激光焊接技术

激光焊接技术 世界上的第一个激光束于1960年利用闪光灯泡激发红宝石晶粒 所产生，因受限于晶体的热容量，只能产生很短暂的脉冲光束且频率很低。虽然瞬间脉冲峰值能量可高达10^6瓦，但仍属于低能量输出。 使用钕(ND)为激发元素的钇铝石榴石晶棒(Nd:YAG)可产生1---8KW的连续单一波长光束。YAG激光，波长为1.06uM，可以通过柔性光纤连接到激光加工头，设备布局灵活，适用焊接厚度0.5-6mm。 使用CO2为激发物的CO2激光(波长10.6uM)，输出能量可达25KW，可做出2mm板厚单道全渗透焊接，工业界已广泛用于金属的加工上。 属于熔融焊接，以激光束为能源，冲击在焊件接头上。 激光束可由平面光学元件(如镜子)导引，随后再以反射聚焦元件或镜片将光束投射在焊缝上。 激光焊接属非接触式焊接，作业过程不需加压，但需使用惰性气体以防熔池氧化，填料金属偶有使用。 激光焊可以与MIG焊组成激光MIG复合焊，实现大熔深焊接，同时热输入量比MIG焊大为减小。 (1)可将入热量降到最低的需要量，热影响区金相变化范围小，且因热传导所导致的变形亦最低。 (2)32mm板厚单道焊接的焊接工艺参数业经检定合格，可降低厚板焊接所需的时间甚至可省掉填料金属的使用。 (3)不需使用电极，没有电极污染或受损的顾虑。且因不属于接触式焊接制程，机具的耗损及变形接可降至最低。 (4)激光束易于聚焦、对准及受光学仪器所导引，可放置在离工件适当之距离，且可在工件周围的机具或障碍间再导引，其他焊接法则因受到上述的空间限制而无法发挥。 (5)工件可放置在封闭的空间(经抽真空或内部气体环境在控制下)。 (6)激光束可聚焦在很小的区域，可焊接小型且间隔相近的部件， (7)可焊材质种类范围大，亦可相互接合各种异质材料。 (8)易于以自动化进行高速焊接，亦可以数位或电脑控制。 (9)焊接薄材或细径线材时，不会像电弧焊接般易有回熔的困扰。 (10)不受磁场所影响(电弧焊接及电子束焊接则容易)，能精确的对准焊件。 (11)可焊接不同物性(如不同电阻)的两种金属 (12)不需真空，亦不需做X射线防护。 (13)若以穿孔式焊接，焊道深一宽比可达10:1 (14)可以切换装置将激光束传送至多个工作站。 (1)焊件位置需非常精确，务必在激光束的聚焦范围内。 (2)焊件需使用夹治具时，必须确保焊件的最终位置需与激光束将冲击的焊点对准。 (3)最大可焊厚度受到限制渗透厚度远超过19mm的工件，生产线上不适合使用激光焊接。 (4)高反射性及高导热性材料如铝、铜及其合金等，焊接性会受激光所改变。 (5)当进行中能量至高能量的激光束焊接时，需使用等离子控制器将熔池周围的离子化气体驱除，以确保焊道的再出现。 (6)能量转换效率太低，通常低于10%。 (7)焊道快速凝固，可能有气孔及脆化的顾虑。 (8)设备昂贵。 为了消除或减少激光焊接的缺陷,更好地应用这一优秀的焊接方法,提出了一些用其它热源与激光进行复合焊接的工艺,主要有激光与电弧、激光与等离子弧、激光与感应热源复合焊接、双激光束焊接以及多光束激光焊接等。此外还提出了各种辅助工艺，如激光填丝焊(可细分为冷丝焊和热丝焊)、外加磁场辅助增强激光焊、保护气控制熔池深度激光焊、激光辅助搅拌摩擦焊等。 (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，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10^4~10^6W/CM^2。 (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，当正负离焦平面与焊接平面距离相等时，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。 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。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，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。 l、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压力进行测试。焊接时工件因熔化而出现一定的塌陷，此时若电极不能紧跟工件变化则会导致飞溅的出现，因此对焊接机头的动作状况也需经常检查。 2、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。 3、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。 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。 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。