【激光焊接】激光焊接原理_激光焊接設備有哪些

【激光焊接】激光焊接原理 激光焊接設備有哪些

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應用的重要方面之一。20世紀70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，使工件熔化，形成特定的熔池。由于其獨特的優點，已成功應用于微、小型零件的精密焊接中。

中國的激光焊接處于世界先進水平，具備了使用激光成形超過12平方米的復雜鈦合金構件的技術和能力，并投入多個國產航空科研項目的原型和產品制造中。201310，中國焊接專家獲得了焊接領域最高學術獎--布魯克獎，中國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或脈沖激光束加以實現，激光焊接的原理可分為熱傳導型焊接和激光深熔焊接。功率密度小于104~105W/cm2為熱傳導焊，此時熔深淺、焊接速度慢；功率密度大于105~107W/cm2時，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。

其中熱傳導型激光焊接原理為：激光輻射加熱待加工表面，表面熱量通過熱傳導向內部擴散，通過控制激光脈沖的寬度、能量、峰功率和重復頻率等激光參數，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主要涉及激光深熔焊接。

激光深熔焊接一般采用連續激光光束完成材料的連接，其冶金物理過程與電子束焊接極為相似，即能量轉換機制是通過“小孔”（Key-hole）結構來完成的。在足夠高的功率密度激光照射下，材料產生蒸發并形成小孔。這個充滿蒸氣的小孔猶如一個黑體，幾乎吸收全部的入射光束能量，孔腔內平衡溫度達25000C左右，熱量從這個高溫孔腔外壁傳遞出來，使包圍著這個孔腔四周的金屬熔化。小孔內充滿在光束照射下壁體材料連續蒸發產生的高溫蒸汽，小孔四壁包圍著熔融金屬，液態金屬四周包圍著固體材料（而在大多數常規焊接過程和激光傳導焊接中，能量首先沉積于工件表面，然后靠傳遞輸送到內部）。孔壁外液體流動和壁層表面張力與孔腔內連續產生的蒸汽壓力相持并保持著動態平衡。光束不斷進入小孔，小孔外的材料在連續流動，隨著光束移動，小孔始終處于流動的穩定狀態。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，熔融金屬充填著小孔移開后留下的空隙并隨之冷凝，焊縫于是形成。上述過程的所有這一切發生得如此快，使焊接速度很容易達到每分鐘數米。

激光焊接設備有哪些

由光學震蕩器及放在震蕩器空穴兩端鏡間的介質所組成。介質受到激發至高能量狀態時，開始產生同相位光波且在兩端鏡間來回反射，形成光電的串結效應，將光波放大，并獲得足夠能量而開始發射出激光。

激光亦可解釋成將電能、化學能、熱能、光能或核能等原始能源轉換成某些特定光頻（紫外光、可見光或紅外光）的電磁輻射束的一種設備。轉換形態在某些固態、液態或氣態介質中很容易進行。當這些介質以原子或分子形態被激發，便產生相位幾乎相同且近乎單一波長的光束-激光。由于具同相位及單一波長，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長。

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紅外光。Nd：YAG激光產生的光束主要是近紅外光，波長為1.06Lm，熱導體對這種波長的光吸收率較高，對于大部分金屬，它的反射率為20%~30%。只要使用標準的光鏡就能使近紅外波段的光束聚焦為直徑0.25mm。CO2激光的光束為遠紅外光，波長為10.6Lm，大部分金屬對這種光的反射率達到80%~90%，需要特別的光鏡把光束聚焦成直徑為0.75-0.1mm。Nd：YAG激光功率一般能達到4000~6000W左右，現在最大功率已達到10000W。而CO2激光功率卻能輕易達到20000W甚至更大。

大功率的CO2激光通過小孔效應來解決高反射率的問題，當光斑照射的材料表面熔化時形成小孔，這個充滿蒸氣的小孔猶如一個黑體，幾乎全部吸收入射光線的能量，孔腔內平衡溫度達25000e左右，在幾微秒的時間內，反射率迅速下降。CO2激光器的發展重點雖然仍集中于設備的開發研制，但已不在于提高最大的輸出功率，而在于如何提高光束質量及其聚焦性能。另外，CO2激光10kW以上大功率焊接時，若使用氬氣保護氣體，常誘發很強的等離子體，使熔深變淺。因此，CO2激光大功率焊接時，常使用不產生等離子體的氦氣作為保護氣體。

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

工藝參數

（1）功率密度。功率密度是激光加工中最關鍵的參數之一。采用較高的功率密度，在微秒時間范圍內，表層即可加熱至沸點，產生大量汽化。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歷數毫秒，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，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之一，它既是區別于材料去除和材料熔化的重要參數，也是決定加工設備造價及體積的關鍵參數。

（4）離焦量對焊接質量的影響。激光焊接通常需要一定的離焦量，因為激光焦點處光斑中心的功率密度過高，容易蒸發成孔。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，當正負離焦平面與焊接平面距離相等時，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部分汽化，形成高壓蒸汽，并以極高的速度噴射，發出耀眼的白光。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。

（5）焊接速度。焊接速度的快慢會影響單位時間內的熱輸入量，焊接速度過慢，則熱輸入量過大，導致工件燒穿，焊接速度過快，則熱輸入量過小，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元件（如鏡子）導引，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，作業過程不需加壓，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復合焊，實現大熔深焊接，同時熱輸入量比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：它用來焊接薄金屬件，在兩個電極間夾緊被焊工件通過大的電流熔化電極接觸的表面，即通過工件電阻發熱來實施焊接。工件易變形，電阻焊通過接頭兩邊焊合，而激光焊只從單邊進行，電阻焊所用電極需經常維護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并不接觸工件，再者，光束還可進入常規焊難以焊及的區域，焊接速度快。

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

3.等離子弧焊：與氬弧類似，但其焊炬會產生壓縮電弧，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產生巨大的熱，形成"小孔"效應，從而實施深熔焊接。電子束焊的主要缺點是需要高真空環境以防止電子散射，設備復雜，焊件尺寸和形狀受到真空室的限制，對焊件裝配質量要求嚴格，非真空電子束焊也可實施，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射線問題，由于電子帶電，會受磁場偏轉影響，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，需對操作人員實施保護。激光焊則不需真空室和對工件焊前進行去磁處理，它可在大氣中進行，也沒有防X射線問題，所以可在生產線內聯機操作，也可焊接磁性材料。

工藝對比

優缺點

優點

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

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

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

（4）激光束易于聚焦、對準及受光學儀器所導引，可放置在離工件適當之距離，且可在工件周圍的機具或障礙間再導引，其他焊接法則因受到上述的空間限制而無法發揮；

（5）工件可放置在封閉的空間（經抽真空或內部氣體環境在控制下）；

（6）激光束可聚焦在很小的區域，可焊接小型且間隔相近的部件；

（7）可焊材質種類范圍大，亦可相互接合各種異質材料；

（8）易于以自動化進行高速焊接，亦可以數位或電腦控制；

（9）焊接薄材或細徑線材時，不會像電弧焊接般易有回熔的困擾；

（10）不受磁場所影響（電弧焊接及電子束焊接則容易），能精確的對準焊件；

（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；

（13）若以穿孔式焊接，焊道深一寬比可達10:1；

（14）可以切換裝置將激光束傳送至多個工作站。

缺點

（1）焊件位置需非常精確，務必在激光束的聚焦范圍內；

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

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

（4）高反射性及高導熱性材料如鋁、銅及其合金等，焊接性會受激光所改變；

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

（6）能量轉換效率太低，通常低于10%；

（7）焊道快速凝固，可能有氣孔及脆化的顧慮；

（8）設備昂貴。

為了消除或減少激光焊接的缺陷，更好地應用這一優秀的焊接方法，提出了一些用其它熱源與激光進行復合焊接的工藝，主要有激光與電弧、激光與等離子弧、激光與感應熱源復合焊接、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（可細分為冷絲焊和熱絲焊）、外加磁場輔助增強激光焊、保護氣控制熔池深度激光焊、激光輔助攪拌摩擦焊等。