激光焊接是激光加工材料加工技術(shù)應(yīng)用講解

1、激光焊接是激光加工材料加工技術(shù)應(yīng)用的重要方面之一。70年代主要用于焊接薄壁材料和低速焊接，焊接過程屬于熱傳導(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(kuò)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。由于激光焊接作為一種高質(zhì)量、高精度、低變 形、高效率和高速度的焊接方法，隨著高功率C02和高功率的丫 AG激光器以及光 纖傳輸技術(shù)的完善、金屬鉬焊接聚束物鏡等的研制成功，使其在機(jī)械制造、航空航天、汽車工業(yè)、粉末冶金、生物醫(yī)學(xué)微電子行業(yè)等領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣。目前的研究主要集中于C02激光和丫 AG激光焊接各種金屬材料時(shí)的理論，包 括激光誘發(fā)的等離

2、子體的分光、吸收、散射特性以及激光焊接智能化控制、復(fù)合焊 接、激光焊接現(xiàn)象及小孔行為、焊接缺陷發(fā)生機(jī)理與防止方法等，并對鎳基耐熱合金、鋁合金及鎂合金的焊接性，焊接現(xiàn)象建模與數(shù)值模擬，鋼鐵材料、銅、鋁合金與 異種材料的連接，激光接頭性能評價(jià)等方面做了一定的研究1。激光焊接原理：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，金 屬吸收激光轉(zhuǎn)化為熱能使金屬熔化后冷卻結(jié)晶形成焊接。圖 1顯示在不同的輻射功 率密度下熔化過程的演變階段2,激光焊接的機(jī)理有兩種：1、熱傳導(dǎo)焊接當(dāng)激光照射在材料表面時(shí)，一部分激光被反射，一部分被材料吸收 將光能轉(zhuǎn)化為熱能而加熱熔化，材料表面層的熱以熱傳導(dǎo)

3、的方式繼續(xù)向材料深處傳 遞,最后將兩焊件熔接在一起。2、 激光深熔焊當(dāng)功率密度比較大的激光束照射到材料表面時(shí)，材料吸收光能轉(zhuǎn) 化為熱能，材料被加熱熔化至汽化，產(chǎn)生大量的金屬蒸汽，在蒸汽退出表面時(shí)產(chǎn)生的反 作用力下，使熔化的金屬液體向四周排擠，形成凹坑,隨著激光的繼續(xù)照射，凹坑穿人更 深，當(dāng)激光停止照射后，凹坑周邊的熔液回流，冷卻凝固后將兩焊件焊接在 一起。這兩種焊接機(jī)理根據(jù)實(shí)際的材料性質(zhì)和焊接需要來選擇，通過調(diào)節(jié)激光的各焊 接工藝參數(shù)得到不同的焊接機(jī)理。這兩種方式最基本的區(qū)別在于：前者熔池表面保持封閉，而后者熔池則被激光束穿透成孔。傳導(dǎo)焊對系統(tǒng)的擾動較小，因?yàn)榧す馐妮椛錄]有穿透被焊材料，所以

4、,在傳導(dǎo)焊過程中焊縫不易被氣體侵入；而深熔焊時(shí)，小 孔的不斷關(guān)閉能導(dǎo)致氣孔。傳導(dǎo)焊和深熔焊方式也可以在同一焊接過程中相互轉(zhuǎn)換 ， 由傳導(dǎo)方式向小孔方式的轉(zhuǎn)變?nèi)Q于施加于工件的峰值激光能量密度和激光脈沖持 續(xù)時(shí)間。激光脈沖能量密度的時(shí)間依賴性能夠使激光焊接在激光與材料相互作用期 間由一種焊接方式向另一種方式轉(zhuǎn)變，即在相互作用過程中焊縫可以先在傳導(dǎo)方式 下形成，然后再轉(zhuǎn)變?yōu)樾】追绞健Ｄ壳凹す夂笐?yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大，主要應(yīng)用于：制造業(yè)應(yīng)用、粉末冶金領(lǐng)域、汽車工業(yè)、電子工業(yè)、生物醫(yī)學(xué)、其他領(lǐng)域如對BT20鈦合金22、HEI30合金23、Li-ion電池24等激光焊接。激光焊接的特點(diǎn)是被焊接工件變形極小，幾乎

5、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(gè)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。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

6、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：1、速度快、深度大、變形小。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)?束透明的材料進(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(shí)，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

7、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。7、激光束易實(shí)現(xiàn)光束按時(shí)間與空間分光，能進(jìn)行多光束同時(shí)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(dá)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。二、激光焊接熱傳導(dǎo)。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，

8、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(shí)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。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(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、

9、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104106W/CM2。2、激光脈沖波形。激光脈沖波形在激光焊接中是一個(gè)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%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(gè)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(jià)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焦，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。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(shí)，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(shí)，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50200us 材料開始熔化，形成液相金