【激光焊接】激光焊接原理 激光焊接設(shè)備有哪些

激光焊接是利用高能量密度的激光束作為熱源的一種高效精密焊接方法。激光焊接是激光材料加工技術(shù)應(yīng)用的重要方面之一。20世紀(jì)70年代主要用于焊接薄壁材料和低速焊接，焊接過(guò)程屬熱傳導(dǎo)型，即激光輻射加熱工件表面，表面熱量通過(guò)熱傳導(dǎo)向內(nèi)部擴(kuò)散，通過(guò)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。由于其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，已成功應(yīng)用于微、小型零件的精密焊接中。

中國(guó)的激光焊接處于世界先進(jìn)水平，具備了使用激光成形超過(guò)12平方米的復(fù)雜鈦合金構(gòu)件的技術(shù)和能力，并投入多個(gè)國(guó)產(chǎn)航空科研項(xiàng)目的原型和產(chǎn)品制造中。2013年10月，中國(guó)焊接專家獲得了焊接領(lǐng)域最高學(xué)術(shù)獎(jiǎng)--布魯克獎(jiǎng)，中國(guó)激光焊接水平得到了世界的肯定。

激光焊接原理

激光焊接可以采用連續(xù)或脈沖激光束加以實(shí)現(xiàn)，激光焊接的原理可分為熱傳導(dǎo)型焊接和激光深熔焊接。功率密度小于104~105W/cm2為熱傳導(dǎo)焊，此時(shí)熔深淺、焊接速度慢；功率密度大于105~107W/cm2時(shí)，金屬表面受熱作用下凹成“孔穴”，形成深熔焊，具有焊接速度快、深寬比大的特點(diǎn)。

其中熱傳導(dǎo)型激光焊接原理為：激光輻射加熱待加工表面，表面熱量通過(guò)熱傳導(dǎo)向內(nèi)部擴(kuò)散，通過(guò)控制激光脈沖的寬度、能量、峰功率和重復(fù)頻率等激光參數(shù)，使工件熔化，形成特定的熔池。

用于齒輪焊接和冶金薄板焊接用的激光焊接機(jī)主要涉及激光深熔焊接。

激光深熔焊接一般采用連續(xù)激光光束完成材料的連接，其冶金物理過(guò)程與電子束焊接極為相似，即能量轉(zhuǎn)換機(jī)制是通過(guò)“小孔”（Key-hole）結(jié)構(gòu)來(lái)完成的。在足夠高的功率密度激光照射下，材料產(chǎn)生蒸發(fā)并形成小孔。這個(gè)充滿蒸氣的小孔猶如一個(gè)黑體，幾乎吸收全部的入射光束能量，孔腔內(nèi)平衡溫度達(dá)25000C左右，熱量從這個(gè)高溫孔腔外壁傳遞出來(lái)，使包圍著這個(gè)孔腔四周的金屬熔化。小孔內(nèi)充滿在光束照射下壁體材料連續(xù)蒸發(fā)產(chǎn)生的高溫蒸汽，小孔四壁包圍著熔融金屬，液態(tài)金屬四周包圍著固體材料（而在大多數(shù)常規(guī)焊接過(guò)程和激光傳導(dǎo)焊接中，能量首先沉積于工件表面，然后靠傳遞輸送到內(nèi)部）?？妆谕庖后w流動(dòng)和壁層表面張力與孔腔內(nèi)連續(xù)產(chǎn)生的蒸汽壓力相持并保持著動(dòng)態(tài)平衡。光束不斷進(jìn)入小孔，小孔外的材料在連續(xù)流動(dòng)，隨著光束移動(dòng)，小孔始終處于流動(dòng)的穩(wěn)定狀態(tài)。就是說(shuō)，小孔和圍著孔壁的熔融金屬隨著前導(dǎo)光束前進(jìn)速度向前移動(dòng)，熔融金屬充填著小孔移開(kāi)后留下的空隙并隨之冷凝，焊縫于是形成。上述過(guò)程的所有這一切發(fā)生得如此快，使焊接速度很容易達(dá)到每分鐘數(shù)米。

激光焊接設(shè)備有哪些

由光學(xué)震蕩器及放在震蕩器空穴兩端鏡間的介質(zhì)所組成。介質(zhì)受到激發(fā)至高能量狀態(tài)時(shí)，開(kāi)始產(chǎn)生同相位光波且在兩端鏡間來(lái)回反射，形成光電的串結(jié)效應(yīng)，將光波放大，并獲得足夠能量而開(kāi)始發(fā)射出激光。

激光亦可解釋成將電能、化學(xué)能、熱能、光能或核能等原始能源轉(zhuǎn)換成某些特定光頻（紫外光、可見(jiàn)光或紅外光）的電磁輻射束的一種設(shè)備。轉(zhuǎn)換形態(tài)在某些固態(tài)、液態(tài)或氣態(tài)介質(zhì)中很容易進(jìn)行。當(dāng)這些介質(zhì)以原子或分子形態(tài)被激發(fā)，便產(chǎn)生相位幾乎相同且近乎單一波長(zhǎng)的光束-激光。由于具同相位及單一波長(zhǎng)，差異角均非常小，在被高度集中以提供焊接、切割及熱處理等功能前可傳送的距離相當(dāng)長(zhǎng)。

激光器分類

用于焊接的主要有兩種激光，即CO2激光和Nd:YAG激光。CO2激光和Nd：YAG激光都是肉眼不可見(jiàn)紅外光。Nd：YAG激光產(chǎn)生的光束主要是近紅外光，波長(zhǎng)為1.06Lm，熱導(dǎo)體對(duì)這種波長(zhǎng)的光吸收率較高，對(duì)于大部分金屬，它的反射率為20%~30%。只要使用標(biāo)準(zhǔn)的光鏡就能使近紅外波段的光束聚焦為直徑0.25mm。CO2激光的光束為遠(yuǎn)紅外光，波長(zhǎng)為10.6Lm，大部分金屬對(duì)這種光的反射率達(dá)到80%~90%，需要特別的光鏡把光束聚焦成直徑為0.75-0.1mm。Nd：YAG激光功率一般能達(dá)到4000~6000W左右，現(xiàn)在最大功率已達(dá)到10000W。而CO2激光功率卻能輕易達(dá)到20000W甚至更大。

大功率的CO2激光通過(guò)小孔效應(yīng)來(lái)解決高反射率的問(wèn)題，當(dāng)光斑照射的材料表面熔化時(shí)形成小孔，這個(gè)充滿蒸氣的小孔猶如一個(gè)黑體，幾乎全部吸收入射光線的能量，孔腔內(nèi)平衡溫度達(dá)25000e左右，在幾微秒的時(shí)間內(nèi)，反射率迅速下降。CO2激光器的發(fā)展重點(diǎn)雖然仍集中于設(shè)備的開(kāi)發(fā)研制，但已不在于提高最大的輸出功率，而在于如何提高光束質(zhì)量及其聚焦性能。另外，CO2激光10kW以上大功率焊接時(shí)，若使用氬氣保護(hù)氣體，常誘發(fā)很強(qiáng)的等離子體，使熔深變淺。因此，CO2激光大功率焊接時(shí)，常使用不產(chǎn)生等離子體的氦氣作為保護(hù)氣體。

用于激發(fā)高功率Nd：YAG晶體的二極管激光組合的應(yīng)用是一項(xiàng)重要的發(fā)展課題，必將大大提高激光束的質(zhì)量，并形成更加有效的激光加工。采用直接二極管陣列激發(fā)輸出波長(zhǎng)在近紅外區(qū)域的激光，其平均功率已達(dá)1kW，光電轉(zhuǎn)換效率接近50%。二極管還具有更長(zhǎng)的使用壽命（10000h），有利于降低激光設(shè)備的維護(hù)成本。二極管泵浦固體激光設(shè)備（DPSSL）的開(kāi)發(fā)。

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(duì)于材料去除加工，如打孔、切割、雕刻有利。對(duì)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10^4~10^6W/CM^2。

（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(wèn)題，尤其對(duì)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(huì)有60~98%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(duì)焊接質(zhì)量的影響。激光焊接通常需要一定的離焦量，因?yàn)榧す饨裹c(diǎn)處光斑中心的功率密度過(guò)高，容易蒸發(fā)成孔。離開(kāi)激光焦點(diǎn)的各平面上，功率密度分布相對(duì)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(shí)，所對(duì)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(guò)程有關(guān)。實(shí)驗(yàn)表明，激光加熱50~200us材料開(kāi)始熔化，形成液相金屬并出現(xiàn)部分汽化，形成高壓蒸汽，并以極高的速度噴射，發(fā)出耀眼的白光。與此同時(shí)，高濃度汽體使液相金屬運(yùn)動(dòng)至熔池邊緣，在熔池中心形成凹陷。當(dāng)負(fù)離焦時(shí)，材料內(nèi)部功率密度比表面還高，易形成更強(qiáng)的熔化、汽化，使光能向材料更深處傳遞。所以在實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)要求熔深較大時(shí)，采用負(fù)離焦；焊接薄材料時(shí)，宜用正離焦。

（5）焊接速度。焊接速度的快慢會(huì)影響單位時(shí)間內(nèi)的熱輸入量，焊接速度過(guò)慢，則熱輸入量過(guò)大，導(dǎo)致工件燒穿，焊接速度過(guò)快，則熱輸入量過(guò)小，造成工件焊不透。

焊接特性

屬于熔融焊接，以激光束為能源，沖擊在焊件接頭上。

激光束可由平面光學(xué)元件（如鏡子）導(dǎo)引，隨后再以反射聚焦元件或鏡片將光束投射在焊縫上。

激光焊接屬非接觸式焊接，作業(yè)過(guò)程不需加壓，但需使用惰性氣體以防熔池氧化，填料金屬偶有使用。

激光焊可以與MIG焊組成激光MIG復(fù)合焊，實(shí)現(xiàn)大熔深焊接，同時(shí)熱輸入量比MIG焊大為減小。

傳感器密封焊接采用的方法有：電阻焊、氬弧焊、電子束焊、等離子焊等。

1.電阻焊：它用來(lái)焊接薄金屬件，在兩個(gè)電極間夾緊被焊工件通過(guò)大的電流熔化電極接觸的表面，即通過(guò)工件電阻發(fā)熱來(lái)實(shí)施焊接。工件易變形，電阻焊通過(guò)接頭兩邊焊合，而激光焊只從單邊進(jìn)行，電阻焊所用電極需經(jīng)常維護(hù)以清除氧化物和從工件粘連著的金屬，激光焊接薄金屬搭接接頭時(shí)并不接觸工件，再者，光束還可進(jìn)入常規(guī)焊難以焊及的區(qū)域，焊接速度快。

2.氬弧焊：使用非消耗電極與保護(hù)氣體，常用來(lái)焊接薄工件，但焊接速度較慢，且熱輸入比激光焊大很多，易產(chǎn)生變形。

3.等離子弧焊：與氬弧類似，但其焊炬會(huì)產(chǎn)生壓縮電弧，以提高弧溫和能量密度，它比氬弧焊速度快、熔深大，但遜于激光焊。

4.電子束焊：它靠一束加速高能密度電子流撞擊工件，在工件表面很小密積內(nèi)產(chǎn)生巨大的熱，形成"小孔"效應(yīng)，從而實(shí)施深熔焊接。電子束焊的主要缺點(diǎn)是需要高真空環(huán)境以防止電子散射，設(shè)備復(fù)雜，焊件尺寸和形狀受到真空室的限制，對(duì)焊件裝配質(zhì)量要求嚴(yán)格，非真空電子束焊也可實(shí)施，但由于電子散射而聚焦不好影響效果。電子束焊還有磁偏移和X射線問(wèn)題，由于電子帶電，會(huì)受磁場(chǎng)偏轉(zhuǎn)影響，故要求電子束焊工件焊前去磁處理。X射線在高壓下特別強(qiáng)，需對(duì)操作人員實(shí)施保護(hù)。激光焊則不需真空室和對(duì)工件焊前進(jìn)行去磁處理，它可在大氣中進(jìn)行，也沒(méi)有防X射線問(wèn)題，所以可在生產(chǎn)線內(nèi)聯(lián)機(jī)操作，也可焊接磁性材料。

工藝對(duì)比

優(yōu)缺點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)

（1）可將入熱量降到最低的需要量，熱影響區(qū)金相變化范圍小，且因熱傳導(dǎo)所導(dǎo)致的變形亦最低；

（2）32mm板厚單道焊接的焊接工藝參數(shù)業(yè)經(jīng)檢定合格，可降低厚板焊接所需的時(shí)間甚至可省掉填料金屬的使用；

（3）不需使用電極，沒(méi)有電極污染或受損的顧慮。且因不屬于接觸式焊接制程，機(jī)具的耗損及變形皆可降至最低；

（4）激光束易于聚焦、對(duì)準(zhǔn)及受光學(xué)儀器所導(dǎo)引，可放置在離工件適當(dāng)之距離，且可在工件周圍的機(jī)具或障礙間再導(dǎo)引，其他焊接法則因受到上述的空間限制而無(wú)法發(fā)揮；

（5）工件可放置在封閉的空間（經(jīng)抽真空或內(nèi)部氣體環(huán)境在控制下）；

（6）激光束可聚焦在很小的區(qū)域，可焊接小型且間隔相近的部件；

（7）可焊材質(zhì)種類范圍大，亦可相互接合各種異質(zhì)材料；

（8）易于以自動(dòng)化進(jìn)行高速焊接，亦可以數(shù)位或電腦控制；

（9）焊接薄材或細(xì)徑線材時(shí)，不會(huì)像電弧焊接般易有回熔的困擾；

（10）不受磁場(chǎng)所影響（電弧焊接及電子束焊接則容易），能精確的對(duì)準(zhǔn)焊件；

（11）可焊接不同物性（如不同電阻）的兩種金屬；

（12）不需真空，亦不需做X射線防護(hù)；

（13）若以穿孔式焊接，焊道深一寬比可達(dá)10:1；

（14）可以切換裝置將激光束傳送至多個(gè)工作站。

缺點(diǎn)

（1）焊件位置需非常精確，務(wù)必在激光束的聚焦范圍內(nèi)；

（2）焊件需使用夾治具時(shí)，必須確保焊件的最終位置需與激光束將沖擊的焊點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)；

（3）最大可焊厚度受到限制滲透厚度遠(yuǎn)超過(guò)19mm的工件，生產(chǎn)線上不適合使用激光焊接；

（4）高反射性及高導(dǎo)熱性材料如鋁、銅及其合金等，焊接性會(huì)受激光所改變；

（5）當(dāng)進(jìn)行中能量至高能量的激光束焊接時(shí)，需使用等離子控制器將熔池周圍的離子化氣體驅(qū)除，以確保焊道的再出現(xiàn)；

（6）能量轉(zhuǎn)換效率太低，通常低于10%；

（7）焊道快速凝固，可能有氣孔及脆化的顧慮；

（8）設(shè)備昂貴。

為了消除或減少激光焊接的缺陷，更好地應(yīng)用這一優(yōu)秀的焊接方法，提出了一些用其它熱源與激光進(jìn)行復(fù)合焊接的工藝，主要有激光與電弧、激光與等離子弧、激光與感應(yīng)熱源復(fù)合焊接、雙激光束焊接以及多光束激光焊接等。此外還提出了各種輔助工藝措施，如激光填絲焊（可細(xì)分為冷絲焊和熱絲焊）、外加磁場(chǎng)輔助增強(qiáng)激光焊、保護(hù)氣控制熔池深度激光焊、激光輔助攪拌摩擦焊等。