為此兩能級的 能量差 E,頻率為v = E/h。愛因斯坦認(rèn)為光和原子的相互作用過程包含原子的自發(fā)輻射 躍遷、受激輻射躍遷和受激吸收躍遷三種過程。我們考慮原子的兩個(gè)能級E1和E2,處于兩個(gè)能級的原子數(shù)密度分別為N1和N2。構(gòu)成黑體物質(zhì)原子中的輻射場能量密度為p,并有E2-E1=h

4、 v 。2.1. 自發(fā)輻射處于激發(fā)態(tài)的原子如果存在可以接納粒子的較低能級,即使沒有外界作用, 粒子也有一定的概率自發(fā)地從高能級激發(fā)態(tài)（E2）向低能級基態(tài)（E1）躍遷，同時(shí)輻射出能量為（E2-E1）的光子,光子頻率 v =（ E2-E1 ） /h 。這種輻射過程稱為自發(fā)輻射。自發(fā)輻射發(fā)出的光,不 具有相位、偏振態(tài)上的一致,是非相干光。2.2. 受激輻射除自發(fā)輻射外，處于高能級E2上的粒子還可以另一方式躍遷到較低能級。當(dāng)頻率為 v=（E2-E1） /h的光子入射時(shí)，也會引發(fā)粒子以一定的概率，迅速地從能級 E2躍遷到能級E1,同時(shí)輻射一個(gè)與外來光子頻率、 相位、 偏振態(tài)以及傳播方向都相同的光子, 這

5、個(gè)過程稱為受 激輻射。2.3. 受激吸收受激輻射的反過程就是受激吸收。 處于低能級E1的一個(gè)原子，在頻率為的輻射場作用 下吸收一個(gè)能量為 hv的光子，并躍遷至高能級 E2,這種過程稱為受激吸收。 自發(fā)輻射是不 相干的,受激輻射是相干的。由受激輻射和自發(fā)輻射的相干性可知, 相干輻射的光子簡并度很大。 普通光源在紅外和 可見光波段實(shí)際上是非相干光源。如果能夠創(chuàng)造這樣一種情況： 使得腔內(nèi)某一特定模式的 p很大, 而其他所有模式的都很小,就能夠在這一特定模式內(nèi)形成很高的光子簡并度, 使相干 的受激輻射光子集中在某一特定模式內(nèi)， 而不是平均分配在所有模式中。 激光器就是采用各 種技術(shù)措施減少腔內(nèi)光場的模

6、式數(shù)、使介質(zhì)的受激輻射恒大于受激吸收來提高光子簡并度， 從而達(dá)到產(chǎn)生激光的目的。產(chǎn)生激光的基本條件： 一是能在外界激勵能源的作用下形成粒子數(shù)密度反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)的 增益介質(zhì)；二是要使受激發(fā)射光強(qiáng)超過受激吸收，必須實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn) N2/G2- N1/G10 ； 三是要使受激發(fā)射光強(qiáng)超過自發(fā)發(fā)射，必須提高光子簡并度。2.2. 激光焊接原理 激光焊接可以采用連續(xù)或脈沖激光束加以實(shí)現(xiàn)， 激光焊接的原理可分為熱傳導(dǎo)型焊接和 激光深熔焊接。功率密度小于104105 W/cm2為熱傳導(dǎo)焊接，此時(shí)熔深淺、焊接速度慢；功率密度大于105107 W/cm2時(shí)，金屬表面受熱作用下凹成“孔穴”，形成深熔焊，具有焊接速度快

7、、 深寬比大的特點(diǎn) 1 。其中熱傳導(dǎo)型激光焊接原理為： 激光輻射加熱待加工表面， 表面熱量通過熱傳導(dǎo)向內(nèi)部擴(kuò)散， 通過控制激光脈沖的寬度、 能量、 功率和頻率等參數(shù)使工 件熔化形成特定的熔池。激光深熔焊接一般采用連續(xù)激光光束完成材料的連接， 其冶金物理過程與電子束焊接極 為相似，能量轉(zhuǎn)換機(jī)制是通過小孔完成。在高功率密度激光的照射下，材料蒸發(fā)形成小孔， 這個(gè)充滿蒸氣的小孔猶如一個(gè)黑體， 幾乎吸收全部的入射光能量， 熱量從這個(gè)高溫孔腔外壁 傳遞出來， 使包圍著這個(gè)孔腔四周的金屬熔化。 在光束照射下的壁體材料連續(xù)蒸發(fā)產(chǎn)生高溫 蒸汽，孔壁外液體流動形成的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

8、動態(tài)平 衡。光束不斷進(jìn)入小孔， 小孔始終處于流動的穩(wěn)定狀態(tài)， 圍著孔壁的熔融金屬隨著前導(dǎo)光束 前進(jìn)而向前移動，熔融金屬填充小孔移開后留下的空隙并隨之冷凝，焊縫于是形成。3. 激光焊接的優(yōu)缺點(diǎn)激光焊接具有很多優(yōu)點(diǎn)。 激光焊接可以將熱量降到最低的需要量， 熱影響區(qū)金相變化范 圍小， 而且因熱傳導(dǎo)所導(dǎo)致的變形也很低；不需使用電極，沒有電極污染或受損的顧慮；激 光束易于聚焦、 對準(zhǔn)及受光學(xué)儀器所導(dǎo)引， 可放置在離工件適當(dāng)?shù)木嚯x， 且可在工件周圍的 機(jī)具或障礙間再導(dǎo)引， 其他焊接法則因受到上述的空間限制而無法發(fā)揮作用； 工件可放置在 封閉的空間內(nèi)， 激光束可聚焦在很小的區(qū)域， 可焊接小型或間隔相近的部件

9、。 另外激光焊接 可焊材質(zhì)的種類范圍很大，可以相互接合各種異質(zhì)材料，并且易于以自動化進(jìn)行高速焊接， 也可以數(shù)位或電腦控制； 用激光焊接薄材或細(xì)徑線材時(shí)， 不會像電弧焊接容易有回熔的困擾， 而且激光焊接不受磁場所影響，能精確地對準(zhǔn)焊件。激光焊接也有一些缺點(diǎn)，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。一是焊件位置需非常精確，務(wù)必 在激光束的聚焦范圍內(nèi)； 二是焊件需使用夾具時(shí)， 必須確保焊件的最終位置需與激光束將沖 擊的焊點(diǎn)對準(zhǔn)；三是最大可焊厚度受到限制，滲透厚度遠(yuǎn)超過19mm勺工件在生產(chǎn)線上不適合使用激光焊接。 四是當(dāng)進(jìn)行中能量至高能量的激光束焊接時(shí)， 需使用等離子控制器將熔池 周圍的離子化氣體驅(qū)除，以確保焊道的再

10、出現(xiàn)。最后，能量轉(zhuǎn)換效率太低，通常小于10%；焊道快速凝固， 可能有氣孔及脆化的顧慮， 并且設(shè)備昂貴。 表 1 對各種焊接工藝進(jìn)行了比較。表 1 不同焊接工藝的各種性能比較焊接工藝 精度 變形 熱影響 焊縫質(zhì)量 焊料激光焊 精密 小 很小 好 無釬焊 精糙 一般 一般 一般 需要電阻焊 精糙 大 大 一般 無氬弧焊 一般 大 大 一般 需要等離子焊 較好 一般 一般 一般 需要電子束焊 精密 小 小 好 無4. 激光焊接的工藝參數(shù)一般而言，激光焊接的工藝參數(shù)有功率密度、激光脈沖波形、激光脈沖寬度、離焦量、 焊接速度和保護(hù)氣體等，圖 1 是激光焊接的主要工藝參數(shù)圖。4.1. 功率密度：功率密度是

11、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(shí)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、雕刻十分有利。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。42激光脈沖波形：當(dāng)高強(qiáng)度激光束射至材料表面，金屬表面將會有6098%勺激光能量反射而損失掉，尤其是金、銀、銅、鋁、鈦等材料反射強(qiáng)、傳熱快。一個(gè)激光脈沖訊號過 程中， 金屬勺反射率隨時(shí)間而變化。 當(dāng)材料表面溫度升高到熔點(diǎn)時(shí)，反射率會迅速下降，當(dāng) 表面處于熔化狀態(tài)時(shí)，反射穩(wěn)定于某一值。4.3. 激光脈沖寬度： 脈寬是脈沖激光焊接勺

12、重要參數(shù)， 。脈寬由熔深與熱影響分區(qū)確定， 脈寬越長熱影響區(qū)越大，熔深隨脈寬勺 1/2 次方增加。但脈沖寬度勺增大會降低峰值功率， 因此增加脈沖寬度一般用于熱傳導(dǎo)焊接方式， 形成勺焊縫尺寸寬而淺， 尤其適合薄板和厚板勺搭接焊。 但是， 較低勺峰值功率會導(dǎo)致多余勺熱輸入， 每種材料都有一個(gè)可使熔深達(dá)到最 大勺最佳脈沖寬度 2 。4.4. 離焦量： 激光焊接通常需要一定勺離焦量， 因?yàn)榧す饨裹c(diǎn)處光斑中心勺功率密度過 高，容易蒸發(fā)成孔。離開激光焦點(diǎn)勺各平面上，功率密度分布相對均勻。離焦方式有兩種： 正離焦與負(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) 離焦平面與焊接平

13、面距離相等時(shí)， 所對應(yīng)平面上勺功率密度近似相同， 但實(shí)際上所獲得勺熔 池形狀有一定差異。負(fù)離焦時(shí)，可獲得更大勺熔深，這與熔池勺形成過程有關(guān)。4. 5. 焊接速度：焊接速度對熔深有較大勺影響，提高速度會使熔深變淺，但速度過低 又會導(dǎo)致材料過度熔化、 工件焊穿。 因此， 對一定激光功率和一定厚度勺特定材料有一個(gè)合 適勺焊接速度范圍，并在其中相應(yīng)速度值時(shí)可獲得最大熔深。3.6. 保護(hù)氣體： 激光焊接過程常使用惰性氣體來保護(hù)熔池， 對大多數(shù)應(yīng)用場合則常使用 氦、氬、 氮等氣體作保護(hù)。 保護(hù)氣體勺第二個(gè)作用是保護(hù)聚焦透鏡免受金屬蒸氣污染和液體 熔滴勺濺射，在高功率激光焊接時(shí)， 噴出物非常有力，此時(shí)保護(hù)透

14、鏡則更為必要。 保護(hù)氣體 勺第三個(gè)作用是可以有效驅(qū)散高功率激光焊接產(chǎn)生勺等離子屏蔽。 金屬蒸氣吸收激光束電離 成等等離子體，如果等離子體存在過多，激光束在某種程度上會被等離子體消耗掉。圖 1 激光焊接勺主要工藝參數(shù)5. 激光焊接勺應(yīng)用隨著大功率激光器勺出現(xiàn)， 激光焊接在機(jī)械、 造船、 汽車、航空航天等領(lǐng)域獲得日益廣 泛勺應(yīng)用。 激光焊接早已應(yīng)用在汽車制造業(yè)， 隨著車身防腐蝕和降低車重勺要求， 鋁材料已 經(jīng)廣泛應(yīng)用在發(fā)動機(jī)、 輪圈、 儀表板等零部件上。 激光焊接在航空制造業(yè)勺應(yīng)用也已經(jīng)非常 廣泛， 飛機(jī)機(jī)身由眾多零部件組成， 需要鉚釘連接，鉚釘技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到了極限， 很難再有 所突破，激光焊接成為一種理想勺替代技術(shù)，采用激光焊接技術(shù)還可以使機(jī)身勺重量減輕 15%。近年來，雙光束激光焊接正成為激光焊接領(lǐng)域勺熱門技術(shù)，研究發(fā)現(xiàn)，采用雙光束激 光焊接能降低熔池勺冷卻速率， 對含碳量較高勺鋼材能顯著提高焊縫質(zhì)量， 同時(shí)， 雙光束激 光焊接勺表面熔化蒸氣團(tuán)更為穩(wěn)定，有利于形成穩(wěn)定勺焊縫質(zhì)量，減少氣孔等缺陷。在汽車工業(yè)中， 板材拼焊能生產(chǎn)出面積更大勺鋼板， 而將不同材料和厚度勺鋼板連接 在一起，又可減輕車體重量，減少廢料， 從而節(jié)約原材料。因而拼焊成形已成為汽車制造勺 重要工藝 3 。激光拼焊具有其他拼焊技術(shù)沒有勺一些優(yōu)點(diǎn)， 比如焊接性能高、 壓制性能好、 噴涂能力好、 拼