激光焊接原理

激光焊接是激光材料加工技术应用的重要方面之一，又常称为激光焊机、镭射焊机，按其工作方式常可分为激光模具烧焊机（手动焊接机）、自动激光焊接机、激光点焊机、光纤传输激光焊接机，光焊接是利用高能量的激光脉冲对材料进行微小区域内的局部加热，激光辐射的能量通过热传导向材料的内部扩散，将材料熔化后形成特定熔池以达到焊接的目的。 一、激光焊接的主要特性。 20世纪70年代主要用于焊接薄壁材料和低速焊接，焊接过程属热传导型，即激光辐射加热工件面，表面热量通过热传导向内部扩散，通过控制激光脉冲的宽度、能量、峰值功率和重复频率等参数，使工件熔化，形成特定的熔池。由于其独特的优点，已成功应用于微、小型零件的精密焊接中。 高功率CO2及高功率YAG激光器的出现，开辟了激光焊接的新领域。获得了以小孔效应为理论基础的深熔焊接，在机械、汽车、钢铁等工业领域获得了日益广泛的应用。 与其它焊接技术相比，激光焊接的主要优点是： 1、速度快、深度大、变形小。 2、能在室温或特殊条件下进行焊接，焊接设备装置简单。例如，激光通过电磁场，光束不会偏移；激光在真空、空气及某种气体环境中均能施焊，并能通过玻璃或对光束透明的材料进行焊接。 3、可焊接难熔材料如钛、石英等，并能对异性材料施焊，效果良好。 4、激光聚焦后，功率密度高，在高功率器件焊接时，深宽比可达5：1，最高可达10：1。 5、可进行微型焊接。激光束经聚焦后可获得很小的光斑，且能精确定位，可应用于大批量自动化生产的微、小型工件的组焊中。 6、可焊接难以接近的部位，施行非接触远距离焊接，具有很大的灵活性。尤其是近几年来，在YAG激光加工技术中采用了光纤传输技术，使激光焊接技术获得了更为广泛的推广和应用。 7、激光束易实现光束按时间与空间分光，能进行多光束同时加工及多工位加工，为更精密的焊接提供了条件。 但是，激光焊接也存在着一定的局限性： 1、焊件装配精度高，且要求光束在工件上的位置不能有显著偏移。这是因为激光聚焦后光斑尺雨寸小，焊缝窄，为加填充金属材料。若工件装配精度或光束定位精度达不到要求，很容易造成焊接缺憾。 2、激光器及其相关系统的成本较高，一次性投资较大。 二、激光焊接热传导。 激光焊接是将高强度的激光束辐射至金属表面，通过激光与金属的相互作用，使金属熔化形成焊接。在激光与金属的相互作用过程中，金属熔化仅为其中一种物理现象。有时光能并非主要转化为金属熔化，而以其它形式表现出来，如汽化、等离子体形成等。然而，要实现良好的熔融焊接，必须使金属熔化成为能量转换的主要形式。为此，必须了解激光与金属相互作用中所产生的各种物理现象以及这些物理现象与激光参数的关系，从而通过控制激光参数，使激光能量绝大部分转化为金属熔化的能量，达到焊接的目的。 三、激光焊接的工艺参数。 1、功率密度。 功率密度是激光加工中最关键的参数之一。采用较高的功率密度，在微秒时间范围内，表层即可加热至沸点，产生大量汽化。因此，高功率密度对于材料去除加工，如打孔、切割、雕刻有利。对于较低功率密度，表层温度达到沸点需要经历数毫秒，在表层汽化前，底层达到熔点，易形成良好的熔融焊接。因此，在传导型激光焊接中，功率密度在范围在104~106W/CM2。 2、激光脉冲波形。 激光脉冲波形在激光焊接中是一个重要问题，尤其对于薄片焊接更为重要。当高强度激光束射至材料表面，金属表面将会有60~98%的激光能量反射而损失掉，且反射率随表面温度变化。在一个激光脉冲作用期间内，金属反射率的变化很大。 3、激光脉冲宽度。 脉宽是脉冲激光焊接的重要参数之一，它既是区别于材料去除和材料熔化的重要参数，也是决定加工设备造价及体积的关键参数。 4、离焦量对焊接质量的影响。 激光焊接通常需要一定的离做文章一，因为激光焦点处光斑中心的功率密度过高，容易蒸发成孔。离开激光焦点的各平面上，功率密度分布相对均匀。 离焦方式有两种：正离焦与负离焦。焦平面位于工件上方为正离焦，反之为负离焦。按几何光学理论，当正负离做文章一相等时，所对应平面上功率密度近似相同，但实际上所获得的熔池形状不同。负离焦时，可获得更大的熔深，这与熔池的形成过程有关。实验表明，激光加热50~200us材料开始熔化，形成液相金属并出现问分汽化，形成市压蒸汽，并以极高的速度喷射，发出耀眼的白光。与此同时，高浓度汽体使液相金属运动至熔池边缘，在熔池中心形成凹陷。当负离焦时，材料内部功率密度比表面还高，易形成更强的熔化、汽化，使光能向材料更深处传递。所以在实际应用中，当要求熔深较大时，采用负离焦；焊接薄材料时，宜用正离焦。 四、激光焊接工艺方法。 1、片与片间的焊接。 包括对焊、端焊、中心穿透熔化焊、中心穿孔熔化焊等4种工艺方法。 2、丝与丝的焊接。 包括丝与丝对焊、交叉焊、平行搭接焊、T型焊等4种工艺方法。 3、金属丝与块状元件的焊接。 采用激光焊接可以成功的实现金属丝与块状元件的连接，块状元件的尺寸可以任意。在焊接中应注意丝状元件的几何尺寸。 4、不同金属的焊接。 焊接不同类型的金属要解决可焊性与可焊参数范围。不同材料之间的激光焊接只有某些特定的材料组合才有可能。 五、激光钎焊。 有些元件的连接不宜采用激光熔焊，但可利用激光作为热源，施行软钎焊与硬钎焊，同样具有激光熔焊的优点。采用钎焊的方式有多种，其中，激光软钎焊主要用于印刷电路板的焊接，尤其实用于片状元件组装技术。采用激光软钎焊与其它方式相比有以下优点： 、由于是局部加热，元件不易产生热损伤，热影响区小，因此可在热敏元件附近施行软钎焊。 2、用非接触加热，熔化带宽，不需要任何辅助工具，可在双面印刷电路板上双面元件装备后加工。 3、重复操作稳定性好。焊剂对焊接工具污染小，且激光照射时间和输出功率易于控制，激光钎焊成品率高。 4、激光束易于实现分光，可用半透镜、反射镜、棱镜、扫描镜等光学元件进行时间与空间分割，能实现多点同时对称焊。 5、激光钎焊多用波长1.06um的激光作为热源，可用光纤传输，因此可在常规方式不易焊接的部位进行加工，灵活性好。 6、聚焦性好，易于实现多工位装置的自动化。 六、激光深熔焊。 1、冶金过程及工艺理论。 激光深熔焊冶金物理过程与电子束焊极为相似，即能量转换机制是通过“小孔”结构来完成的。在足够高的功率密度光束照射下，材料产生蒸发形成小孔。这个充满蒸汽的小孔犹如一个黑体，几乎全部吸收入射光线的能量，孔腔内平衡温度达25000度左右。热量从这个高温孔腔外壁传递出来，使包围着这个孔腔的金属熔化。小孔内充满在光束照射下壁体材料连续蒸发产生的高温蒸汽，小孔四壁包围着熔融金属，液态金属四周即围着固体材料。孔壁外液体流动和壁层表面张力与孔腔内连续产生的蒸汽压力相持并保持着动态平衡。光束不断进入小孔，小孔外材料在连续流动，随着光束移动，小孔始终处于流动的稳定态。就是说，小孔和围着孔壁的熔融金属随着前导光束前进速度向前移动，熔融金属填充着小孔移开后留下的空隙并随之冷凝，焊缝于是形成。 2、影响因素。 对激光深熔焊产生影响的因素包括：激光功率，激光束直径，材料吸收率，焊接速度，保护气体，透镜焦长，焦点位置，激光束位置，焊接起始和终止点的激光功率渐升、渐降控制。 3、激光深熔焊的特征及优点。 特征：（1）高的深宽比。因为熔融金属围着圆柱形高温蒸汽腔体形成并延伸向工件，焊缝就变得深而窄。（2）最小热输入。因为源腔温度很高，熔化过程发生得极快，输入工件热量极低，热变形和热影响区很小。（3）高致密性。因为充满高温蒸汽的小孔有利于熔接熔池搅拌和气体逸出，导致生成无气孔熔透焊接。焊后高的冷却速度又易使焊缝组织微细化。（4）强固焊缝。（5）精确控制。（6）非接触，大气焊接过程。 优点：（1）由于聚焦激光束比常规方法具有高得多的功率密度，导致焊接速度快，热影响区和变形都较小，还可以焊接钛、石英等难焊材料。（2）因为光束容易传输和控制，又不需要经常更换焊炬、喷嘴，显著减少停机辅助时间，所以有荷系数和生产效率都高。（3）由于纯化作用和高的冷却速度，焊缝强，综合性能高。（4）由于平衡热输入低，加工精度高，可减少再加工费用。另外，激光焊接的动转费用也比较低，可以降低生产成本。（5）容易实现自动化，对光束强度与精细定位能进行有效的控制。 4、激光深熔焊设备。 激光深熔焊通常选用连续波CO2激光器，这类激光器能维持足够高的输出功率，产生“小孔”效应，熔透整个工件截面，形成强韧的焊接接头。 就激光器本身而言，它只是一个能产生可作为热源、方向性好的平行光束的装置。如果把它导向和有效处理后射向工件，其输入功率就具有强的相容性，使之能更好的适应自动化过程。 为了有效实施焊接，激光器和其他一些必要的光学、机械以及控制部件一起共同组成一个大的焊接系统。这个系统包括激光器、光束传输组件、工件的装卸和移动装置，还有控制装置。这个系统可以是仅由操作者简单地手工搬运和固定工件，也可以是包括工件能自动的装、卸、固定、焊接、检验。这个系统的设计和实施的总要求是可获得满意的焊接质量和高的生产效率。 七、钢铁材料的激光焊接。 1、碳钢及普通合金钢的激光焊接。 总的说，碳钢激光焊接效果良好，其焊接质量取决于杂质含量。就象其它焊接工艺一样，硫和磷是产生焊接裂纹的敏感因素。 为了获得满意的焊接质量，碳含量超过0.25%时需要预热。当不同含碳量的钢相互焊接时，焊炬可稍偏向低碳材料一边，以确保接头质量。 低碳沸腾钢由于硫、磷的含量高，并不适合激光焊接。低碳镇静钢由于低的杂质含量，焊接效果就很好。 中、高碳钢和普通合金钢都可以进行良好的激光焊接，但需要预热和焊后处理，以消除应力，避免裂纹形成。 2、不锈钢的激光焊接。 一般的情况下，不锈钢激光焊接比常规焊接更易于获得优质接头。由于高的焊接速度热影响区很小，敏化不成为重要问题。与碳钢相比，不锈钢低的热导系数更易于获得深熔窄焊缝。 3、不同金属之间的激光焊接。 激光焊接极高的冷却速度和很小的热影响区，为许多不同金属焊接融化后有不同结构的材料相容创造了有利条件。现已证明以下金属可以顺利进行激光深熔焊接：不锈钢~低碳钢，416不锈钢~310不锈钢，347不锈钢~HASTALLY镍合金，镍电极~冷锻钢，不同镍含量的双金属带。 激光焊接技术原理：激光焊接是把能量密度很高的激光束照射到工件上，使工件受热熔化，然后冷却得到焊缝。 激光焊接技术特点：激光焊接具有溶池净化效应，能纯净焊缝金属，适用于相同或不同材质、厚度的金属间的焊接，对高熔点、高反射率、高导热率和物理特性相差很大的金属焊接特别有利。激光束可以被聚得很细，光斑能量密度很高，几乎可以气化所有的材料，有广泛的适用性；激光功率可控，易于实现自动化；激光束功率密度很高，焊缝熔深大，速度快，效率高；激光焊缝窄，热影响区很小，工件变形很小，可实现精密焊接；激光焊缝组织均匀，晶粒很小，气孔少，夹杂缺陷少，在机械性能、抗蚀性能和电磁学性能上优于常规焊接方法。 激光－电弧复合是激光焊接的主要手段，通过激光与电弧的相互影响，产生良好的复合效应。深熔焊接时，激光产生的等离子体有利于电弧的稳定；可提高加工效率；可提高焊接性差的材料诸如铝合金、双相钢等的焊接性；可增加焊接的稳定性和可靠性。 激光焊接技术应用：铝质车身数量的增长，将加速激光焊接在汽车制造中的应用。奥迪公司A2型轿车全铝车身采用激光焊接的部件，其焊缝总长达30m。铝材料使用激光焊的主要优点是：焊接速度快。与传统的车身点焊技术相比，经激光焊接的部位，其强度和刚性更好。此外，激光焊可省掉焊接凸缘，这无疑可减少材料消耗，有利于汽车自身重量的下降。激光焊既可使铝薄板与铝薄板（件）之间实现联接，亦可使铝薄板（件）与铝铸件相联接。 另一种应用就是对塑料件进行激光束透射焊接。如将一种透明的塑料件与另一种带有吸附充填材料的塑料件相联接。激光束穿透上部透明的塑料件，使下部连接件瞬间熔化，通过熔化膨胀将上部件湿润并局部熔化，上下零件焊接在一起。BLZ开发出一种安全气囊控制装置的（塑料）外壳激光束透射焊接技术，采用的是二极管激光器，与传统的焊接技术相比，不仅工艺过程柔性高，而且电子部件也很少受到焊接过程产生的机械和热损害。 最近，德国弗朗霍夫学会德累斯顿材料及射束工艺研究所研发出一种感应辅助式激光束焊接新工艺，伟世通公司已将之应用于福特公司轿车驱动轴的焊接（这种驱动轴目前的年产量为45万件），此轴的材料为C38／26Mn5组合式材料。采用感应辅助式激光束焊接，不仅工件变形小，而且减少了后序的加工工作量 激光基本原理 LASER是什么意思  Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation(通过诱导放出实现光能增幅)的英语缩写。  2、激光产生的原理  激光——“受激辐射放大”是通过强光照射激光发生介质，使介质内部原子的电子获得能量，受激而使电子运动轨道发生迁移，由低能态变为高能态。处于激发态的原子，受外界辐射感应，使处于激发态的原子跃迁到低能态，同时发出一束光；这束光在频率、相位、传播方向、偏振等方面和入射光完全一致，此时的光为受激辐射光。为了得到高能量密度、高指向性的激光，必须要有封闭光线的谐振腔，使观光束在置于激光发生介质两侧的反射镜之间往复振荡，进而提高光强，同时提高光的方向。含有钕（ND）的YAG结晶体发生的激光是一种人眼看不见的波长为1.064um的近红外光。这种光束在微弱的受激发情况下，也能实现连续发振。YAG晶体是宝石钇铝石榴石的简称，具有优异的光学特性，是最佳的激光发振用结晶体。 3、滋光的主要特长  a、单色性―激光不是已许多不同的光混一合而成的，它是最纯的单色光（彼长、频率）  b、方向性―橄光传播时基本不向外扩散。  c、相千性－－徽光的位相（波峰和波谷）很有规律，相干性好。 d、高输出功率一用透镜聚焦激光后，所得到的能量密度是太阳光的几百倍。   二、YAG激光焊接   激光焊接是利用激光束优异的方向性和高功么密度等特点进行工作。通过光学系统将激光束聚焦在很小的区域内，在极短的时间内使被焊处形成一个能量高度集中的热源区，从而使被焊物熔化并形成牢固的焊点和焊缝。            常用的激光焊接方式有两种：脉冲激光焊和连续激光焊。前者主要用于单点固定连续和薄件材料的焊接。后者主要用于大厚件的焊接和切割。 激光焊接加工方法的特征 非接触加工，不需对工件加压和进行表面处理。  B、焊点小、能量密度高、适合于高速加工。  C、短时间焊接，既对外界无热影响，又对材料本身的热变形及热影响区小，尤其适合加工高熔点、高硬度、特种材料。  D、不需要填充金属、不需要真空环境（可在空气中直接进行）、不会像电子束那样在空气中产生X射线的危险。  E、与接触焊工艺相比．无电极、工具等的磨损消耗。  F、无加工噪音，对环境无污染。  G、微小工件也可加工。此外，还可通过透明材料的壁进行焊接。    H、可通过光纤实现远距离、普通方法难以达到的部位、多路同时或分时焊接。 很容易改变激光输出焦距及焊点位置。 很容易搭载到自动机、机器人装置上。 对带绝缘层的导体可直接进行焊接，对性能相差较大的异种金属也可焊接。 脉冲激光焊接的机理 脉冲激光焊接可分为传热溶化焊接和深穿入熔化焊接. 传热溶化焊接是指当激光束照射到材料的表面上时，材料吸收光能而加热熔化。材料表面层的热以传导方式继续向材料深处传递，直至将两个待焊件的接触面互溶并焊接在一起。 深穿入熔化焊接是指当更大功率密度的激光束照射到材料上时，材料被加工熔化以至气化，产生较大的蒸汽压，在蒸汽的压力的作用下，溶化金属被挤在周围使照射处（熔池）呈现出一个凹坑，随着激光束的继续照射，凹坑越来越深，并穿入到另一个工件中。激光停止照射后，被排挤在凹坑周围的溶化金属重新流回到凹坑里，凝固后将工件焊接在一起. 这两种激光焊接机理，与功率密度、照射时间、材料性质、焊接方式等因素有关。当功率密度较低、照射时间较长而焊件较薄时，通常以传热溶化机理为主进行。反之，则是以深穿入熔化机理为主进行。 一、工艺特点及其影响因素   1、激光的投入能量密度。调整激光照射能量密度的方法主要有：     A、调整激光输出能量（调整激发电压）     B、调整光斑大小（调节出射焦距）    C、改变光斑中的能量分布（改变光纤类型：峰形输出型——GI型光纤、梯形输出型―SI型光纤）    D、改变出射脉冲的宽度和波形 2、材料反射率    大多数金属在激光开始照射时，会将大部分激光能量反射掉，所以，焊接过程开始的瞬间，要相应提高光束的功率。采用脉  冲激光缝悍二艺时，可以通过接入引弧板来保证整个焊接段的品质一致性。当金属表面开始熔化或汽化后，其反射率迅速降低。           二、影响材料对激光束吸收的主要因素         1、温度            室温时金属材料两激光的吸收率一般在20℃以下；当金属温度达到烙点产生熔融和气化后吸收率上升到40~50%；当接近沸点         时吸收率可高达90%。         材料的直流电阻率         材料对激光的吸收率与材料的直流电阻率的平方根成正比、与激光彼长的平方根成反比关系。            2、激光束的入射角            入射角越大，吸收率越小。当激光垂直于金属表面照射时，金属对激光的吸收率最大。但通常为了保护激光出射镜头，需要         维持一定的入射角。             村料的表面状态            为了低反射率，可在金属表面涂上薄薄一层全属粉，但两者必须是能够形成合金的。如饭、金、银可覆盖薄锐层，此时在同         样熔深的情况下，焊接所需的能量大约为原来铜、金、银所需的四分一。           3、聚焦性和离焦量            品质优良的YAG激光焊接装置，其聚焦性（光斑大小）是通过装置本身的光路同轴精度、输出光纤和出射头的成像比等来保         证。            以激光出射焦点正好落在工作上面时的位置为零。离焦量是指焦点离开这个零点的距离量。焦点位置超过零点位置时叫负离         焦（焦点深入到工件内部），其距离值为负离焦量。反之，焦点不到零点的距离数值为正离焦量。要获得较大的熔深，可将焦点         位置选择在工件内部某一位置上，即采用负离焦量进行焊接。         4、焊接的穿入深度            脉冲激光焊接时，主要是以传热熔化方式进行的。激光束本身对金属的直接穿入深度是有限的，其主要取决于材料的导温系         数（导温系数大的则穿入深度大），而不是激光器的功率大小。           内部构造及电气示意图   三、维护及保养        1、消耗品的更换           纯水、离子交换树脂、水过滤器、励起灯、保护镜片        2、点检               A、激光发振调整           B、激光入射调整           C、光纤入射调整            D、能量平衡调整  一、焊接品质检查            焊接品质的检验，一般有目视检验和破坏性检验两种方法。            目视检验是对图1所示的各个项目进行检验。若利用显微（镜）照片进行金相检验，则需切断提取出焊接熔核部分并研磨腐         蚀（见图2所示）。但是，若只经过外观检验就下结论则还不充分，请务必进行一下破坏性实验。            破坏性检验通常是进行撕开实验，如图3、4所示，撕开焊接母材进行确认（一侧出现圆形孔洞，另一侧出现钮扣状残留物）         另外，也有利用拉伸仪进行拉伸强度检验的方法。   三、维护及保养        1、消耗品的更换           纯水、离子交换树脂、水过滤器、励起灯、保护镜片        2、点检               A、激光发振调整           B、激光入射调整           C、光纤入射调整            D、能量平衡调整  一、焊接品质检查            焊接品质的检验，一般有目视检验和破坏性检验两种方法。            目视检验是对图1所示的各个项目进行检验。若利用显微（镜）照片进行金相检验，则需切断提取出焊接熔核部分并研磨腐         蚀（见图2所示）。但是，若只经过外观检验就下结论则还不充分，请务必进行一下破坏性实验。            破坏性检验通常是进行撕开实验，如图3、4所示，撕开焊接母材进行确认（一侧出现圆形孔洞，另一侧出现钮扣状残留物）         另外，也有利用拉伸仪进行拉伸强度检验的方法。 二、品质保证手段            电阻点焊方法虽然是最适合于大量生产的焊接手段，但是若品质管理不当就会引起巨大的损失。目前，由于无法实现在线非         破坏性焊接品质检验，因此有必要加强对品质保证的管理。         1、压力检测            焊接发热量受电极与工件间的接触电阻的影响极大。焊接过程中，压力必须保持不变，因此有必要经常用压力测试仪对焊接         2、电极研磨            焊接次数的增多，会使电极表面磨损加重。电极表面粗糙会引起飞溅和造成工件表面出现糙痕，影响工件外观，因此有必要            多准备些研磨好的电极，根据焊接次数适当地更换电极。使用新电极之前先用作废的工件进行调试为好。         3、电极过热            电极过热不仅会缩短电极的寿命而且会导致工件焊接品质不均一。         4、工件精度            因忽略了工件厚度、镀层厚度、金属成分等的变化而导致焊接不良品出现的现象时有发生。工件本身的品质是否安定也是影         响焊接品质的重要因素。         5、电流监测            电流监测对焊接是必不可少的。影响电流变化的因素主要有：电源电压的波动、焊接机超载使用而引起的过热使电流输出减         少、工件接触不良导致电流减少、焊接机性能不良等。                      为了防止上述原因引起的不良焊接结果，很有必要经常对焊接电流进行监测。若能确保对焊接电流的监测，则可较容易地         发现其他影响焊接品质的因索之变化原因，从而进一步提高焊接品质的信赖性。