激光焊接工藝詳解

1、激光焊接工藝詳解隨著科學(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 接的特點與優(yōu)點又有哪些呢？下圖是激光焊接的工作原理：首先，什么是激光？世界上的第一個激光束于I960年利用閃光燈泡激發(fā)紅寶石晶粒所產(chǎn)生，因受限于晶體的熱容量，只能產(chǎn)生很短暫的脈沖光束且頻率很低。雖然瞬間脈沖峰值能量可高達(dá)106瓦，但仍屬于低能量輸出激光技術(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，假如焦點靠近工件，工件就會在幾毫秒內(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

2、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弋表釔鋁柘榴石，晶體結(jié)構(gòu) 與紅寶石相似。Nd:YAG激光器波長為1.06卩m主要優(yōu)點是產(chǎn)生的光束可以通 過 光纖傳送，因此可以省往復(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。汽車產(chǎn)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)生均勻為10.6卩m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。與其它傳統(tǒng)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

3、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)馐该鞯牟牧线M(jìn)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，功率密度咼，在咼功率器件焊接時，深寬比可達(dá)5: 1，最咼可 達(dá) 10: 1。5、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。6可焊接難以接近的部位，施行非接觸遠(yuǎn)間隔焊接，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

4、、激光束易實現(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。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明顯偏移。這是由于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(dá)不到要求，很輕易造成焊接缺陷。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(dá)

5、到沸點需要經(jīng) 歷數(shù)毫秒，在表層汽化前，底層達(dá)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104106W/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(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， 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 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

6、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(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 平面距離相等時，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(fù)離焦 時，可獲得更大的熔深，這與熔池的形成過程有關(guān)。激光焊接的應(yīng)用領(lǐng)域 激光焊接在制造行業(yè)、粉末冶金領(lǐng)域、汽車工業(yè)、電子工業(yè)以及其他領(lǐng)域都有廣 泛的應(yīng)用。激光焊接在汽車制造業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀，縮減如下:目前，德國大眾汽車公司在 AudiA6、GolfA4、Passat等品牌的車頂均采用激光 焊接，寶馬、通用公司在車架頂部也采用激光焊接， 德國奔馳公司則采用激光焊 接傳動部

7、件。除了激光焊接，其他激光技術(shù)也得到了廣泛應(yīng)用：大眾、通用、奔馳、日產(chǎn)公司 應(yīng)用了激光技術(shù)切割覆蓋件，菲亞特和豐田公司應(yīng)用激光涂覆發(fā)動機(jī)排氣閥，大 眾公司則對發(fā)動機(jī)凸輪軸進(jìn)行激光表面硬化處理。從目前國內(nèi)的情況來看，國際品牌的國產(chǎn)化車型：帕薩特、波羅、途安、奧迪、 東風(fēng)標(biāo)致、福克斯等都已經(jīng)采用激光焊接技術(shù)，其中一汽大眾奧迪A6頂蓋和寶來后蓋采用激光焊接，速騰和途安的車身激光焊縫長度分別達(dá)到30、40m此外，國內(nèi)自主汽車品牌的華晨、奇瑞、吉利汽車也相繼在其新車型上應(yīng)用激光焊 接技術(shù)。改善和發(fā)展激光焊接的新技術(shù) 隨著時代的進(jìn)步，激光焊接的技術(shù)也在不斷發(fā)展中，以下幾項技術(shù)有助擴(kuò)展激光 焊接的應(yīng)用范圍及

8、提高激光焊接自動控制水平。1填充焊絲激光焊 激光焊接一般不填充焊絲，但對焊件裝配間隙要求很高，實際生產(chǎn)中有時很難保 證，限制了其應(yīng)用范圍。采用填絲激光焊，可大大降低對裝配間隙的要求。例如 板厚2mm的鋁合金板，如不采用填充焊絲，板材間隙必須為零才能獲得良好的 成形，如采用© 1.6mm的焊絲做為填充金屬，即使間隙增至 1.0mm也可保證焊 縫良好的成形。此外，填充焊絲還可以調(diào)整化學(xué)成分或進(jìn)行厚板多層焊。2光束旋轉(zhuǎn)激光焊使激光束旋轉(zhuǎn)進(jìn)行焊接的方法，也可大大降低焊件裝配以及光束對中的要求。例如在2mm?高強(qiáng)合金鋼板對接時，允許對縫裝配間隙從0.14mm增大到0.25mm；而對4mm厚的板，則從0.23mm增大到0.30mm光束中心與焊縫中心的對準(zhǔn)允許