激光焊接原理講解
文章出處:未知 人氣:-發(fā)表時間:2019-11-12 09:25
激光焊接是激光材料加工技術(shù)應(yīng)用的重要方面之一,又常稱為激光焊機(jī)、鐳射焊機(jī),按其工作方式??煞譃榧す饽>邿笝C(jī)(手動焊接機(jī))、自動激光焊接機(jī)、激光點(diǎn)焊機(jī)、光纖傳輸激光焊接機(jī),光焊接是利用高能量的激光脈沖對材料進(jìn)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(dǎo)向材料的內(nèi)部擴(kuò)散,將材料熔化后形成特定熔池以達(dá)到焊接的目的。
一、激光焊接的主要特性。
20世紀(jì)70年代主要用于焊接薄壁材料和低速焊接,焊接過程屬熱傳導(dǎo)型,即激光輻射加熱工件表面,表面熱量通過熱傳導(dǎo)向內(nèi)部擴(kuò)散,通過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。
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(lǐng)域。獲得了以小孔效應(yīng)為理論基礎(chǔ)的深熔焊接,在機(jī)械、汽車、鋼鐵等工業(yè)領(lǐng)域獲得了日益廣泛的應(yīng)用。
與其它焊接技術(shù)相比,激光焊接的主要優(yōu)點(diǎn)是:
1、速度快、深度大、變形小。
2、能在室溫或特殊條件下進(jìn)行焊接,焊接設(shè)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(jìn)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(dá)5:1,最高可達(dá)10:1。
5、可進(jìn)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(yīng)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(yuǎn)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(yīng)用。
7、激光束易實現(xiàn)光束按時間與空間分光,能進(jìn)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(dá)不到要求,很容易造成焊接缺憾。
2、激光器及其相關(guān)系統(tǒng)的成本較高,一次性投資較大。
二、激光焊接熱傳導(dǎo)。
激光焊接是將高強(qiáng)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、等離子體形成等。然而,要實現(xiàn)良好的熔融焊接,必須使金屬熔化成為能量轉(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(guān)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(dá)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(guān)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(diǎn),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(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(dāng)高強(qiáng)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(shè)備造價及體積的關(guān)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(diǎn)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(diǎn)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(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)離做文章一相等時,所對應(yīng)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(fù)離焦時,可獲得更大的熔深,這與熔池的形成過程有關(guān)。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(yùn)動至熔池邊緣,在熔池中心形成凹陷。當(dāng)負(fù)離焦時,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。所以在實際應(yīng)用中,當(dāng)要求熔深較大時,采用負(fù)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(yīng)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(diǎn)。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(diǎn):
、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(fù)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(xué)元件進(jìn)行時間與空間分割,能實現(xiàn)多點(diǎn)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(jìn)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?yán)碚摗?br /> 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(jī)制是通過“小孔”結(jié)構(gòu)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(dá)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(jìn)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(dǎo)光束前進(jìn)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(hù)氣體,透鏡焦長,焦點(diǎn)位置,激光束位置,焊接起始和終止點(diǎn)的激光功率漸升、漸降控制。
3、激光深熔焊的特征及優(yōu)點(diǎn)。
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(dǎo)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(xì)化。(4)強(qiáng)固焊縫。(5)精確控制。(6)非接觸,大氣焊接過程。
優(yōu)點(diǎn):(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(dǎo)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(jī)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(qiáng),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(fèi)用。另外,激光焊接的動轉(zhuǎn)費(fèi)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(qiáng)度與精細(xì)定位能進(jìn)行有效的控制。
4、激光深熔焊設(shè)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(yīng),熔透整個工件截面,形成強(qiáng)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(dǎo)向和有效處理后射向工件,其輸入功率就具有強(qiáng)的相容性,使之能更好的適應(yīng)自動化過程。
為了有效實施焊接,激光器和其他一些必要的光學(xué)、機(jī)械以及控制部件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(yùn)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(shè)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(yù)熱。當(dāng)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(jìn)行良好的激光焊接,但需要預(yù)熱和焊后處理,以消除應(yīng)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(dǎo)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(jié)構(gòu)的材料相容創(chuàng)造了有利條件?,F(xiàn)已證明以下金屬可以順利進(jìn)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(shù)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(shù)特點(diǎn):激光焊接具有溶池凈化效應(yīng),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(diǎn)、高反射率、高導(dǎo)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(xì),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(jī)械性能、抗蝕性能和電磁學(xué)性能上優(yōu)于常規(guī)焊接方法。
激光-電弧復(fù)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(fù)合效應(yīng)。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(shù)應(yīng)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(yīng)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(dá)30m。鋁材料使用激光焊的主要優(yōu)點(diǎn)是:焊接速度快。與傳統(tǒng)的車身點(diǎn)焊技術(shù)相比,經(jīng)激光焊接的部位,其強(qiáng)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(yīng)用就是對塑料件進(jìn)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料件,使下部連接件瞬間熔化,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(shù),采用的是二極管激光器,與傳統(tǒng)的焊接技術(shù)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(jī)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(yīng)輔助式激光束焊接新工藝,偉世通公司已將之應(yīng)用于福特公司轎車驅(qū)動軸的焊接(這種驅(qū)動軸目前的年產(chǎn)量為45萬件),此軸的材料為C38/26Mn5組合式材料。采用感應(yīng)輔助式激光束焊接,不僅工件變形小,而且減少了后序的加工工作量
激光基本原理
LASER是什么意思
Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation(通過誘導(dǎo)放出實現(xiàn)光能增幅的英語縮寫。
2、激光產(chǎn)生的原理
激光——“受激輻射放大”是通過強(qiáng)光照射激光發(fā)生介質(zhì),使介質(zhì)內(nèi)部原子的電子獲得能量,受激而使電子運(yùn)動軌道發(fā)生遷移,由低能態(tài)變?yōu)楦吣軕B(tài)。處于激發(fā)態(tài)的原子,受外界輻射感應(yīng),使處于激發(fā)態(tài)的原子躍遷到低能態(tài),同時發(fā)出一束光;這束光在頻率、相位、傳播方向、偏振等方面和入射光完全一致,此時的光為受激輻射光。為了得到高能量密度、高指向性的激光,必須要有封閉光線的諧振腔,使觀光束在置于激光發(fā)生介質(zhì)兩側(cè)的反射鏡之間往復(fù)振蕩,進(jìn)而提高光強(qiáng),同時提高光的方向。含有釹(ND)的YAG結(jié)晶體發(fā)生的激光是一種人眼看不見的波長為1.064um的近紅外光。這種光束在微弱的受激發(fā)情況下,也能實現(xiàn)連續(xù)發(fā)振。YAG晶體是寶石釔鋁石榴石的簡稱,具有優(yōu)異的光學(xué)特性,是最佳的激光發(fā)振用結(jié)晶體。
3、滋光的主要特長
a、單色性―激光不是已許多不同的光混一合而成的,它是最純的單色光(彼長、頻率)
b、方向性―橄光傳播時基本不向外擴(kuò)散。
c、相千性--徽光的位相(波峰和波谷)很有規(guī)律,相干性好。
d、高輸出功率一用透鏡聚焦激光后,所得到的能量密度是太陽光的幾百倍。
二、YAG激光焊接
激光焊接是利用激光束優(yōu)異的方向性和高功么密度等特點(diǎn)進(jìn)行工作。通過光學(xué)系統(tǒng)將激光束聚焦在很小的區(qū)域內(nèi),在極短的時間內(nèi)使被焊處形成一個能量高度集中的熱源區(qū),從而使被焊物熔化并形成牢固的焊點(diǎn)和焊縫。
常用的激光焊接方式有兩種:脈沖激光焊和連續(xù)激光焊。前者主要用于單點(diǎn)固定連續(xù)和薄件材料的焊接。后者主要用于大厚件的焊接和切割。
激光焊接加工方法的特征
非接觸加工,不需對工件加壓和進(jìn)行表面處理。
B、焊點(diǎn)小、能量密度高、適合于高速加工。
C、短時間焊接,既對外界無熱影響,又對材料本身的熱變形及熱影響區(qū)小,尤其適合加工高熔點(diǎn)、高硬度、特種材料。
D、不需要填充金屬、不需要真空環(huán)境(可在空氣中直接進(jìn)行)、不會像電子束那樣在空氣中產(chǎn)生X射線的危險。
E、與接觸焊工藝相比.無電極、工具等的磨損消耗。
F、無加工噪音,對環(huán)境無污染。
G、微小工件也可加工。此外,還可通過透明材料的壁進(jìn)行焊接。
H、可通過光纖實現(xiàn)遠(yuǎn)距離、普通方法難以達(dá)到的部位、多路同時或分時焊接。
很容易改變激光輸出焦距及焊點(diǎn)位置。
很容易搭載到自動機(jī)、機(jī)器人裝置上。
對帶絕緣層的導(dǎo)體可直接進(jìn)行焊接,對性能相差較大的異種金屬也可焊接。
脈沖激光焊接的機(jī)理
脈沖激光焊接可分為傳熱溶化焊接和深穿入熔化焊接.
傳熱溶化焊接是指當(dāng)激光束照射到材料的表面上時,材料吸收光能而加熱熔化。材料表面層的熱以傳導(dǎo)方式繼續(xù)向材料深處傳遞,直至將兩個待焊件的接觸面互溶并焊接在一起。
深穿入熔化焊接是指當(dāng)更大功率密度的激光束照射到材料上時,材料被加工熔化以至氣化,產(chǎn)生較大的蒸汽壓,在蒸汽的壓力的作用下,溶化金屬被擠在周圍使照射處(熔池)呈現(xiàn)出一個凹坑,隨著激光束的繼續(xù)照射,凹坑越來越深,并穿入到另一個工件中。激光停止照射后,被排擠在凹坑周圍的溶化金屬重新流回到凹坑里,凝固后將工件焊接在一起.
這兩種激光焊接機(jī)理,與功率密度、照射時間、材料性質(zhì)、焊接方式等因素有關(guān)。當(dāng)功率密度較低、照射時間較長而焊件較薄時,通常以傳熱溶化機(jī)理為主進(jìn)行。反之,則是以深穿入熔化機(jī)理為主進(jìn)行。
一、工藝特點(diǎn)及其影響因素
1、激光的投入能量密度。調(diào)整激光照射能量密度的方法主要有:
A、調(diào)整激光輸出能量(調(diào)整激發(fā)電壓)
B、調(diào)整光斑大?。ㄕ{(diào)節(jié)出射焦距)
C、改變光斑中的能量分布(改變光纖類型:峰形輸出型——GI型光纖、梯形輸出型―SI型光纖)
D、改變出射脈沖的寬度和波形
2、材料反射率
大多數(shù)金屬在激光開始照射時,會將大部分激光能量反射掉,所以,焊接過程開始的瞬間,要相應(yīng)提高光束的功率。采用脈
沖激光縫悍二藝時,可以通過接入引弧板來保證整個焊接段的品質(zhì)一致性。當(dāng)金屬表面開始熔化或汽化后,其反射率迅速降低。
二、影響材料對激光束吸收的主要因素
1、溫度
室溫時金屬材料兩激光的吸收率一般在20℃以下;當(dāng)金屬溫度達(dá)到烙點(diǎn)產(chǎn)生熔融和氣化后吸收率上升到40~50%;當(dāng)接近沸點(diǎn)
時吸收率可高達(dá)90%。
材料的直流電阻率
材料對激光的吸收率與材料的直流電阻率的平方根成正比、與激光彼長的平方根成反比關(guān)系。
2、激光束的入射角
入射角越大,吸收率越小。當(dāng)激光垂直于金屬表面照射時,金屬對激光的吸收率最大。但通常為了保護(hù)激光出射鏡頭,需要
維持一定的入射角。
村料的表面狀態(tài)
為了低反射率,可在金屬表面涂上薄薄一層全屬粉,但兩者必須是能夠形成合金的。如飯、金、銀可覆蓋薄銳層,此時在同
樣熔深的情況下,焊接所需的能量大約為原來銅、金、銀所需的四分一。
3、聚焦性和離焦量
品質(zhì)優(yōu)良的YAG激光焊接裝置,其聚焦性(光斑大?。┦峭ㄟ^裝置本身的光路同軸精度、輸出光纖和出射頭的成像比等來保
證。
以激光出射焦點(diǎn)正好落在工作上面時的位置為零。離焦量是指焦點(diǎn)離開這個零點(diǎn)的距離量。焦點(diǎn)位置超過零點(diǎn)位置時叫負(fù)離
焦(焦點(diǎn)深入到工件內(nèi)部),其距離值為負(fù)離焦量。反之,焦點(diǎn)不到零點(diǎn)的距離數(shù)值為正離焦量。要獲得較大的熔深,可將焦點(diǎn)
位置選擇在工件內(nèi)部某一位置上,即采用負(fù)離焦量進(jìn)行焊接。
4、焊接的穿入深度
脈沖激光焊接時,主要是以傳熱熔化方式進(jìn)行的。激光束本身對金屬的直接穿入深度是有限的,其主要取決于材料的導(dǎo)溫系
數(shù)(導(dǎo)溫系數(shù)大的則穿入深度大),而不是激光器的功率大小。
內(nèi)部構(gòu)造及電氣示意圖
三、維護(hù)及保養(yǎng)
1、消耗品的更換
純水、離子交換樹脂、水過濾器、勵起燈、保護(hù)鏡片
2、點(diǎn)檢
A、激光發(fā)振調(diào)整
B、激光入射調(diào)整
C、光纖入射調(diào)整
D、能量平衡調(diào)整
一、焊接品質(zhì)檢查
焊接品質(zhì)的檢驗,一般有目視檢驗和破壞性檢驗兩種方法。
目視檢驗是對圖1所示的各個項目進(jìn)行檢驗。若利用顯微(鏡)照片進(jìn)行金相檢驗,則需切斷提取出焊接熔核部分并研磨腐
蝕(見圖2所示)。但是,若只經(jīng)過外觀檢驗就下結(jié)論則還不充分,請務(wù)必進(jìn)行一下破壞性實驗。
破壞性檢驗通常是進(jìn)行撕開實驗,如圖3、4所示,撕開焊接母材進(jìn)行確認(rèn)(一側(cè)出現(xiàn)圓形孔洞,另一側(cè)出現(xiàn)鈕扣狀殘留物)
另外,也有利用拉伸儀進(jìn)行拉伸強(qiáng)度檢驗的方法。
三、維護(hù)及保養(yǎng)
1、消耗品的更換
純水、離子交換樹脂、水過濾器、勵起燈、保護(hù)鏡片
2、點(diǎn)檢
A、激光發(fā)振調(diào)整
B、激光入射調(diào)整
C、光纖入射調(diào)整
D、能量平衡調(diào)整
一、焊接品質(zhì)檢查
焊接品質(zhì)的檢驗,一般有目視檢驗和破壞性檢驗兩種方法。
目視檢驗是對圖1所示的各個項目進(jìn)行檢驗。若利用顯微(鏡)照片進(jìn)行金相檢驗,則需切斷提取出焊接熔核部分并研磨腐
蝕(見圖2所示)。但是,若只經(jīng)過外觀檢驗就下結(jié)論則還不充分,請務(wù)必進(jìn)行一下破壞性實驗。
破壞性檢驗通常是進(jìn)行撕開實驗,如圖3、4所示,撕開焊接母材進(jìn)行確認(rèn)(一側(cè)出現(xiàn)圓形孔洞,另一側(cè)出現(xiàn)鈕扣狀殘留物)
另外,也有利用拉伸儀進(jìn)行拉伸強(qiáng)度檢驗的方法。
二、品質(zhì)保證手段
電阻點(diǎn)焊方法雖然是最適合于大量生產(chǎn)的焊接手段,但是若品質(zhì)管理不當(dāng)就會引起巨大的損失。目前,由于無法實現(xiàn)在線非
破壞性焊接品質(zhì)檢驗,因此有必要加強(qiáng)對品質(zhì)保證的管理。
1、壓力檢測
焊接發(fā)熱量受電極與工件間的接觸電阻的影響極大。焊接過程中,壓力必須保持不變,因此有必要經(jīng)常用壓力測試儀對焊接
2、電極研磨
焊接次數(shù)的增多,會使電極表面磨損加重。電極表面粗糙會引起飛濺和造成工件表面出現(xiàn)糙痕,影響工件外觀,因此有必要
多準(zhǔn)備些研磨好的電極,根據(jù)焊接次數(shù)適當(dāng)?shù)馗鼡Q電極。使用新電極之前先用作廢的工件進(jìn)行調(diào)試為好。
3、電極過熱
電極過熱不僅會縮短電極的壽命而且會導(dǎo)致工件焊接品質(zhì)不均一。
4、工件精度
因忽略了工件厚度、鍍層厚度、金屬成分等的變化而導(dǎo)致焊接不良品出現(xiàn)的現(xiàn)象時有發(fā)生。工件本身的品質(zhì)是否安定也是影
響焊接品質(zhì)的重要因素。
5、電流監(jiān)測
電流監(jiān)測對焊接是必不可少的。影響電流變化的因素主要有:電源電壓的波動、焊接機(jī)超載使用而引起的過熱使電流輸出減
少、工件接觸不良導(dǎo)致電流減少、焊接機(jī)性能不良等。
為了防止上述原因引起的不良焊接結(jié)果,很有必要經(jīng)常對焊接電流進(jìn)行監(jiān)測。若能確保對焊接電流的監(jiān)測,則可較容易地
發(fā)現(xiàn)其他影響焊接品質(zhì)的因索之變化原因,從而進(jìn)一步提高焊接品質(zhì)的信賴性。
一、激光焊接的主要特性。
20世紀(jì)70年代主要用于焊接薄壁材料和低速焊接,焊接過程屬熱傳導(dǎo)型,即激光輻射加熱工件表面,表面熱量通過熱傳導(dǎo)向內(nèi)部擴(kuò)散,通過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。
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(lǐng)域。獲得了以小孔效應(yīng)為理論基礎(chǔ)的深熔焊接,在機(jī)械、汽車、鋼鐵等工業(yè)領(lǐng)域獲得了日益廣泛的應(yīng)用。
與其它焊接技術(shù)相比,激光焊接的主要優(yōu)點(diǎn)是:
1、速度快、深度大、變形小。
2、能在室溫或特殊條件下進(jìn)行焊接,焊接設(shè)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(jìn)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(dá)5:1,最高可達(dá)10:1。
5、可進(jìn)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(yīng)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(yuǎn)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(yīng)用。
7、激光束易實現(xiàn)光束按時間與空間分光,能進(jìn)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(dá)不到要求,很容易造成焊接缺憾。
2、激光器及其相關(guān)系統(tǒng)的成本較高,一次性投資較大。
二、激光焊接熱傳導(dǎo)。
激光焊接是將高強(qiáng)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、等離子體形成等。然而,要實現(xiàn)良好的熔融焊接,必須使金屬熔化成為能量轉(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(guān)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(dá)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(guān)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(diǎn),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(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(dāng)高強(qiáng)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(shè)備造價及體積的關(guān)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(diǎn)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(diǎn)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(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)離做文章一相等時,所對應(yīng)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(fù)離焦時,可獲得更大的熔深,這與熔池的形成過程有關(guān)。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(yùn)動至熔池邊緣,在熔池中心形成凹陷。當(dāng)負(fù)離焦時,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。所以在實際應(yīng)用中,當(dāng)要求熔深較大時,采用負(fù)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(yīng)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(diǎn)。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(diǎn):
、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(fù)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(xué)元件進(jìn)行時間與空間分割,能實現(xiàn)多點(diǎn)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(jìn)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?yán)碚摗?br /> 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(jī)制是通過“小孔”結(jié)構(gòu)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(dá)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(jìn)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(dǎo)光束前進(jìn)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(hù)氣體,透鏡焦長,焦點(diǎn)位置,激光束位置,焊接起始和終止點(diǎn)的激光功率漸升、漸降控制。
3、激光深熔焊的特征及優(yōu)點(diǎn)。
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(dǎo)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(xì)化。(4)強(qiáng)固焊縫。(5)精確控制。(6)非接觸,大氣焊接過程。
優(yōu)點(diǎn):(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(dǎo)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(jī)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(qiáng),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(fèi)用。另外,激光焊接的動轉(zhuǎn)費(fèi)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(qiáng)度與精細(xì)定位能進(jìn)行有效的控制。
4、激光深熔焊設(shè)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(yīng),熔透整個工件截面,形成強(qiáng)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(dǎo)向和有效處理后射向工件,其輸入功率就具有強(qiáng)的相容性,使之能更好的適應(yīng)自動化過程。
為了有效實施焊接,激光器和其他一些必要的光學(xué)、機(jī)械以及控制部件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(yùn)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(shè)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(yù)熱。當(dāng)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(jìn)行良好的激光焊接,但需要預(yù)熱和焊后處理,以消除應(yīng)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(dǎo)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(jié)構(gòu)的材料相容創(chuàng)造了有利條件?,F(xiàn)已證明以下金屬可以順利進(jìn)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(shù)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(shù)特點(diǎn):激光焊接具有溶池凈化效應(yīng),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(diǎn)、高反射率、高導(dǎo)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(xì),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(jī)械性能、抗蝕性能和電磁學(xué)性能上優(yōu)于常規(guī)焊接方法。
激光-電弧復(fù)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(fù)合效應(yīng)。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(shù)應(yīng)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(yīng)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(dá)30m。鋁材料使用激光焊的主要優(yōu)點(diǎn)是:焊接速度快。與傳統(tǒng)的車身點(diǎn)焊技術(shù)相比,經(jīng)激光焊接的部位,其強(qiáng)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(yīng)用就是對塑料件進(jìn)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料件,使下部連接件瞬間熔化,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(shù),采用的是二極管激光器,與傳統(tǒng)的焊接技術(shù)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(jī)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(yīng)輔助式激光束焊接新工藝,偉世通公司已將之應(yīng)用于福特公司轎車驅(qū)動軸的焊接(這種驅(qū)動軸目前的年產(chǎn)量為45萬件),此軸的材料為C38/26Mn5組合式材料。采用感應(yīng)輔助式激光束焊接,不僅工件變形小,而且減少了后序的加工工作量
激光基本原理
LASER是什么意思
Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation(通過誘導(dǎo)放出實現(xiàn)光能增幅的英語縮寫。
2、激光產(chǎn)生的原理
激光——“受激輻射放大”是通過強(qiáng)光照射激光發(fā)生介質(zhì),使介質(zhì)內(nèi)部原子的電子獲得能量,受激而使電子運(yùn)動軌道發(fā)生遷移,由低能態(tài)變?yōu)楦吣軕B(tài)。處于激發(fā)態(tài)的原子,受外界輻射感應(yīng),使處于激發(fā)態(tài)的原子躍遷到低能態(tài),同時發(fā)出一束光;這束光在頻率、相位、傳播方向、偏振等方面和入射光完全一致,此時的光為受激輻射光。為了得到高能量密度、高指向性的激光,必須要有封閉光線的諧振腔,使觀光束在置于激光發(fā)生介質(zhì)兩側(cè)的反射鏡之間往復(fù)振蕩,進(jìn)而提高光強(qiáng),同時提高光的方向。含有釹(ND)的YAG結(jié)晶體發(fā)生的激光是一種人眼看不見的波長為1.064um的近紅外光。這種光束在微弱的受激發(fā)情況下,也能實現(xiàn)連續(xù)發(fā)振。YAG晶體是寶石釔鋁石榴石的簡稱,具有優(yōu)異的光學(xué)特性,是最佳的激光發(fā)振用結(jié)晶體。
3、滋光的主要特長
a、單色性―激光不是已許多不同的光混一合而成的,它是最純的單色光(彼長、頻率)
b、方向性―橄光傳播時基本不向外擴(kuò)散。
c、相千性--徽光的位相(波峰和波谷)很有規(guī)律,相干性好。
d、高輸出功率一用透鏡聚焦激光后,所得到的能量密度是太陽光的幾百倍。
二、YAG激光焊接
激光焊接是利用激光束優(yōu)異的方向性和高功么密度等特點(diǎn)進(jìn)行工作。通過光學(xué)系統(tǒng)將激光束聚焦在很小的區(qū)域內(nèi),在極短的時間內(nèi)使被焊處形成一個能量高度集中的熱源區(qū),從而使被焊物熔化并形成牢固的焊點(diǎn)和焊縫。
常用的激光焊接方式有兩種:脈沖激光焊和連續(xù)激光焊。前者主要用于單點(diǎn)固定連續(xù)和薄件材料的焊接。后者主要用于大厚件的焊接和切割。
激光焊接加工方法的特征
非接觸加工,不需對工件加壓和進(jìn)行表面處理。
B、焊點(diǎn)小、能量密度高、適合于高速加工。
C、短時間焊接,既對外界無熱影響,又對材料本身的熱變形及熱影響區(qū)小,尤其適合加工高熔點(diǎn)、高硬度、特種材料。
D、不需要填充金屬、不需要真空環(huán)境(可在空氣中直接進(jìn)行)、不會像電子束那樣在空氣中產(chǎn)生X射線的危險。
E、與接觸焊工藝相比.無電極、工具等的磨損消耗。
F、無加工噪音,對環(huán)境無污染。
G、微小工件也可加工。此外,還可通過透明材料的壁進(jìn)行焊接。
H、可通過光纖實現(xiàn)遠(yuǎn)距離、普通方法難以達(dá)到的部位、多路同時或分時焊接。
很容易改變激光輸出焦距及焊點(diǎn)位置。
很容易搭載到自動機(jī)、機(jī)器人裝置上。
對帶絕緣層的導(dǎo)體可直接進(jìn)行焊接,對性能相差較大的異種金屬也可焊接。
脈沖激光焊接的機(jī)理
脈沖激光焊接可分為傳熱溶化焊接和深穿入熔化焊接.
傳熱溶化焊接是指當(dāng)激光束照射到材料的表面上時,材料吸收光能而加熱熔化。材料表面層的熱以傳導(dǎo)方式繼續(xù)向材料深處傳遞,直至將兩個待焊件的接觸面互溶并焊接在一起。
深穿入熔化焊接是指當(dāng)更大功率密度的激光束照射到材料上時,材料被加工熔化以至氣化,產(chǎn)生較大的蒸汽壓,在蒸汽的壓力的作用下,溶化金屬被擠在周圍使照射處(熔池)呈現(xiàn)出一個凹坑,隨著激光束的繼續(xù)照射,凹坑越來越深,并穿入到另一個工件中。激光停止照射后,被排擠在凹坑周圍的溶化金屬重新流回到凹坑里,凝固后將工件焊接在一起.
這兩種激光焊接機(jī)理,與功率密度、照射時間、材料性質(zhì)、焊接方式等因素有關(guān)。當(dāng)功率密度較低、照射時間較長而焊件較薄時,通常以傳熱溶化機(jī)理為主進(jìn)行。反之,則是以深穿入熔化機(jī)理為主進(jìn)行。
一、工藝特點(diǎn)及其影響因素
1、激光的投入能量密度。調(diào)整激光照射能量密度的方法主要有:
A、調(diào)整激光輸出能量(調(diào)整激發(fā)電壓)
B、調(diào)整光斑大?。ㄕ{(diào)節(jié)出射焦距)
C、改變光斑中的能量分布(改變光纖類型:峰形輸出型——GI型光纖、梯形輸出型―SI型光纖)
D、改變出射脈沖的寬度和波形
2、材料反射率
大多數(shù)金屬在激光開始照射時,會將大部分激光能量反射掉,所以,焊接過程開始的瞬間,要相應(yīng)提高光束的功率。采用脈
沖激光縫悍二藝時,可以通過接入引弧板來保證整個焊接段的品質(zhì)一致性。當(dāng)金屬表面開始熔化或汽化后,其反射率迅速降低。
二、影響材料對激光束吸收的主要因素
1、溫度
室溫時金屬材料兩激光的吸收率一般在20℃以下;當(dāng)金屬溫度達(dá)到烙點(diǎn)產(chǎn)生熔融和氣化后吸收率上升到40~50%;當(dāng)接近沸點(diǎn)
時吸收率可高達(dá)90%。
材料的直流電阻率
材料對激光的吸收率與材料的直流電阻率的平方根成正比、與激光彼長的平方根成反比關(guān)系。
2、激光束的入射角
入射角越大,吸收率越小。當(dāng)激光垂直于金屬表面照射時,金屬對激光的吸收率最大。但通常為了保護(hù)激光出射鏡頭,需要
維持一定的入射角。
村料的表面狀態(tài)
為了低反射率,可在金屬表面涂上薄薄一層全屬粉,但兩者必須是能夠形成合金的。如飯、金、銀可覆蓋薄銳層,此時在同
樣熔深的情況下,焊接所需的能量大約為原來銅、金、銀所需的四分一。
3、聚焦性和離焦量
品質(zhì)優(yōu)良的YAG激光焊接裝置,其聚焦性(光斑大?。┦峭ㄟ^裝置本身的光路同軸精度、輸出光纖和出射頭的成像比等來保
證。
以激光出射焦點(diǎn)正好落在工作上面時的位置為零。離焦量是指焦點(diǎn)離開這個零點(diǎn)的距離量。焦點(diǎn)位置超過零點(diǎn)位置時叫負(fù)離
焦(焦點(diǎn)深入到工件內(nèi)部),其距離值為負(fù)離焦量。反之,焦點(diǎn)不到零點(diǎn)的距離數(shù)值為正離焦量。要獲得較大的熔深,可將焦點(diǎn)
位置選擇在工件內(nèi)部某一位置上,即采用負(fù)離焦量進(jìn)行焊接。
4、焊接的穿入深度
脈沖激光焊接時,主要是以傳熱熔化方式進(jìn)行的。激光束本身對金屬的直接穿入深度是有限的,其主要取決于材料的導(dǎo)溫系
數(shù)(導(dǎo)溫系數(shù)大的則穿入深度大),而不是激光器的功率大小。
內(nèi)部構(gòu)造及電氣示意圖
三、維護(hù)及保養(yǎng)
1、消耗品的更換
純水、離子交換樹脂、水過濾器、勵起燈、保護(hù)鏡片
2、點(diǎn)檢
A、激光發(fā)振調(diào)整
B、激光入射調(diào)整
C、光纖入射調(diào)整
D、能量平衡調(diào)整
一、焊接品質(zhì)檢查
焊接品質(zhì)的檢驗,一般有目視檢驗和破壞性檢驗兩種方法。
目視檢驗是對圖1所示的各個項目進(jìn)行檢驗。若利用顯微(鏡)照片進(jìn)行金相檢驗,則需切斷提取出焊接熔核部分并研磨腐
蝕(見圖2所示)。但是,若只經(jīng)過外觀檢驗就下結(jié)論則還不充分,請務(wù)必進(jìn)行一下破壞性實驗。
破壞性檢驗通常是進(jìn)行撕開實驗,如圖3、4所示,撕開焊接母材進(jìn)行確認(rèn)(一側(cè)出現(xiàn)圓形孔洞,另一側(cè)出現(xiàn)鈕扣狀殘留物)
另外,也有利用拉伸儀進(jìn)行拉伸強(qiáng)度檢驗的方法。

三、維護(hù)及保養(yǎng)
1、消耗品的更換
純水、離子交換樹脂、水過濾器、勵起燈、保護(hù)鏡片
2、點(diǎn)檢
A、激光發(fā)振調(diào)整
B、激光入射調(diào)整
C、光纖入射調(diào)整
D、能量平衡調(diào)整
一、焊接品質(zhì)檢查
焊接品質(zhì)的檢驗,一般有目視檢驗和破壞性檢驗兩種方法。
目視檢驗是對圖1所示的各個項目進(jìn)行檢驗。若利用顯微(鏡)照片進(jìn)行金相檢驗,則需切斷提取出焊接熔核部分并研磨腐
蝕(見圖2所示)。但是,若只經(jīng)過外觀檢驗就下結(jié)論則還不充分,請務(wù)必進(jìn)行一下破壞性實驗。
破壞性檢驗通常是進(jìn)行撕開實驗,如圖3、4所示,撕開焊接母材進(jìn)行確認(rèn)(一側(cè)出現(xiàn)圓形孔洞,另一側(cè)出現(xiàn)鈕扣狀殘留物)
另外,也有利用拉伸儀進(jìn)行拉伸強(qiáng)度檢驗的方法。

二、品質(zhì)保證手段
電阻點(diǎn)焊方法雖然是最適合于大量生產(chǎn)的焊接手段,但是若品質(zhì)管理不當(dāng)就會引起巨大的損失。目前,由于無法實現(xiàn)在線非
破壞性焊接品質(zhì)檢驗,因此有必要加強(qiáng)對品質(zhì)保證的管理。
1、壓力檢測
焊接發(fā)熱量受電極與工件間的接觸電阻的影響極大。焊接過程中,壓力必須保持不變,因此有必要經(jīng)常用壓力測試儀對焊接
2、電極研磨
焊接次數(shù)的增多,會使電極表面磨損加重。電極表面粗糙會引起飛濺和造成工件表面出現(xiàn)糙痕,影響工件外觀,因此有必要
多準(zhǔn)備些研磨好的電極,根據(jù)焊接次數(shù)適當(dāng)?shù)馗鼡Q電極。使用新電極之前先用作廢的工件進(jìn)行調(diào)試為好。
3、電極過熱
電極過熱不僅會縮短電極的壽命而且會導(dǎo)致工件焊接品質(zhì)不均一。
4、工件精度
因忽略了工件厚度、鍍層厚度、金屬成分等的變化而導(dǎo)致焊接不良品出現(xiàn)的現(xiàn)象時有發(fā)生。工件本身的品質(zhì)是否安定也是影
響焊接品質(zhì)的重要因素。
5、電流監(jiān)測
電流監(jiān)測對焊接是必不可少的。影響電流變化的因素主要有:電源電壓的波動、焊接機(jī)超載使用而引起的過熱使電流輸出減
少、工件接觸不良導(dǎo)致電流減少、焊接機(jī)性能不良等。
為了防止上述原因引起的不良焊接結(jié)果,很有必要經(jīng)常對焊接電流進(jìn)行監(jiān)測。若能確保對焊接電流的監(jiān)測,則可較容易地
發(fā)現(xiàn)其他影響焊接品質(zhì)的因索之變化原因,從而進(jìn)一步提高焊接品質(zhì)的信賴性。
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