激光焊概述

0激光焊LEEMAN(SCETC)第二章激光焊教学目标：1.了解电子束焊接的原理、工艺特点、分类及应用范围；2.能够制定焊接工艺，熟悉基本操作方法与安全防护。1激光焊LEEMAN(SCETC)第一节激光焊概述激光焊（LaserBeamWelding，LBW）-----是利用能量密度极高的激光束作为热源的一种高效精密的焊接方法。与传统的焊接方法相比，激光焊具有能量密度高、穿透力强、精度高、适应性强等优点。作为现代高科技产物的激光焊，已成为现代工业发展必不可少的加工工艺。随着航空航天、电子、汽车制造、医疗及核工业的迅猛发展，产品零件结构形状越来越复杂，对材料性能的要求不断提高，对加工精度和接头质量的要求日益严格，同时企业对加工方法的生产效率、工作环境的要求也越来越高，传统的焊接方法难以满足要求，以激光束为代表的高能束流焊接方法，日益得到重视并获得了广泛的应用。2激光焊LEEMAN(SCETC)一、激光焊原理及特点（一）激光焊的原理激光---指激光活性物质或称工作物质受到激励，产生辐射，通过光放大而产生一种单色性好、方向性强、光亮度高的光束。激光经透射或反射镜聚焦后可获得直径小于0.01mm、功率密度高达106～1012w／cm2的能束，可用作焊接、切割及材料表面处理的热源。激光焊实质上是激光与非透明物质相互作用的过程，这个过程极其复杂，微观上是一个量子过程，宏观上则表现为反射、吸收、加热、熔化、汽化等现象。3激光焊LEEMAN(SCETC)1.激光的反射与吸收被反射金属自由电子密度越大，即电导率越大，对激光的反射率越高，金、银、铜、铝及其合金对激光的反射比其他金属材料要大得多。光亮的金属表面对激光有很强的反射作用。被焊件吸收激光焊的热效应取决于焊件吸收光束能量的程度，常用吸收率来表征。4激光焊LEEMAN(SCETC)影响激光吸收率的因素：金属的性质、温度金属对激光的吸收率随着温度的上升而增大，随着电阻率的增加而增大。室温时材料对激光的吸收率仅为10％以下，而在熔点以上吸收率将急剧提高。金属表面状态金属表面状态（氧化膜、表面粗糙度、表面涂层等）对入射激光的吸收影响较大。金属表面存在氧化膜可显著增大对波长为10.6μm激光的吸收率。金属表面越粗糙，对激光的吸收率越高。为增大激光吸收率，可对金属表面进行喷砂处理，应用机械或化学方法对金属表面进行涂层，都可有效增大金属对激光的吸收率。激光的波长激光器辐射波长越短，金属的反射系数就越小，所吸收的光能就越多。激光的功率密度激光焊时，激光光斑的功率密度超过阈值（大于106W／cm2），光子轰击金属表面导致汽化，金属对激光的吸收率就会发生变化。当材料没有发生汽化时，不论处于固相还是液相，其对激光的吸收仅随表面温度的升高而有较慢的变化；一旦材料出现汽化，蒸发的金属形成等离子体，可防止剩余能量被金属反射掉。如果被焊金属具有良好的导热性能，则会得到较大的熔深，形成小孔，从而大幅度提高激光吸收率。5激光焊LEEMAN(SCETC)2．材料的加热激光光子入射金属晶体光子与电子发生非弹性碰撞电子获得能量电子由低能级跃迁到高能级与其他电子碰撞以及与晶格的互相作用光子的能量转化为晶格的热振动能材料温度升高，材料表面及内部温度改变。金属内部电子间互相碰撞时，每个电子两次碰撞间的平均时间间隔为10-13s的数量级。6激光焊LEEMAN(SCETC)3．材料的熔化及汽化激光加工时，材料吸收的光能向热能的转换是在极短的时间（约为10-9s）内完成的。在这个时间内，热能仅仅局限于材料的激光辐射区，而后通过热传导，热量由高温区传向低温区。激光焊时，材料达到熔点所需的时间为微秒级。脉冲激光焊时，当材料表面吸收的功率密度为105w／cm2时，达到沸点的时间为几毫秒。当功率密度大于106w／cm2时，被焊材料会产生急剧的蒸发。在连续激光深熔焊接时，正是由于蒸发，蒸气压力和蒸气反作用力等能克服熔化金属表面张力以及液体金属静压力而形成“小孔”。形成的“小孔”类似于“黑洞”，它有助于对光束能量的吸收。另外，激光束射入小孔中时，显示出“壁聚焦效应”。由于激光束聚焦后不是平行光束，与孔壁间形成一定的入射角，激光束照射到孔壁上后，经多次反射而达到孔底，最终被完全吸收。7激光焊LEEMAN(SCETC)4．焊缝的形成激光焊过程中，工件和光束做相对运动，由于剧烈蒸发产生的表面张力使“小孔”前沿的熔化金属沿某一角度得到加速，在“小孔”后面的近表面处形成如图2－2所示的熔流。此后，“小孔”后方液态金属由于散热的结果，温度迅速降低，液态金属很快凝固，形成连续的焊缝。8激光焊LEEMAN(SCETC)（二）激光焊的特点1.优点焊缝深宽比大可获得深宽比大的焊缝，激光焊的深宽比目前已超过12：1，焊接厚件时可不开坡口一次成形。可焊材料多适宜于常规焊接方法难以焊接的材料，如难熔金属、热敏感性强的材料以及热物理性能、尺寸和体积差能殊的工件间焊接；也可用于非金属材料的焊接，如陶瓷、有机玻璃等。功率密度高聚焦后的激光束功率密度可达105～107w/cm2，甚至更高，加热速度快，热影响区窄，焊接应力和变形小，易于实现深熔焊和高速焊，特别适于精密焊接和微细焊接。可达性好可借助反射镜使光束达到一般焊接方法无法施焊的部位。YAG激光（钇铝石榴石固体激光器）和半导体激光可通过光导纤维传输，可达性好，特别适合于微型零件和远距离的焊接。不要求与焊缝区直接接触可穿过透明介质对密闭容器内的工件进行焊接，如可焊接置于玻璃密封容器内的被铍合金等剧毒材料。激光束不受电磁干扰，不存在X射线防护问题，也不需要真空保护。9激光焊LEEMAN(SCETC)2.激光焊的缺点：1）激光焊难以焊接反射率较高的金属。2）对焊件加工、组装、定位要求相对较高。3）设备一次性投资大。激光焊接的有力竞争对象是电子束焊接。与电子束焊相比，激光焊不需真空室，工件尺寸和形状等可以不受限制并易于实现加工自动化，不产生X射线，观察及对中方便。但电子束焊接比激光焊接能够获得更大的熔深，显然电子束焊对于厚板焊接更为有利。近年来，现代激光焊接技术开始向厚大板、高适应性、高效率和低成本的方向发展。随着新材料、新结构的出现，激光焊接技术将逐步取代一些传统的焊接工艺，在工业生产中占据重要地位。10激光焊LEEMAN(SCETC)11激光焊LEEMAN(SCETC)二、激光焊的分类按激光对工件的作用方式脉冲激光焊连续激光焊输入到工件上的能量是断续的、脉动的，每个激光脉冲在焊接过程中形成一个圆形焊点。在焊接过程中形成一条连续的焊缝。根据实际作用在工件上的功率密度传热焊深熔焊功率密度小于105w／cm2小孔焊，功率密度大于106w／cm212激光焊LEEMAN(SCETC)根据实际作用在工件上的功率密度传热焊深熔焊激光光斑的功率密度小于105w／cm2，焊接时，焊件表面将所吸收的激光能转变为热能后，其表面温度升高而熔化，然后通过热传导方式把热能传向金属内部，使熔化区迅速扩大，随后冷却凝固形成焊点或焊缝，其熔池形状近似为半球形。这种焊接机理称为传热焊，焊接过程类似于钨极氩弧焊.传热焊的特点：激光光斑的功率密度小，很大一部分激光被金属表面所反射，激光的吸收率较低，熔深浅，焊点小，主要用于厚度小于1mm的薄板，小零件的精密焊接加工。激光光斑的功率密度大于106w／cm2，激光束照射金属表面其温度在极短的时间内（10-6～10-8s）升高到沸点，使金属熔化和汽化，金属蒸气对熔池的液态金属产生一个附加压力，在激光光斑下产生一个小凹坑。激光束在小孔底部继续加热，使小坑进一步加深，最后形成小孔；另一方面，向坑外逸出的蒸气将熔化的金属挤向熔池四周。当光束能量所产生的金属蒸气的反冲压力与液态金属的表面张力和重力平衡后，小孔不再继续加深，形成一个深度稳定的孔而实现焊接，因此称之为激光深熔焊。13激光焊LEEMAN(SCETC)14激光焊LEEMAN(SCETC)光斑功率密度很大时，所产生的小孔将贯穿整个板厚，形成深穿透焊缝（或焊点）。在连续激光焊时，小孔随着光束相对于工件而沿焊接方向前进。金属在小孔前方熔化，随后绕过小孔流向后方，冷却凝固形成焊缝。深熔焊的激光束可深入到焊件内部，形成深宽比较大的焊缝。如果激光功率足够大而材料相对较薄，激光焊形成的小孔贯穿整个板厚且背面可以接收到部分激光，这种方法被称为激光小孔效应焊，即穿透焊。为了焊透，需要一定的激光功率，通常每焊透1mm的板厚，需要激光功率1kw。15激光焊LEEMAN(SCETC)三、激光焊的应用近年来，多种新型高功率激光器在工业生产中陆续出现，使激光焊接技术对传统焊接工艺带来了巨大的冲击，激光焊接技术也开始朝着更加多样化、实用化及高效化的方向发展。如激光一钎焊、激光一电弧复合焊、激光一压焊等，进一步拓宽了激光焊的应用范围。16激光焊LEEMAN(SCETC)激光焊接技术在汽车行业的运用激光焊接在汽车工业中最主要就是应用在汽车车身的焊接和拼接坯板焊接上。拼接坯板大大降低了模具数量，增加了材料利用率，而且可以在强度要求不同的部位采用不同厚度的坯板，可以一次冲压成型，减轻了重量，提高了精度，还使得抗腐蚀性和安全性能都有大幅度提高，车身结构也大大简化。采用激光焊接工艺使车身的抗冲击性和抗疲劳性都可以得到显著改善，提高汽车的品质。采用激光焊接几乎可以把所有不分厚度、牌号、种类、等级的材料焊接在一起，制成各种形状的零件，大大提高汽车设计的灵奥迪A8的激光焊接17激光焊LEEMAN(SCETC)第二节激光焊设备与焊接工艺一、激光焊设备激光器光束传输聚焦系统焊枪工作台电源控制装置气源水源操作盘数控装置18激光焊LEEMAN(SCETC)（一）激光器激光器是产生受激辐射光并将其放大的装置，是激光焊接设备的核心部分。根据激光器中工作物质的形态不同：固体激光器液体激光器气体激光器由激光工作物质（红宝石、YAG或钛玻璃棒）、聚光器、谐振（全反射镜和输出窗口）、泵灯、电源及控制装置组成。常用的是染料激光器，采用有机染料为工作物质，利用不同的染料可以获得不同波长的激光（在可见光范围内）He-Ne、CO2、Ar激光器等，焊接和切割所用气体激光器大多是CO2激光器，其工作气体主要成分是CO2、N2和He气体。半导体激光器常用的有砷化钾激光器YAG（钇铝石榴石）19激光焊LEEMAN(SCETC)焊接与切割用的激光器主要是固体激光器和CO2气体激光器。极有发展前途的高功率半导体二极管激光器，随着其可靠性和使用寿命的提高及价格的降低，在某些焊接领域将替代YAG（钇铝石榴石）固体激光器和CO2气体激光器。20激光焊LEEMAN(SCETC)21激光焊LEEMAN(SCETC)（二）光束传输及聚焦系统光束传输及聚焦系统又称为外部光学系统，用于把激光束传输并聚焦到工件上。反射镜用于改变光束的方向，球面反射镜或透镜用来聚焦。在固体激光器中，常用光学玻璃制造反射镜和透镜。而对于CO2激光焊设备，由于激光波长较长，常用钢或反射率高的金属制造反射镜，用GaAs（砷化镓）或ZnSe(硒化锌)制造透镜。透射式聚焦用于中、小功率的激光加工设备，而反射式聚焦用于大功率激光加工设备。22激光焊LEEMAN(SCETC)(三）光束检测器光束检测器主要用于检测激光器的输出功率或输出能量，并通过控制系统对功率或能量进行控制。（四）气源和电源目前的CO2激光器采用CO2、N2、He(或Ar)混合气体作为工作介质，其体积配比为7：33：60。He、N2均为辅助气体，混合后的气体可提高输出功率5～10倍。但He气价格昂贵，选用时应考虑其成本。为了保证激光器稳定运行，一般采用响应快、恒稳性高的电子控制电源。（五）工作台和控制系统伺服电动机驱动的工作台可供安放工件实现激光焊接或切割。激光焊的控制系统多采用数控系统。23激光焊LEEMAN(SCETC)二、激光焊工艺（一）激光焊的能源特性激光焊接是将光能转化为热能达到熔化工件实现焊接的。为了更好地应用激光焊，首先应掌握激光的能源特性。功率密度吸收率离焦量24激光焊LEEMAN(SCETC)1．功率密度激光