激光焊接技術(shù)

1、激激. .光光. .焊焊. .接接. .技技. .術(shù)術(shù) l 鄒斌 2015-01-11l 1.概述2.激光焊接原理3.激光焊接技術(shù)參數(shù)的作用與實(shí)驗(yàn)選擇4.激光焊接實(shí)用舉例5.激光焊接技術(shù)的發(fā)展前景1 1概述概述l 激光焊接是一種無接觸加工方式，對焊接零件沒有外力作用。激光能量高度集中，對金屬快速加熱后快速冷卻，對許多零件來講，熱影響可以忽略不計(jì)，可認(rèn)為不產(chǎn)生熱變形或者說熱變形極小。能夠焊接高熔點(diǎn)、難熔、難焊的金屬，如鈦合金、鋁合金等。激光焊接過程對環(huán)境沒有污染，在空氣中可以直接焊接，與需在真空室中焊接的電子束焊接方法比較，激光焊接技術(shù)簡便。l 激光焊接在電子工業(yè)、國防工業(yè)、儀表工業(yè)、電池工業(yè)、

2、醫(yī)療儀器以及許多行業(yè)中均得到了廣泛的應(yīng)用。圖圖1激光焊接的零件激光焊接的零件 2激光焊接原理激光焊接原理l 激光焊接常用的激光光源是氣體CO2激光器和固體YAG激光器，依激光器輸出功率的大小和工作狀態(tài)，激光器工作的方式有連續(xù)輸出方式和脈沖輸出方式。被聚焦的激光光束照射到焊件表面的功率密度，一般在104107W/cm2。其焊接的機(jī)制也因功率密度的大小，區(qū)分為激光熱傳導(dǎo)焊接和激光深熔焊接。l2.12.1激光熱傳導(dǎo)焊接激光熱傳導(dǎo)焊接l 焊件結(jié)合部位被激光照射，金屬表面吸收光能而使溫度升高，熱量依照固體材料的熱傳導(dǎo)理論向金屬內(nèi)部傳播擴(kuò)散。激光參數(shù)不同時(shí)，擴(kuò)散時(shí)間、深度也有區(qū)別，這與激光脈沖寬度、脈沖能

3、量、重復(fù)頻率等參數(shù)有關(guān)。l 被焊工件結(jié)合部位的兩部份金屬，因升溫達(dá)到熔點(diǎn)而熔化成液體，很快凝固后，兩部份金屬熔接焊在一起。l 熱傳導(dǎo)型激光焊接，需控制激光功率和功率密度，金屬吸收光能后，不產(chǎn)生非線性效應(yīng)和小孔效應(yīng)。激光直接穿透深度只在微米量級，金屬內(nèi)部升溫靠熱傳導(dǎo)方式進(jìn)行。激光功率密度一般在104105W/cm2，使被焊接金屬表面既能熔化又不會汽化，而使焊件熔接在一起。圖圖2 2YAGYAG激光頭照片激光頭照片l2.22.2激光深熔焊接激光深熔焊接l 與激光熱傳導(dǎo)焊接相比，激光深熔焊接需要更高的激光功率密度，一般需用連續(xù)輸出的CO2激光器，激光功率在2003000W的范圍。激光深熔焊接的機(jī)制與

4、電子束焊接的機(jī)制相近，功率密度在106107W/cm2的激光光束連續(xù)照射金屬焊縫表面，由于激光功率熱密度足夠高，使金屬材料熔化、蒸發(fā)，并在激光光束照射點(diǎn)處形成一個(gè)小孔。這個(gè)小孔繼續(xù)吸收激光光束的光能，使小孔周圍形成一個(gè)熔融金屬的熔池，熱能由熔池向周圍傳播，激光功率越大，熔池越深，當(dāng)激光光束相對于焊件移動(dòng)時(shí)，小孔的中心也隨之移動(dòng)，并處于相對穩(wěn)定狀態(tài)。小孔的移動(dòng)就形成了焊縫，這種焊接的原理不同于脈沖激光的熱傳導(dǎo)焊接。 圖圖3 3激光深熔焊接小孔效應(yīng)示意激光深熔焊接小孔效應(yīng)示意 l 激光深熔焊接依靠小孔效應(yīng)，使激光光束的光能傳向材料深部，激光功率足夠大時(shí)，小孔深度加大，隨著激光光束相對于焊件的移動(dòng)，

5、金屬液體凝固形成焊縫，焊縫窄而深，其深寬比可達(dá)到12：1。激光深熔焊接需要足夠高的激光功率，但幾百瓦的CO2激光器，當(dāng)激光模式好時(shí)，也能產(chǎn)生小孔效應(yīng)，這是因?yàn)榛９馐劢购竽軌颢@得高功率密度。圖圖4 4COCO2 2深熔焊接機(jī)示意深熔焊接機(jī)示意 l 激光深熔焊接的焊接速度與激光功率成正比，熔深與速度成反比，欲使熔接速度增加、熔深加大，就必須選用大功率激光器。為獲得高速度、高品質(zhì)的焊接效果，常用15003500W之間的連續(xù)CO2激光器進(jìn)行焊接。 圖圖5 5大功率大功率COCO2 2激光器內(nèi)部結(jié)構(gòu)及外形激光器內(nèi)部結(jié)構(gòu)及外形3 3激光焊接技術(shù)參數(shù)的作用與實(shí)驗(yàn)激光焊接技術(shù)參數(shù)的作用與實(shí)驗(yàn) 選擇選擇l3

6、.13.1激光焊接技術(shù)的主要參數(shù)激光焊接技術(shù)的主要參數(shù)l 對脈沖激光器來講就是平均激光功率的大小，保證了足夠的激光功率，在熱傳導(dǎo)焊接中，激光器工作于脈沖狀態(tài)，因而脈沖能量、脈沖寬度和激光重復(fù)頻率就是很重要的參數(shù)。當(dāng)然，激光外光路的設(shè)計(jì)、聚焦系統(tǒng)、焊接時(shí)離焦量大小的影響也是必須注意的，焊接的速度或者說光斑的重疊率，激光脈沖的重復(fù)頻率，也要有適當(dāng)?shù)呐浜?。為了防止焊接過程中工件材料的氧化，需要選用適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)氣體，而且保護(hù)氣體的流量大小、吹氣方式，或者說是吹氣噴嘴形狀的設(shè)計(jì)都是很有關(guān)系的。圖圖6 6激光焊接頭的實(shí)物照片激光焊接頭的實(shí)物照片 l3.23.2激光焊接主要參數(shù)的選擇激光焊接主要參數(shù)的選擇l一

7、、激光功率一、激光功率l 激光功率的大小是激光焊接技術(shù)的首選參數(shù)，只有保證了足夠的激光功率，才能得到好的焊接效果。l 激光功率較小時(shí)，雖然也能產(chǎn)生小孔效應(yīng)，但有時(shí)焊接效果不好，焊縫內(nèi)有氣孔，激光功率加大時(shí)，焊縫內(nèi)氣孔消失，因此激光深熔焊接時(shí)，不要采用勉強(qiáng)能夠產(chǎn)生小孔效應(yīng)的最小功率。適當(dāng)加大激光功率，可以提高焊接速度和熔深，只有在功率過大時(shí)，才會引起材料過分吸收，使小孔內(nèi)氣體噴濺，或焊縫產(chǎn)生疤痕，甚至使工件焊穿。圖圖7 7不同焊接參數(shù)與熔深的關(guān)系不同焊接參數(shù)與熔深的關(guān)系l 為使焊縫平整光滑，實(shí)際焊接時(shí)，激光功率在開始和結(jié)束時(shí)都設(shè)計(jì)有漸變過程，啟動(dòng)時(shí)激光功率由小變大到預(yù)定值，結(jié)束焊接時(shí)激光功率由大

8、變小，焊縫才沒有凹坑或斑痕。l二、激光脈沖寬度二、激光脈沖寬度l 激光熱傳導(dǎo)焊接中，激光脈沖寬度與焊縫深度有直接關(guān)系，也就是說脈沖寬度決定了材料熔化的深度和焊縫的寬度。據(jù)文獻(xiàn)記載，熔深的大小隨脈寬的1/2次方增加l 。如果單純增加脈沖寬度，只會使焊縫變寬、過熔，引起焊縫附近的金屬氧化、變色甚至變形。因此，特殊要求較大熔深時(shí)，可使聚焦鏡的焦點(diǎn)深入材料內(nèi)部，使焊縫處發(fā)生輕微打孔，部份熔化金屬有汽化飛濺現(xiàn)象，焊縫深度變大，此時(shí)焊縫表面平整度可能稍差。必要時(shí)，改變離焦量重復(fù)焊接一遍，可使焊縫表面光滑美觀。l三、激光脈沖波形三、激光脈沖波形l 熱傳導(dǎo)型激光焊接使用重復(fù)脈沖激光焊接材料，為了焊接效果好，就

9、要對激光脈沖波形有一定要求。l 借用電子電路技術(shù)中仿真線的概念，由電感電容網(wǎng)絡(luò)組成仿真線，通過仿真線放電形成特定形狀的激光脈沖，一般通過L-C仿真線網(wǎng)絡(luò)可以將脈沖展寬，得到一個(gè)平頂寬脈沖。根據(jù)需要可以使脈寬在35ms，最大可做到30ms。圖圖8 8仿真線脈沖形成網(wǎng)絡(luò)仿真線脈沖形成網(wǎng)絡(luò)l 金屬在常溫下對激光反射率較高，如鋼鐵類金屬表面對1064nm波長的YAG激光的反射率達(dá)60%，但金屬表面溫度升高以后，反射率迅速下降，金屬對激光能量的吸收率很快增加。簡單的方波脈沖使焊斑熔化不好，流動(dòng)性差，甚至出現(xiàn)裂紋，焊接效果不理想。這就需要對仿真線參數(shù)進(jìn)行修正。l 為了使激光光波形前緣出現(xiàn)高幅值尖峰，將仿真

10、線第一網(wǎng)孔L1C1組合中的電感L1減小或去掉，C1用低感或無感電容，使激光光波形前緣陡峭，有利于迅速降低反射率，加強(qiáng)對光能的吸收。同時(shí)對仿真線最后一組或兩組的電感L4或L5的電感量適當(dāng)增大，延緩放電速度，使激光波形有個(gè)拖尾，在焊接過程中，對于熔融部份的金屬得到減緩凝固的作用，對于鋁合金等材料的焊接，有很明顯的改進(jìn)作用。圖圖9 9氙燈放電波形氙燈放電波形 l 當(dāng)焊接工件以一定速度移動(dòng)時(shí)，激光熔斑相互重疊，重疊率由工件移動(dòng)速度和激光重復(fù)頻率來決定。這種焊接狀態(tài)與單脈沖點(diǎn)焊不同，當(dāng)一個(gè)激光脈沖聚焦的光斑照射到焊縫處時(shí)，前一個(gè)激光脈沖已將該處金屬材料加熱，且前一個(gè)光斑照射的部份金屬已呈熔融狀態(tài)，尚未來

11、得及凝固或者說未能完全凝固。因而這個(gè)激光脈沖到來時(shí)，焊縫處的溫度升高，金屬的反射率降低，并不需要前置尖峰脈沖的激光波形。一般可以通過重復(fù)的熔斑對工件實(shí)現(xiàn)密封焊接，這是國內(nèi)外目前使用最多的激光脈沖波形。圖圖1111重復(fù)脈沖激光放電波形重復(fù)脈沖激光放電波形 l 傳統(tǒng)的電子電路與微處理機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了以前電子電路無法實(shí)現(xiàn)的功能，有效地提高了整機(jī)的性能和水準(zhǔn)，通過單晶片微處理機(jī)使激光脈沖可任意設(shè)置的激光器，就是當(dāng)前的較先進(jìn)的一項(xiàng)技術(shù)，提高了激光焊接機(jī)的功能，本來不能焊接或焊不好的材料也可以焊得很好了。 圖圖1212可任意設(shè)置的激光脈沖波形可任意設(shè)置的激光脈沖波形l四、激光脈沖重復(fù)頻率四、激光脈沖重復(fù)頻率

12、l 熱傳導(dǎo)焊接中，激光器發(fā)出重復(fù)頻率激光脈沖，每個(gè)激光脈沖形成一個(gè)熔斑，焊件與激光光束相對移動(dòng)速度決定了熔斑的重疊率，一系列的熔斑形成魚鱗紋似的漂亮焊縫。如儀器、儀表、電池、繼電器外殼的密封，板材、管件或需要連接的電子零件、機(jī)械零件的焊接等大都使用這種方法。l 為了實(shí)現(xiàn)激光密封焊接，對于激光光斑的重復(fù)頻率有一定要求，一般要重疊70%以上，因?yàn)槊恳粋€(gè)熔斑都是材料表面吸收了激光的能量通過熱傳導(dǎo)向四周擴(kuò)散的，所以熔斑斷面形狀為半球形，如圖14所示，為了達(dá)到一定厚度的熔深，只有在高重復(fù)頻率下才能達(dá)到密封焊接。圖圖1414重復(fù)激光脈沖的焊接效果重復(fù)激光脈沖的焊接效果l 航空儀表外殼激光密封焊接后，要求漏

13、氣率小于10-810-10PaL/s，這是很高的指標(biāo)，只有用氦質(zhì)譜儀才能檢測。 l五、離焦量的選擇五、離焦量的選擇l 對于能夠正常焊接的激光功率（或是脈沖能量），在焦平面處的激光功率密度往往已經(jīng)超過激光焊接所需的功率密度，在焦點(diǎn)位置焊接，可能會出現(xiàn)金屬汽化、熔渣飛濺或是打孔現(xiàn)象。正確焊接技術(shù)是使焦平面離開工件表面一小段距離，這個(gè)距離稱為離焦量。如圖15所示，以工件表面為準(zhǔn)，焦平面深入工件內(nèi)部稱為負(fù)離焦，焦平面在工件之外稱為正離焦。圖圖1515焦平面示意焦平面示意l 一般對熔深要求不高時(shí)最好用正離焦，這樣很容易獲得牢固美觀的焊縫。實(shí)際焊接過程中經(jīng)常是激光器各項(xiàng)參數(shù)設(shè)置完畢后，最后經(jīng)由微調(diào)離焦量，

14、來達(dá)到完美的焊接效果。l 離焦量的選擇和聚焦鏡的焦距數(shù)值大小有關(guān)，焦平面處的光斑尺寸D與聚焦鏡的焦距F和激光光束的發(fā)散角有關(guān)，即l DFl 焊接0.51mm厚鋼板時(shí)，聚焦鏡焦距通常是100200mm，對光斑尺寸要求并非十分嚴(yán)格，因而離焦量的選取也有較大的范圍。激光焊接金屬膜片時(shí)，要求熔斑直徑小，聚焦鏡的焦距也小，在這種情況下離焦量的選擇要謹(jǐn)慎，離焦量不宜太大。l六、保護(hù)氣體六、保護(hù)氣體l 在一些對焊接技術(shù)要求嚴(yán)格的場合，如要求焊縫美觀、密封、無氧化痕跡的產(chǎn)品，或是易于氧化難于焊接的鋁合金材料，在焊接過程中就必須施加保護(hù)氣體。l 氮?dú)馐疑喜坑型腹馄桨宀ＡВ试S波長為1064nm的激光光束射入到焊

15、件的焊縫上，氮?dú)馐覂?nèi)充滿氮?dú)猓@樣被焊接金屬零件在加熱熔化過程中就不會氧化，如焊接鋼類零件或不銹鋼類零件時(shí)，得到的焊縫是閃亮的，密封效果也好。圖圖1616氮?dú)馐沂疽獾獨(dú)馐沂疽?l 在要求高度密封、漏氣率很低的工件焊接時(shí)，最好使用氬氣，焊接效果會更好，一次焊接密封成功率高，而且焊縫美觀。l 保護(hù)氣體除防止熔化金屬被氧化之外，還有一個(gè)作用就是吹掉焊接過程中產(chǎn)生的電漿火焰，電漿火焰本身對激光能量有吸收、散射作用，影響焊接效果，減少熔接深度。l 激光深熔時(shí)，在一定壓力流速下的保護(hù)氣體能夠迅速清除熔化區(qū)的空氣，避免金屬氧化，同時(shí)保護(hù)氣體能夠?qū)㈦姖{火焰保持在熔池小孔內(nèi)部，熔池內(nèi)部熱量增多，使焊縫的熔深加大

16、。圖圖1717帶保護(hù)氣體噴嘴的激光焊接頭帶保護(hù)氣體噴嘴的激光焊接頭 4 4激光焊接實(shí)用舉例激光焊接實(shí)用舉例l4.14.1新型電池的激光焊接新型電池的激光焊接l 航空飛行器上改用鋰離子電池后，比能量是鎘鎳電池的23倍，是氫鎳電池的1.52倍。用在攝錄影機(jī)上，用在行動(dòng)電話上，用在筆記本電腦上，都使這些移動(dòng)電子產(chǎn)品體積大為縮小，待機(jī)時(shí)間倍增。鋰離子電池一經(jīng)問世，產(chǎn)銷量便迅速增加。2000年年產(chǎn)量達(dá)4.5億支以上，近年來產(chǎn)量還在不斷增加，而且又將成為正在研制的電動(dòng)汽車的首選電源。l 鋰離子電池，有幾道程序如極耳焊接、安全閥焊接、負(fù)極焊接、外殼密封焊接等，均以激光焊接為最佳技術(shù)。技術(shù)參數(shù)鎘鎳蓄電池氫鎳蓄

17、電池鋰離子蓄電池工作電壓V1.21.23.6質(zhì)量比能量Wh/kg5065105體積比能量Wh/h150200270充放電次數(shù)5005001000自放電率%2530303569表表1 1各種蓄電池主要性能對比各種蓄電池主要性能對比 l一、極耳安全閥的自動(dòng)焊接一、極耳安全閥的自動(dòng)焊接l 新型電池內(nèi)部裝有防爆裝置，稱為安全閥，鋰離子電池有內(nèi)部膨脹爆炸危險(xiǎn)，因而電池必須裝有安全閥，作為安全保障。安全閥結(jié)構(gòu)巧妙，為用激光焊接牢固的、一定形狀的兩個(gè)鋁質(zhì)金屬片，由激光熔斑形成的抗拉強(qiáng)度，需在設(shè)計(jì)值范圍之內(nèi)，即通過激光熔斑使電池內(nèi)部形成通路，但當(dāng)內(nèi)部壓力升高到一定值時(shí)，激光熔斑被撕開，起到保護(hù)作用。圖圖181

18、8電池安全閥結(jié)構(gòu)示意電池安全閥結(jié)構(gòu)示意 圖圖1919激光焊接安全閥的自動(dòng)裝置示意激光焊接安全閥的自動(dòng)裝置示意 l 極耳的激光焊接技術(shù)比較復(fù)雜，由于是大量生產(chǎn)，焊接過程必須自動(dòng)化、高生產(chǎn)率才能滿足市場需求。圖20是激光自動(dòng)焊接極耳的裝置示意，作為電池正極片的極耳與安全閥的孔板焊在一起，圖示裝置的核心結(jié)構(gòu)是一個(gè)有36個(gè)V形槽的圓形轉(zhuǎn)盤，V形槽用來確定電池的位置，在電池極耳下面有放置安全閥的圓坑，安全閥與電池主體可以依圖示裝置自動(dòng)上料，也可以手工上料。 圖圖2020激光自動(dòng)焊接極耳裝置示意激光自動(dòng)焊接極耳裝置示意 l二、方形電池外殼的激光頂焊密封技術(shù)二、方形電池外殼的激光頂焊密封技術(shù)l 手機(jī)電池外形

19、尺寸希望越小越好，現(xiàn)在流行的長方形截面的手機(jī)電池，也稱口香糖電池。其封口一般是在電池頂部有一個(gè)長方形蓋板，板上帶有正極引出端，將蓋板塞入外殼與口平齊，然后用激光將蓋板與外殼之間的長方形縫隙，以重復(fù)脈沖方式焊好密封即可。圖圖2222新型電池專用新型電池專用YAGYAG激光焊接機(jī)激光焊接機(jī) 圖圖2323激光頂焊方形電池的方法示意激光頂焊方形電池的方法示意 l三、方形電池外殼的激光側(cè)焊密封技術(shù)三、方形電池外殼的激光側(cè)焊密封技術(shù)l 1.1.方形電池中心旋轉(zhuǎn)式激光自動(dòng)焊接機(jī)方形電池中心旋轉(zhuǎn)式激光自動(dòng)焊接機(jī)l 脈沖YAG激光焊接機(jī)的激光平均功率多為300700W，脈沖重復(fù)頻率1100Hz，激光脈沖寬度11

20、0ms，單脈沖最大能量約30J，石英光纖傳輸，光纖長度1050m。在光纖出口，由聚焦系統(tǒng)組成激光焊接頭，焊接頭和被焊接電池之間的相對運(yùn)動(dòng)由微處理機(jī)控制，激光焊接過程自動(dòng)進(jìn)行，更換電池的動(dòng)作是人工操作。圖圖2424電池中心旋轉(zhuǎn)式激光側(cè)焊密封技術(shù)電池中心旋轉(zhuǎn)式激光側(cè)焊密封技術(shù)l 激光焊接過程中焊縫熔化階段會產(chǎn)生電漿火焰，該火焰對于入射激光光束有遮擋作用，對激光光束產(chǎn)生吸收和散射，使焊接品質(zhì)下降。圖25表示的方法，使激光光束傾斜一個(gè)角度入射，這樣產(chǎn)生的電漿火焰就會反射到另一個(gè)方向，不再遮擋入射激光光束。 圖圖2525激光傾斜入射示意激光傾斜入射示意 l 2.2.側(cè)邊旋轉(zhuǎn)式激光側(cè)焊密封方形電池外殼技術(shù)

21、側(cè)邊旋轉(zhuǎn)式激光側(cè)焊密封方形電池外殼技術(shù)l 激光焊接過程中，靠工作臺的移動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)就完成了全部焊接過程，激光不必中斷，稜角焊接效果也好。如果通過程序設(shè)計(jì)，使激光焊接到稜角位置時(shí)，激光重復(fù)頻率自動(dòng)降低，轉(zhuǎn)到直線焊縫時(shí)，再恢復(fù)到預(yù)置重復(fù)頻率，焊接效果會更好，焊縫美觀，密封成功率高，生產(chǎn)率也高于前一種方案。圖圖2626側(cè)邊旋轉(zhuǎn)式電池焊接方案示意側(cè)邊旋轉(zhuǎn)式電池焊接方案示意 l 3.3.履帶式激光自動(dòng)焊接側(cè)邊密封電池履帶式激光自動(dòng)焊接側(cè)邊密封電池l 為了保證激光頭到焊縫的距離穩(wěn)定不變，電池上下兩面在激光焊接位置，均有定位壓緊裝置。激光頭L1焊完一邊焊縫之后，傳送帶推動(dòng)電池前移過程中，設(shè)有電池轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，自動(dòng)使

22、電池翻身，焊過的一面倒向下面，未焊的一面向上，繼續(xù)前進(jìn)時(shí)，便進(jìn)入第二個(gè)激光頭L2，開始焊接第二面的焊縫，所有附屬機(jī)構(gòu)與激光頭L1焊接位置一樣。傳送帶向下運(yùn)轉(zhuǎn)的時(shí)候，電池自動(dòng)跌入下料倉，完成了電池兩邊的焊接程序。圖圖2727履帶式激光自動(dòng)焊接方形電池外殼設(shè)備履帶式激光自動(dòng)焊接方形電池外殼設(shè)備 l 4.4.雙路對焊式自動(dòng)激光焊接電池雙路對焊式自動(dòng)激光焊接電池l 激光光束也是由同一臺激光器輸出，四束激光均進(jìn)入石英光纖），L3和L4與L1、L2也是同時(shí)出光，將還未焊過的兩條焊縫同時(shí)焊好。至此，電池的四條焊縫經(jīng)兩次焊接即已完成。電池隨即進(jìn)入下料倉。圖圖2828雙路對焊方形電池雙路對焊方形電池 l 圖3.

23、29所示為激光經(jīng)過分束裝置被分別耦合到六根光纖里，然后傳輸?shù)叫枰附拥牡胤?。圖圖2929激光分光裝置激光分光裝置l4.24.2精密儀表零件的激光焊接精密儀表零件的激光焊接l一、壓力膜片的激光焊接一、壓力膜片的激光焊接l 自動(dòng)化壓力傳感監(jiān)測系統(tǒng)的壓力敏感元件，是一個(gè)厚度僅有0.06mm的不銹鋼膜片，一般口徑有 4060mm左右，將膜片固定在一個(gè)不銹鋼框架上，組成壓力儀表的一個(gè)零件，最好的固定方法就是采用激光焊接。曾經(jīng)用過特種膠水粘接，或氬弧焊的方法焊接，相比之下激光焊接還是具有明顯的優(yōu)點(diǎn)，不僅焊縫美觀，而且密封效果好。l 被焊框架和膜片用壓圈固定好以后，在膜片上方很小的密閉氣室內(nèi)可以充滿具有壓力

24、的氮?dú)?。氮?dú)獾淖饔糜袃蓚€(gè)：其一，是保護(hù)激光焊接過程中熔化金屬不被氧化，使熔道組成的焊縫整齊美觀。其二，是通過足夠大的壓力，迫使膜片與框架緊密接觸，以保證激光焊接過程中達(dá)到充分的熱傳導(dǎo)效果。圖圖3030帶有氮?dú)馐业膲毫δてす夂附友b置帶有氮?dú)馐业膲毫δてす夂附友b置 l 氮?dú)馐倚枰懿宦?，每次更換焊件，夾具又必須反覆開啟，因而帶有氮?dú)馐业膴A具，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上稍顯復(fù)雜。l 圖31所示為一種用機(jī)械方法固定膜片的夾具，這種夾具無需氮?dú)馐?，而是用一個(gè)金字塔形的金屬塊壓緊膜片內(nèi)部，膜片外緣用一個(gè)壓圈壓平，只露出焊縫部份承受激光光束的照射，焊接效果很好。圖圖3131壓力膜片的機(jī)械固定裝置壓力膜片的機(jī)械固定裝

25、置 l二、精密儀表的激光焊接二、精密儀表的激光焊接l 撓性接頭是撓性陀螺的最關(guān)鍵零件，內(nèi)、外兩層接頭形狀復(fù)雜，容易損壞，不能受到?jīng)_擊，稍有碰撞便不能使用，總之要輕拿輕放。內(nèi)、外兩層接頭要求轉(zhuǎn)過、焊成一體才能使用。l 激光焊接撓性接頭。由于零件很小，能夠承受的熱量不大，加到零件上的激光能量過大時(shí)，會使工件整體升溫，引起機(jī)械連接處產(chǎn)生塑性變形，使之失去彈性，造成零件損壞。l 圖32(a)中的焊縫可以垂直工件表面焊接，圖32(b)中的焊縫工件有臺階結(jié)構(gòu)，所以將激光光束調(diào)整到左右角度，傾斜入射，焊接效果更好。l 一般選用瞬時(shí)功率在105107W/cm2，激光平均功率在5080W之間，重復(fù)頻率1035H

26、z，脈沖寬度在37ms之間，焊接速度在5mm/s，焊縫品質(zhì)較好，焊接時(shí)不需要添加任何焊劑和焊料，焊接完成后工件變形小，熱影響區(qū)也小，一般熔深在0.30.5mm左右，焊縫的金相組織為麻田散體，測試硬度、抗拉強(qiáng)度均達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。圖圖3232激光焊接撓性陀螺接頭示意激光焊接撓性陀螺接頭示意l 為了使激光焊接效果好，當(dāng)密封程序選擇了激光焊接技術(shù)時(shí)，焊縫處的結(jié)構(gòu)形狀最好要有適當(dāng)?shù)男薷?，以適應(yīng)激光焊接的需要。首先焊縫處兩個(gè)部份工件的對接處間隙要小，如果是圓柱形工件，配合部份要選稍緊的滑動(dòng)配合，否則焊后難密封。如圖33(a)所示為兩部份工件簡單對接，l 對接部份因機(jī)械加工精度誤差會造成對接間隙，焊接過程激光

27、引起的火花，可能會噴進(jìn)儀表內(nèi)部造成電路損傷。最好焊接部份要有止口結(jié)構(gòu)，而且承受激光處的形狀設(shè)計(jì)為圖33(b)所示的結(jié)構(gòu)，焊縫兩邊各有一條凹槽，其作用是限制激光熱量向兩邊傳導(dǎo)，強(qiáng)迫激光熱量向焊縫深處傳導(dǎo)，這樣焊接效果更好，焊后激光熔道平整光滑，止口得到了保護(hù)儀表內(nèi)部零件，不會被激光火花所傷害的作用。圖圖3333焊接處止口結(jié)構(gòu)焊接處止口結(jié)構(gòu) l 為了達(dá)到激光焊接后密封良好的效果，還應(yīng)注意考慮以下因素。焊縫處零件表面清潔，不能存在油污、棉絮等有機(jī)物，甚至焊縫處材料的雜質(zhì)也會造成局部漏氣，激光焊接性能穩(wěn)定可靠，激光參數(shù)能夠大范圍的調(diào)節(jié)，聚焦透鏡焦距的選擇和離焦量的選擇都有關(guān)系，保護(hù)氣體的種類和吹氣壓力

28、、流量也需注意，工件的機(jī)械加工精度、設(shè)計(jì)上的尺寸、公差的選擇、零件焊接前的清潔方法都是與密封效果有關(guān)的因素。l 類似要求激光密封焊接的儀表零件有小型繼電器、石英振子、心臟起搏器、助聽器、各類傳感器等。圖圖3434光纖通訊元件的激光焊接裝置光纖通訊元件的激光焊接裝置l三、儀表電器外殼密封焊接三、儀表電器外殼密封焊接l 太空航空系統(tǒng)廣泛使用的陀螺儀表、繼電器、石英振子、半導(dǎo)體元件、加速度計(jì)、核燃料盒等，密封焊接之后，大多要求內(nèi)部為真空狀態(tài)，漏氣率小于PaL/s，漏氣率需用質(zhì)譜儀檢測，除了用YAG激光焊接之外，任何傳統(tǒng)方法都不能達(dá)到上述要求。l 脈沖寬度和脈沖形狀對激光焊接陀螺儀表是一項(xiàng)重要參數(shù)，未

29、經(jīng)成形的激光脈沖，不適合于特殊焊接。l 單脈沖能量大小也是一項(xiàng)重要參數(shù)，對于一臺激光焊接機(jī)而言，單脈沖能量與激光脈沖重復(fù)頻率有關(guān)系。一般對儀表零件密封焊接時(shí)，單脈沖能量需要大于3J，否則熔化區(qū)較淺，如果熔深小于0.2mm，盡管焊縫外觀平整，氣密性也不好。一般常用激光脈沖能量在56J時(shí)，熔深0.30.5mm，焊接效果比較好。l 激光脈沖重復(fù)頻率一方面決定生產(chǎn)率即焊接速度，實(shí)際重點(diǎn)考慮的還是焊接品質(zhì)，一般常用1535Hz，還要求激光焊接的平均功率大小，當(dāng)脈沖頻率高時(shí)，需要的脈沖能量可以減少，兩脈沖之間的時(shí)間間隔短，前一個(gè)脈沖能量產(chǎn)生熱量導(dǎo)致的溫升還沒降低，后面脈沖能量又作用上去，使得材料熔化所需的

30、能量會適當(dāng)降低。l 在一定重復(fù)頻率之下，只有降低重疊率才能有更高的焊接速度，每一個(gè)激光脈沖在焊縫處都產(chǎn)生一個(gè)半球形熔斑，只有光斑重疊率在60%70%時(shí)氣密封性才好。l 離焦量的大小在于控制激光功率密度，一般需在104106W/cm2，使激光作用于金屬表面適合于焊接，主要引起焊縫處熔化，而不是汽化。l 實(shí)現(xiàn)密封焊接還需選用恰當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)氣體，惰性氣體可以防止熔道表面氧化變黑，焊接陀螺儀表常用氬氣或氮?dú)猓瑲鍤庑Ч?，使焊縫白亮，但價(jià)格高。l3.4.33.4.3激光焊接在汽車制造業(yè)中的應(yīng)用激光焊接在汽車制造業(yè)中的應(yīng)用l 激光焊接是在汽車制造業(yè)中，使用最多的激光加工技術(shù)，最早用在汽車變速箱齒輪組的焊接，采

31、用23kW的連續(xù)CO2激光器，再配備必要的清洗、壓緊、轉(zhuǎn)動(dòng)臺、激光器、水冷系統(tǒng)、導(dǎo)光系統(tǒng)、保護(hù)氣體系統(tǒng)以及在線檢測設(shè)備，整套設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)起來加工速度很快。l 汽車制造業(yè)大量采用激光搭焊薄鋼板和不等厚鋼板，充分利用激光焊縫性能優(yōu)良的特性，焊接后再沖壓成型，不會開裂。l 圖35是汽車側(cè)門不等厚鋼材搭焊的例子，由最佳組合的幾塊板材焊接而成，經(jīng)一次沖壓后成為車門零件，一方面提高了車身的精度，與老技術(shù)相比，使多個(gè)沖片一體化減少了許多沖模，所以不僅使車身重量減輕，而且使成本下降。圖圖3535激光拼焊車門板材激光拼焊車門板材 圖圖3636采用多個(gè)采用多個(gè)YAGYAG棒組合的激光器棒組合的激光器 l 一輛汽車的車

32、身、底盤共由300種以上的零件組成，采用搭焊技術(shù)后能使零件數(shù)減少66%，局部采用厚板就可以去掉加強(qiáng)桿，一次沖壓成型。例如，汽車內(nèi)門板過去用0.8mm的鋼板沖壓成型，為安裝反光鏡，在安裝基座部位必須焊上加強(qiáng)件，現(xiàn)在將2mm坯板和0.8mm坯板用激光焊在一起，然后沖壓成型，這樣每扇門可以減輕1.35kg，不僅簡化了制程，而且降低了成本。圖圖3737部份采用激光焊接技術(shù)的沖壓成型件部份采用激光焊接技術(shù)的沖壓成型件 l 采用激光焊接技術(shù)，把形狀彎曲復(fù)雜的沖壓件，改為激光搭焊件，如圖38所示。如果依照零件形狀直接沖裁，圖示陰影部份廢料得不到利用，將零件改成兩塊，沖裁后，再用激光焊接，材料利用可提高10%。圖圖3838馬自達(dá)公司應(yīng)用激光焊接實(shí)例馬自達(dá)公司應(yīng)用激光焊接實(shí)例 l 圖40示出的是日本電裝株式會社定子固定的技術(shù)發(fā)展過程?？梢钥闯觯す夂附拥暮缚p整齊美觀，效果最好，而氬弧焊的焊縫又寬又粗糙。圖圖4040汽車電機(jī)定子的固定方法汽車電機(jī)定子的固定方法 l 通用汽車公司用3kW的連續(xù)Nd：YAG激光器焊接Oldsmobile Aurora的車頂配件，焊縫總長2