什么是激光焊接:激光焊接是激光材料加工技術應用的重要方面之一，又常稱為激光焊機、鐳射焊機，按其工作方式�？煞譃榧す饽＞邿笝C（手動焊接機）、自動激光焊接機、激光點焊機、光纖傳輸激光焊接機，光焊接是利用高能量的激光脈沖對材料進行微小區(qū)域內(nèi)的局部加熱，激光輻射的能量通過熱傳導向材料的內(nèi)部擴散，將材料熔化后形成特定熔池以達到焊接的目的。
一、激光焊接的主要特性。
20世紀70年代主要用于焊接薄壁材料和低速焊接，焊接過程屬熱傳導型，即激光輻射加熱工件表面，表面熱量通過熱傳導向內(nèi)部擴散，通過控制激光脈沖的寬度、能量、峰值功率和重復頻率等參數(shù)，使工件熔化，形成特定的熔池。由于其獨特的優(yōu)點，已成功應用于微、小型零件的精密焊接中。
高功率CO2及高功率YAG激光器的出現(xiàn)，開辟了激光焊接的新領域。獲得了以小孔效應為理論基礎的深熔焊接，在機械、汽車、鋼鐵等工業(yè)領域獲得了日益廣泛的應用。
與其它焊接技術相比，激光焊接的主要優(yōu)點是：
1、速度快、深度大、變形小。
2、能在室溫或特殊條件下進行焊接，焊接設備裝置簡單。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)馐该鞯牟牧线M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，功率密度高，在高功率器件焊接時，深寬比可達5：1，最高可達10：1。
5、可進行微型焊接。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，施行非接觸遠距離焊接，具有很大的靈活性。尤其是近幾年來，在YAG激光加工技術中采用了光纖傳輸技術，使激光焊接技術獲得了更為廣泛的推廣和應用。
7、激光束易實現(xiàn)光束按時間與空間分光，能進行多光束同時加工及多工位加工，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不到要求，很容易造成焊接缺憾。
2、激光器及其相關系統(tǒng)的成本較高，一次性投資較大。
二、激光焊接熱傳導。
激光焊接是將高強度的激光束輻射至金屬表面，通過激光與金屬的相互作用，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
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鍵的參數(shù)之一。采用較高的功率密度，在微秒時間范圍內(nèi)，表層即可加熱至沸點，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、雕刻有利。對于較低功率密度，表層溫度達到沸點需要經(jīng)歷數(shù)毫秒，在表層汽化前，底層達到熔點，易形成良好的熔融焊接。因此，在傳導型激光焊接中，功率密度在范圍在104~106W/CM2。
2、激光脈沖波形。
激光脈沖波形在激光焊接中是一個重要問題，尤其對于薄片焊接更為重要。當高強度激光束射至材料表面，金屬表面將會有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)，也是決定加工設備造價及體積的關鍵參數(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做文章一，因為激光焦點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：正離焦與負離焦。焦平面位于工件上方為正離焦，反之為負離焦。按幾何光學理論，當正負離做文章一相等時，所對應平面上功率密度近似相同，但實際上所獲得的熔池形狀不同。負離焦時，可獲得更大的熔深，這與熔池的形成過程有關。實驗表明，激光加熱50~200us材料開始熔化，形成液相金屬并出現(xiàn)問分汽化，形成市壓蒸汽，并以極高的速度噴射，發(fā)出耀眼的白光。與此同時，高濃度汽體使液相金屬運動至熔池邊緣，在熔池中心形成凹陷。當負離焦時，材料內(nèi)部功率密度比表面還高，易形成更強的熔化、汽化，使光能向材料更深處傳遞。所以在實際應用中，當要求熔深較大時，采用負離焦；焊接薄材料時，宜用正離焦。
四、激光焊接工藝方法。
1、片與片間的焊接。
包括對焊、端焊、中心穿透熔化焊、中心穿孔熔化焊等4種工藝方法。
2、絲與絲的焊接。
包括絲與絲對焊、交叉焊、平行搭接焊、T型焊等4種工藝方法。
3、金屬絲與塊狀元件的焊接。
采用激光焊接可以成功的實現(xiàn)金屬絲與塊狀元件的連接，塊狀元件的尺寸可以任意。在焊接中應注意絲狀元件的幾何尺寸。
4、不同金屬的焊接。
焊接不同類型的金屬要解決可焊性與可焊參數(shù)范圍。不同材料之間的激光焊接只有某些特定的材料組合才有可能。
五、激光釬焊。
有些元件的連接不宜采用激光熔焊，但可利用激光作為熱源，施行軟釬焊與硬釬焊，同樣具有激光熔焊的優(yōu)點。采用釬焊的方式有多種，其中，激光軟釬焊主要用于印刷電路板的焊接，尤其實用于片狀元件組裝技術。采用激光軟釬焊與其它方式相比有以下優(yōu)點：
1、由于是局部加熱，元件不易產(chǎn)生熱損傷，熱影響區(qū)小，因此可在熱敏元件附近施行軟釬焊。
2、用非接觸加熱，熔化帶寬，不需要任何輔助工具，可在雙面印刷電路板上雙面元件裝備后加工。
3、重復操作穩(wěn)定性好。焊劑對焊接工具污染小，且激光照射時間和輸出功率易于控制，激光釬焊成品率高。
4、激光束易于實現(xiàn)分光，可用半透鏡、反射鏡、棱鏡、掃描鏡等光學元件進行時間與空間分割，能實現(xiàn)多點同時對稱焊。
5、激光釬焊多用波長1.06um的激光作為熱源，可用光纖傳輸，因此可在常規(guī)方式不易焊接的部位進行加工，靈活性好。
6、聚焦性好，易于實現(xiàn)多工位裝置的自動化。
六、激光深熔焊。
1、冶金過程及工藝理論。
激光深熔焊冶金物理過程與電子束焊極為相似，即能量轉(zhuǎn)換機制是通過“小孔”結構來完成的。在足夠高的功率密度光束照射下，材料產(chǎn)生蒸發(fā)形成小孔。這個充滿蒸汽的小孔猶如一個黑體，幾乎全部吸收入射光線的能量，孔腔內(nèi)平衡溫度達25000度左右。熱量從這個高溫孔腔外壁傳遞出來，使包圍著這個孔腔的金屬熔化。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)金屬四周即圍著固體材料。孔壁外液體流動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態(tài)平衡。光束不斷進入小孔，小孔外材料在連續(xù)流動，隨著光束移動，小孔始終處于流動的穩(wěn)定態(tài)。就是說，小孔和圍著孔壁的熔融金屬隨著前導光束前進速度向前移動，熔融金屬填充著小孔移開后留下的空隙并隨之冷凝，焊縫于是形成。
2、影響因素。
對激光深熔焊產(chǎn)生影響的因素包括：激光功率，激光束直徑，材料吸收率，焊接速度，保護氣體，透鏡焦長，焦點位置，激光束位置，焊接起始和終止點的激光功率漸升、漸降控制。
3、激光深熔焊的特征及優(yōu)點。
特征：（1）高的深寬比。因為熔融金屬圍著圓柱形高溫蒸汽腔體形成并延伸向工件，焊縫就變得深而窄。（2）最小熱輸入。因為源腔溫度很高，熔化過程發(fā)生得極快，輸入工件熱量極低，熱變形和熱影響區(qū)很小。（3）高致密性。因為充滿高溫蒸汽的小孔有利于熔接熔池攪拌和氣體逸出，導致生成無氣孔熔透焊接。焊后高的冷卻速度又易使焊縫組織微細化。（4）強固焊縫。（5）精確控制。（6）非接觸，大氣焊接過程。
優(yōu)點：（1）由于聚焦激光束比常規(guī)方法具有高得多的功率密度，導致焊接速度快，熱影響區(qū)和變形都較小，還可以焊接鈦、石英等難焊材料。（2）因為光束容易傳輸和控制，又不需要經(jīng)常更換焊炬、噴嘴，顯著減少停機輔助時間，所以有荷系數(shù)和生產(chǎn)效率都高。（3）由于純化作用和高的冷卻速度，焊縫強，綜合性能高。（4）由于平衡熱輸入低，加工精度高，可減少再加工費用。另外，激光焊接的動轉(zhuǎn)費用也比較低，可以降低生產(chǎn)成本。（5）容易實現(xiàn)自動化，對光束強度與精細定位能進行有效的控制。
4、激光深熔焊設備。
激光深熔焊通常選用連續(xù)波CO2激光器，這類激光器能維持足夠高的輸出功率，產(chǎn)生“小孔”效應，熔透整個工件截面，形成強韌的焊接接頭。
就激光器本身而言，它只是一個能產(chǎn)生可作為熱源、方向性好的平行光束的裝置。如果把它導向和有效處理后射向工件，其輸入功率就具有強的相容性，使之能更好的適應自動化過程。
為了有效實施焊接，激光器和其他一
一起共同組成一個大的焊接系統(tǒng)。這個系統(tǒng)包括激光器、光束傳輸組件、工件的裝卸和移動裝置，還有控制裝置。這個系統(tǒng)可以是僅由操作者簡單地手工搬運和固定工件，也可以是包括工件能自動的裝、卸、固定、焊接、檢驗。這個系統(tǒng)的設計和實施的總要求是可獲得滿意的焊接質(zhì)量和高的生產(chǎn)效率。
七、鋼鐵材料的激光焊接。
1、碳鋼及普通合金鋼的激光焊接。
總的說，碳鋼激光焊接效果良好，其焊接質(zhì)量取決于雜質(zhì)含量。就象其它焊接工藝一樣，硫和磷是產(chǎn)生焊接裂紋的敏感因素。
為了獲得滿意的焊接質(zhì)量，碳含量超過0.25%時需要預熱。當不同含碳量的鋼相互焊接時，焊炬可稍偏向低碳材料一邊，以確保接頭質(zhì)量。
低碳沸騰鋼由于硫、磷的含量高，并不適合激光焊接。低碳鎮(zhèn)靜鋼由于低的雜質(zhì)含量，焊接效果就很好。
中、高碳鋼和普通合金鋼都可以進行良好的激光焊接，但需要預熱和焊后處理，以消除應力，避免裂紋形成。
2、不銹鋼的激光焊接。
一般的情況下，不銹鋼激光焊接比常規(guī)焊接更易于獲得優(yōu)質(zhì)接頭。由于高的焊接速度熱影響區(qū)很小，敏化不成為重要問題。與碳鋼相比，不銹鋼低的熱導系數(shù)更易于獲得深熔窄焊縫。
3、不同金屬之間的激光焊接。
激光焊接極高的冷卻速度和很小的熱影響區(qū)，為許多不同金屬焊接融化后有不同結構的材料相容創(chuàng)造了有利條件。現(xiàn)已證明以下金屬可以順利進行激光深熔焊接：不銹鋼~低碳鋼，416不銹鋼~310不銹鋼，347不銹鋼~HASTALLY鎳合金，鎳電極~冷鍛鋼，不同鎳含量的雙金屬帶。
激光焊接技術原理：激光焊接是把能量密度很高的激光束照射到工件上，使工件受熱熔化，然后冷卻得到焊縫。
激光焊接技術特點：激光焊接具有溶池凈化效應，能純凈焊縫金屬，適用于相同或不同材質(zhì)、厚度的金屬間的焊接，對高熔點、高反射率、高導熱率和物理特性相差很大的金屬焊接特別有利。激光束可以被聚得很細，光斑能量密度很高，幾乎可以氣化所有的材料，有廣泛的適用性；激光功率可控，易于實現(xiàn)自動化；激光束功率密度很高，焊縫熔深大，速度快，效率高；激光焊縫窄，熱影響區(qū)很小，工件變形很小，可實現(xiàn)精密焊接；激光焊縫組織均勻，晶粒很小，氣孔少，夾雜缺陷少，在機械性能、抗蝕性能和電磁學性能上優(yōu)于常規(guī)焊接方法。
激光－電弧復合是激光焊接的主要手段，通過激光與電弧的相互影響，產(chǎn)生良好的復合效應。深熔焊接時，激光產(chǎn)生的等離子體有利于電弧的穩(wěn)定；可提高加工效率；可提高焊接性差的材料諸如鋁合金、雙相鋼等的焊接性；可增加焊接的穩(wěn)定性和可靠性。
激光焊接技術應用：鋁質(zhì)車身數(shù)量的增長，將加速激光焊接在汽車制造中的應用。奧迪公司A2型轎車全鋁車身采用激光焊接的部件，其焊縫總長達30m。鋁材料使用激光焊的主要優(yōu)點是：焊接速度快。與傳統(tǒng)的車身點焊技術相比，經(jīng)激光焊接的部位，其強度和剛性更好。此外，激光焊可省掉焊接凸緣，這無疑可減少材料消耗，有利于汽車自身重量的下降。激光焊既可使鋁薄板與鋁薄板（件）之間實現(xiàn)聯(lián)接，亦可使鋁薄板（件）與鋁鑄件相聯(lián)接。
另一種應用就是對塑料件進行激光束透射焊接。如將一種透明的塑料件與另一種帶有吸附充填材料的塑料件相聯(lián)接。激光束穿透上部透明的塑
件瞬間熔化，通過熔化膨脹將上部件濕潤并局部熔化，上下零件焊接在一起。BLZ開發(fā)出一種安全氣囊控制裝置的（塑料）外殼激光束透射焊接技術，采用的是二極管激光器，與傳統(tǒng)的焊接技術相比，不僅工藝過程柔性高，而且電子部件也很少受到焊接過程產(chǎn)生的機械和熱損害。
最近，德國弗朗霍夫?qū)W會德累斯頓材料及射束工藝研究所研發(fā)出一種感應輔助式激光束焊接新工藝，偉世通公司已將之應用于福特公司轎車
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