激光技術(shù)在焊接加工方面的應用與研究

激光技術(shù)在焊接加工方面的應用與研究
        一、激光加工技術(shù)概述
        自20世紀60年代以來激光加工的類型不斷發(fā)展完善，現(xiàn)己形成激光加工的十幾種自用工藝。由于激光加工技術(shù)與傳統(tǒng)加工工藝相比有著許多無可比擬的優(yōu)越性，所以敷光加工技術(shù)己得到了越來越廣泛的應用。其獨特的優(yōu)點為：可局部加熱，元件不易產(chǎn)生熱損傷；非接觸式加熱；重復操作穩(wěn)定性佳；加工靈活性好；易實現(xiàn)多工位裝置自動化等。在微電子行業(yè)這一領(lǐng)域中己被成功應用。
        從20世紀60年代第一臺激光器問世以來，激光加工的類型不斷發(fā)展完善，現(xiàn)己形成激光打標、激光切割、激光焊接、激光打孔、激光表面熱處理、激光熔覆、激光快速成型、激光強化、激光微制造等十幾種應用工藝。激光加工從電子芯片到轎車、飛機和船舶的生產(chǎn)制造都是不可或缺的重要工具。它與傳統(tǒng)的加工方法相比，是無接觸、無作用力、熱影響小、清潔和可進一些面內(nèi)加工的一種加工方法。利用電腦編程與激光加工設備緊密結(jié)合，很容易實現(xiàn)數(shù)字化控制，當之無愧被譽為“萬能的加工工具”。現(xiàn)在一般的激光加工都采用了多項先進技術(shù)，多功能集成度高、實用性強、自動化程度高、操作簡單、結(jié)果直觀?？捎糜诟鞣N零件的激光表面處理、各種材料的激光切割、激光焊接、多種字體的漢字及西文字符的刻、切。加工過程中可實現(xiàn)動態(tài)同步跟蹤顯示。具有程序錯誤自動診斷、限位保護等功能。
        激光加工是激光應用最有發(fā)展前途的領(lǐng)域，現(xiàn)在己開發(fā)出20多種激光加工技術(shù)。激光的空間控制性和時間控制性很好，對加工對象的材質(zhì)、形狀、尺寸和加工環(huán)境的自由度都很大，特別適用于自動化加工。激光加工系統(tǒng)與計算機數(shù)控技術(shù)相結(jié)合可構(gòu)成高效自動化加工設備，己成為企業(yè)實行適時生產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)，為優(yōu)質(zhì)、高效和低成本的加工生產(chǎn)開辟了廣闊的前景。目前己成熟的激光加工技術(shù)包括：激光切割技術(shù)、激光焊接技術(shù)、激光打標技術(shù)、激光快速成形技術(shù)、激光打孔技術(shù)、激光去重平衡技術(shù)、激光蝕刻技術(shù)、激光微調(diào)技術(shù)、激光存儲技術(shù)、激光劃線技術(shù)、激光清洗技術(shù)、激光熱處理和表面處理技術(shù)。
        二、激光加工技術(shù)在焊接領(lǐng)域的應用
        激光焊接是激光材料加工技術(shù)應用的重要方面之一。20世紀70年代主要用于焊接，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，己成功應用于微、小型零件的精密焊接中。高功率C02及高功率YAG激光器的出現(xiàn)以及光纖傳輸技術(shù)的完善，開辟了激光焊接的新領(lǐng)域。其在機械、汽車、鋼鐵、微電子行業(yè)等領(lǐng)域的應用越來越廣與其它焊接技術(shù)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、可焊接難熔材料如欽、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(shù)中采用了光纖傳輸技術(shù)，使激光焊接技術(shù)獲得了更為廣泛的推廣和應用。
        三、激光焊接技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀
        在國外，激光焊接的應用己極為普遍，幾乎涉及到各個工業(yè)領(lǐng)域，僅以汽車工業(yè)為例，據(jù)國外專家預測，汽車零件中有50%以上可以用激光加工，除激光切割、打孔外，激光焊接占40%，80年代以來，國外激光焊接設備的年增長率為25%以上。
        目前國內(nèi)激光焊接工藝，正從實驗室逐步應用于工業(yè)生產(chǎn)，在“七五”期間，又完成了許多聯(lián)齒輪激光焊接、熱軋硅鋼片焊接、雙金屬鋸條焊接及電容殼體激光焊接等一批具有較高水平的激光焊接工藝研究課題，使我國激光焊接的應用向前邁進了重要的一步。
        四、激光技術(shù)的原理
        激光加工全稱：受激輻射的光放大，自發(fā)輻射是在沒有任何外界作用下，激發(fā)態(tài)原子自發(fā)地從高能級向低能級躍遷，同時輻射出一光子。能夠?qū)崿F(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的介質(zhì)稱為激活介質(zhì)。要造成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，首先要求介質(zhì)有適當?shù)哪芗壗Y(jié)構(gòu)，其次還要有必要的能量輸入系統(tǒng)。供給低能態(tài)的原子以能量，促使它們躍遷到高能態(tài)去的過程稱為抽運過程。在激光器中利用光學諧振腔來形成所要求的強輻射場，使輻射場能量密度遠遠大于熱平衡時的數(shù)值，從而使受激輻射概率遠遠大于自發(fā)輻射概率。
        光學諧振腔的主要部分是兩個互相平行的并與激活介質(zhì)軸線垂直的反射鏡，有一個是全反射鏡，另一個是部分反射鏡。在外界通過光、熱、電、化學或核能等各種方式的激勵下，諧振腔內(nèi)的激活介質(zhì)將會在兩個能級之間實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。這時產(chǎn)生受激輻射，在產(chǎn)生的受激輻射光中，沿軸向傳播的光在兩個反射鏡之間來回反射、往復通過己實現(xiàn)了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的激活介質(zhì)，不斷引起新的受激輻射，使軸向行進的該頻率的光得到放大，這個過程稱為光振蕩。這是一種雪崩式的放大過程，使諧振腔內(nèi)沿軸向的光驟然增強，所以輻射場能量密度大大增強，受激輻射遠遠超過自發(fā)輻射.這種受激的輻射光從部分反射鏡輸出，它就是激光。
        五、激光器的種類與激光焊接工藝方法
        按照激光產(chǎn)生的原理不同，激光器分為以下幾種：C02氣體激光器、固體激光器、半導體激光器、光纖激光器。
        激光的焊接工藝有激光釬焊。激光釬焊是以激光作為加熱源，輻射加熱焊盤，通過焊料向基板傳熱，當溫度達到釬焊溫度時，焊料熔化，基板焊盤潤濕，形成焊點。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(shù)。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。
        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。
        在國外，激光焊接的應用己極為普遍，幾乎涉及到各個工業(yè)領(lǐng)域。在國內(nèi)，激光悍接工藝正從實驗室逐步應用于工業(yè)生產(chǎn)，并完成了許多具有較高水平的激光焊接工藝研究課題，使我國激光焊接的應用向前邁進了重要的一步。