激光焊接技術(shù).ppt

第3章激光焊接技術(shù) 3 1概述3 2激光焊接原理3 3激光焊接技術(shù)參數(shù)的作用與實(shí)驗(yàn)選擇3 4激光焊接實(shí)用舉例3 5激光焊接技術(shù)的發(fā)展前景 3 1概述 激光焊接是一種無(wú)接觸加工方式 對(duì)焊接零件沒(méi)有外力作用 激光能量高度集中 對(duì)金屬快速加熱后快速冷卻 對(duì)許多零件來(lái)講 熱影響可以忽略不計(jì) 可認(rèn)為不產(chǎn)生熱變形或者說(shuō)熱變形極小 能夠焊接高熔點(diǎn) 難熔 難焊的金屬 如鈦合金 鋁合金等 激光焊接過(guò)程對(duì)環(huán)境沒(méi)有污染 在空氣中可以直接焊接 與需在真空室中焊接的電子束焊接方法比較 激光焊接技術(shù)簡(jiǎn)便 激光焊接在電子工業(yè) 國(guó)防工業(yè) 儀表工業(yè) 電池工業(yè) 醫(yī)療儀器以及許多行業(yè)中均得到了廣泛的應(yīng)用 圖3 1激光焊接的零件 3 2激光焊接原理 激光焊接常用的激光光源是氣體CO2激光器和固體YAG激光器 依激光器輸出功率的大小和工作狀態(tài) 激光器工作的方式有連續(xù)輸出方式和脈沖輸出方式 被聚焦的激光光束照射到焊件表面的功率密度 一般在104 107W cm2 其焊接的機(jī)制也因功率密度的大小 區(qū)分為激光熱傳導(dǎo)焊接和激光深熔焊接 3 2 1激光熱傳導(dǎo)焊接焊件結(jié)合部位被激光照射 金屬表面吸收光能而使溫度升高 熱量依照固體材料的熱傳導(dǎo)理論向金屬內(nèi)部傳播擴(kuò)散 激光參數(shù)不同時(shí) 擴(kuò)散時(shí)間 深度也有區(qū)別 這與激光脈沖寬度 脈沖能量 重復(fù)頻率等參數(shù)有關(guān) 被焊工件結(jié)合部位的兩部份金屬 因升溫達(dá)到熔點(diǎn)而熔化成液體 很快凝固后 兩部份金屬熔接焊在一起 熱傳導(dǎo)型激光焊接 需控制激光功率和功率密度 金屬吸收光能后 不產(chǎn)生非線性效應(yīng)和小孔效應(yīng) 激光直接穿透深度只在微米量級(jí) 金屬內(nèi)部升溫靠熱傳導(dǎo)方式進(jìn)行 激光功率密度一般在104 105W cm2 使被焊接金屬表面既能熔化又不會(huì)汽化 而使焊件熔接在一起 圖3 2YAG激光頭照片 3 2 2激光深熔焊接與激光熱傳導(dǎo)焊接相比 激光深熔焊接需要更高的激光功率密度 一般需用連續(xù)輸出的CO2激光器 激光功率在200 3000W的范圍 激光深熔焊接的機(jī)制與電子束焊接的機(jī)制相近 功率密度在106 107W cm2的激光光束連續(xù)照射金屬焊縫表面 由于激光功率熱密度足夠高 使金屬材料熔化 蒸發(fā) 并在激光光束照射點(diǎn)處形成一個(gè)小孔 這個(gè)小孔繼續(xù)吸收激光光束的光能 使小孔周圍形成一個(gè)熔融金屬的熔池 熱能由熔池向周圍傳播 激光功率越大 熔池越深 當(dāng)激光光束相對(duì)于焊件移動(dòng)時(shí) 小孔的中心也隨之移動(dòng) 并處于相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài) 小孔的移動(dòng)就形成了焊縫 這種焊接的原理不同于脈沖激光的熱傳導(dǎo)焊接 圖3 3激光深熔焊接小孔效應(yīng)示意 激光深熔焊接依靠小孔效應(yīng) 使激光光束的光能傳向材料深部 激光功率足夠大時(shí) 小孔深度加大 隨著激光光束相對(duì)于焊件的移動(dòng) 金屬液體凝固形成焊縫 焊縫窄而深 其深寬比可達(dá)到12 1 激光深熔焊接需要足夠高的激光功率 但幾百瓦的CO2激光器 當(dāng)激光模式好時(shí) 也能產(chǎn)生小孔效應(yīng) 這是因?yàn)榛９馐劢购竽軌颢@得高功率密度 圖3 4CO2深熔焊接機(jī)示意 激光深熔焊接的焊接速度與激光功率成正比 熔深與速度成反比 欲使熔接速度增加 熔深加大 就必須選用大功率激光器 為獲得高速度 高品質(zhì)的焊接效果 常用1500 3500W之間的連續(xù)CO2激光器進(jìn)行焊接 圖3 5大功率CO2激光器內(nèi)部結(jié)構(gòu)及外形 3 3激光焊接技術(shù)參數(shù)的作用與實(shí)驗(yàn)選擇 3 3 1激光焊接技術(shù)的主要參數(shù)對(duì)脈沖激光器來(lái)講就是平均激光功率的大小 保證了足夠的激光功率 在熱傳導(dǎo)焊接中 激光器工作于脈沖狀態(tài) 因而脈沖能量 脈沖寬度和激光重復(fù)頻率就是很重要的參數(shù) 當(dāng)然 激光外光路的設(shè)計(jì) 聚焦系統(tǒng) 焊接時(shí)離焦量大小的影響也是必須注意的 焊接的速度或者說(shuō)光斑的重疊率 激光脈沖的重復(fù)頻率 也要有適當(dāng)?shù)呐浜?為了防止焊接過(guò)程中工件材料的氧化 需要選用適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)氣體 而且保護(hù)氣體的流量大小 吹氣方式 或者說(shuō)是吹氣噴嘴形狀的設(shè)計(jì)都是很有關(guān)系的 圖3 6激光焊接頭的實(shí)物照片 3 3 2激光焊接主要參數(shù)的選擇一 激光功率激光功率的大小是激光焊接技術(shù)的首選參數(shù) 只有保證了足夠的激光功率 才能得到好的焊接效果 激光功率較小時(shí) 雖然也能產(chǎn)生小孔效應(yīng) 但有時(shí)焊接效果不好 焊縫內(nèi)有氣孔 激光功率加大時(shí) 焊縫內(nèi)氣孔消失 因此激光深熔焊接時(shí) 不要采用勉強(qiáng)能夠產(chǎn)生小孔效應(yīng)的最小功率 適當(dāng)加大激光功率 可以提高焊接速度和熔深 只有在功率過(guò)大時(shí) 才會(huì)引起材料過(guò)分吸收 使小孔內(nèi)氣體噴濺 或焊縫產(chǎn)生疤痕 甚至使工件焊穿 圖3 7不同焊接參數(shù)與熔深的關(guān)系 為使焊縫平整光滑 實(shí)際焊接時(shí) 激光功率在開(kāi)始和結(jié)束時(shí)都設(shè)計(jì)有漸變過(guò)程 啟動(dòng)時(shí)激光功率由小變大到預(yù)定值 結(jié)束焊接時(shí)激光功率由大變小 焊縫才沒(méi)有凹坑或斑痕 二 激光脈沖寬度激光熱傳導(dǎo)焊接中 激光脈沖寬度與焊縫深度有直接關(guān)系 也就是說(shuō)脈沖寬度決定了材料熔化的深度和焊縫的寬度 據(jù)文獻(xiàn)記載 熔深的大小隨脈寬的1 2次方增加 如果單純?cè)黾用}沖寬度 只會(huì)使焊縫變寬 過(guò)熔 引起焊縫附近的金屬氧化 變色甚至變形 因此 特殊要求較大熔深時(shí) 可使聚焦鏡的焦點(diǎn)深入材料內(nèi)部 使焊縫處發(fā)生輕微打孔 部份熔化金屬有汽化飛濺現(xiàn)象 焊縫深度變大 此時(shí)焊縫表面平整度可能稍差 必要時(shí) 改變離焦量重復(fù)焊接一遍 可使焊縫表面光滑美觀 三 激光脈沖波形熱傳導(dǎo)型激光焊接使用重復(fù)脈沖激光焊接材料 為了焊接效果好 就要對(duì)激光脈沖波形有一定要求 借用電子電路技術(shù)中仿真線的概念 由電感電容網(wǎng)絡(luò)組成仿真線 通過(guò)仿真線放電形成特定形狀的激光脈沖 一般通過(guò)L C仿真線網(wǎng)絡(luò)可以將脈沖展寬 得到一個(gè)平頂寬脈沖 根據(jù)需要可以使脈寬在3 5ms 最大可做到30ms 圖3 8仿真線脈沖形成網(wǎng)絡(luò) 金屬在常溫下對(duì)激光反射率較高 如鋼鐵類金屬表面對(duì)1064nm波長(zhǎng)的YAG激光的反射率達(dá)60 但金屬表面溫度升高以后 反射率迅速下降 金屬對(duì)激光能量的吸收率很快增加 簡(jiǎn)單的方波脈沖使焊斑熔化不好 流動(dòng)性差 甚至出現(xiàn)裂紋 焊接效果不理想 這就需要對(duì)仿真線參數(shù)進(jìn)行修正 為了使激光光波形前緣出現(xiàn)高幅值尖峰 將仿真線第一網(wǎng)孔L1C1組合中的電感L1減小或去掉 C1用低感或無(wú)感電容 使激光光波形前緣陡峭 有利于迅速降低反射率 加強(qiáng)對(duì)光能的吸收 同時(shí)對(duì)仿真線最后一組或兩組的電感L4或L5的電感量適當(dāng)增大 延緩放電速度 使激光波形有個(gè)拖尾 在焊接過(guò)程中 對(duì)于熔融部份的金屬得到減緩凝固的作用 對(duì)于鋁合金等材料的焊接 有很明顯的改進(jìn)作用 圖3 9氙燈放電波形 當(dāng)焊接工件以一定速度移動(dòng)時(shí) 激光熔斑相互重疊 重疊率由工件移動(dòng)速度和激光重復(fù)頻率來(lái)決定 這種焊接狀態(tài)與單脈沖點(diǎn)焊不同 當(dāng)一個(gè)激光脈沖聚焦的光斑照射到焊縫處時(shí) 前一個(gè)激光脈沖已將該處金屬材料加熱 且前一個(gè)光斑照射的部份金屬已呈熔融狀態(tài) 尚未來(lái)得及凝固或者說(shuō)未能完全凝固 因而這個(gè)激光脈沖到來(lái)時(shí) 焊縫處的溫度升高 金屬的反射率降低 并不需要前置尖峰脈沖的激光波形 一般可以通過(guò)重復(fù)的熔斑對(duì)工件實(shí)現(xiàn)密封焊接 這是國(guó)內(nèi)外目前使用最多的激光脈沖波形 圖3 11重復(fù)脈沖激光放電波形 傳統(tǒng)的電子電路與微處理機(jī)結(jié)合 實(shí)現(xiàn)了以前電子電路無(wú)法實(shí)現(xiàn)的功能 有效地提高了整機(jī)的性能和水準(zhǔn) 通過(guò)單晶片微處理機(jī)使激光脈沖可任意設(shè)置的激光器 就是當(dāng)前的較先進(jìn)的一項(xiàng)技術(shù) 提高了激光焊接機(jī)的功能 本來(lái)不能焊接或焊不好的材料也可以焊得很好了 圖3 12可任意設(shè)置的激光脈沖波形 四 激光脈沖重復(fù)頻率熱傳導(dǎo)焊接中 激光器發(fā)出重復(fù)頻率激光脈沖 每個(gè)激光脈沖形成一個(gè)熔斑 焊件與激光光束相對(duì)移動(dòng)速度決定了熔斑的重疊率 一系列的熔斑形成魚(yú)鱗紋似的漂亮焊縫 如儀器 儀表 電池 繼電器外殼的密封 板材 管件或需要連接的電子零件 機(jī)械零件的焊接等大都使用這種方法 為了實(shí)現(xiàn)激光密封焊接 對(duì)于激光光斑的重復(fù)頻率有一定要求 一般要重疊70 以上 因?yàn)槊恳粋€(gè)熔斑都是材料表面吸收了激光的能量通過(guò)熱傳導(dǎo)向四周擴(kuò)散的 所以熔斑斷面形狀為半球形 如圖3 14所示 為了達(dá)到一定厚度的熔深 只有在高重復(fù)頻率下才能達(dá)到密封焊接 圖3 14重復(fù)激光脈沖的焊接效果 航空儀表外殼激光密封焊接后 要求漏氣率小于10 8 10 10Pa L s 這是很高的指標(biāo) 只有用氦質(zhì)譜儀才能檢測(cè) 五 離焦量的選擇對(duì)于能夠正常焊接的激光功率 或是脈沖能量 在焦平面處的激光功率密度往往已經(jīng)超過(guò)激光焊接所需的功率密度 在焦點(diǎn)位置焊接 可能會(huì)出現(xiàn)金屬汽化 熔渣飛濺或是打孔現(xiàn)象 正確焊接技術(shù)是使焦平面離開(kāi)工件表面一小段距離 這個(gè)距離稱為離焦量 如圖3 15所示 以工件表面為準(zhǔn) 焦平面深入工件內(nèi)部稱為負(fù)離焦 焦平面在工件之外稱為正離焦 圖3 15焦平面示意 一般對(duì)熔深要求不高時(shí)最好用正離焦 這樣很容易獲得牢固美觀的焊縫 實(shí)際焊接過(guò)程中經(jīng)常是激光器各項(xiàng)參數(shù)設(shè)置完畢后 最后經(jīng)由微調(diào)離焦量 來(lái)達(dá)到完美的焊接效果 離焦量的選擇和聚焦鏡的焦距數(shù)值大小有關(guān) 焦平面處的光斑尺寸D與聚焦鏡的焦距F和激光光束的發(fā)散角 有關(guān) 即D F 焊接0 5 1mm厚鋼板時(shí) 聚焦鏡焦距通常是100 200mm 對(duì)光斑尺寸要求并非十分嚴(yán)格 因而離焦量的選取也有較大的范圍 激光焊接金屬膜片時(shí) 要求熔斑直徑小 聚焦鏡的焦距也小 在這種情況下離焦量的選擇要謹(jǐn)慎 離焦量不宜太大 六 保護(hù)氣體在一些對(duì)焊接技術(shù)要求嚴(yán)格的場(chǎng)合 如要求焊縫美觀 密封 無(wú)氧化痕跡的產(chǎn)品 或是易于氧化難于焊接的鋁合金材料 在焊接過(guò)程中就必須施加保護(hù)氣體 氮?dú)馐疑喜坑型腹馄桨宀Ａ?允許波長(zhǎng)為1064nm的激光光束射入到焊件的焊縫上 氮?dú)馐覂?nèi)充滿氮?dú)?這樣被焊接金屬零件在加熱熔化過(guò)程中就不會(huì)氧化 如焊接鋼類零件或不銹鋼類零件時(shí) 得到的焊縫是閃亮的 密封效果也好 圖3 16氮?dú)馐沂疽?在要求高度密封 漏氣率很低的工件焊接時(shí) 最好使用氬氣 焊接效果會(huì)更好 一次焊接密封成功率高 而且焊縫美觀 保護(hù)氣體除防止熔化金屬被氧化之外 還有一個(gè)作用就是吹掉焊接過(guò)程中產(chǎn)生的電漿火焰 電漿火焰本身對(duì)激光能量有吸收 散射作用 影響焊接效果 減少熔接深度 激光深熔時(shí) 在一定壓力流速下的保護(hù)氣體能夠迅速清除熔化區(qū)的空氣 避免金屬氧化 同時(shí)保護(hù)氣體能夠?qū)㈦姖{火焰保持在熔池小孔內(nèi)部 熔池內(nèi)部熱量增多 使焊縫的熔深加大 圖3 17帶保護(hù)氣體噴嘴的激光焊接頭 3 4激光焊接實(shí)用舉例 3 4 1新型電池的激光焊接航空飛行器上改用鋰離子電池后 比能量是鎘鎳電池的2 3倍 是氫鎳電池的1 5 2倍 用在攝錄影機(jī)上 用在行動(dòng)電話上 用在筆記本電腦上 都使這些移動(dòng)電子產(chǎn)品體積大為縮小 待機(jī)時(shí)間倍增 鋰離子電池一經(jīng)問(wèn)世 產(chǎn)銷量便迅速增加 2000年年產(chǎn)量達(dá)4 5億支以上 近年來(lái)產(chǎn)量還在不斷增加 而且又將成為正在研制的電動(dòng)汽車的首選電源 鋰離子電池 有幾道程序如極耳焊接 安全閥焊接 負(fù)極焊接 外殼密封焊接等 均以激光焊接為最佳技術(shù) 表3 1各種蓄電池主要性能對(duì)比 一 極耳安全閥的自動(dòng)焊接新型電池內(nèi)部裝有防爆裝置 稱為安全閥 鋰離子電池有內(nèi)部膨脹爆炸危險(xiǎn) 因而電池必須裝有安全閥 作為安全保障 安全閥結(jié)構(gòu)巧妙 為用激光焊接牢固的 一定形狀的兩個(gè)鋁質(zhì)金屬片 由激光熔斑形成的抗拉強(qiáng)度 需在設(shè)計(jì)值范圍之內(nèi) 即通過(guò)激光熔斑使電池內(nèi)部形成通路 但當(dāng)內(nèi)部壓力升高到一定值時(shí) 激光熔斑被撕開(kāi) 起到保護(hù)作用 圖3 18電池安全閥結(jié)構(gòu)示意 圖3 19激光焊接安全閥的自動(dòng)裝置示意 極耳的激光焊接技術(shù)比較復(fù)雜 由于是大量生產(chǎn) 焊接過(guò)程必須自動(dòng)化 高生產(chǎn)率才能滿足市場(chǎng)需求 圖3 20是激光自動(dòng)焊接極耳的裝置示意 作為電池正極片的極耳與安全閥的孔板焊在一起 圖示裝置的核心結(jié)構(gòu)是一個(gè)有36個(gè)V形槽的圓形轉(zhuǎn)盤 V形槽用來(lái)確定電池的位置 在電池極耳下面有放置安全閥的圓坑 安全閥與電池主體可以依圖示裝置自動(dòng)上料 也可以手工上料 圖3 20激光自動(dòng)焊接極耳裝置示意 二 方形電池外殼的激光頂焊密封技術(shù)手機(jī)電池外形尺寸希望越小越好 現(xiàn)在流行的長(zhǎng)方形截面的手機(jī)電池 也稱口香糖電池 其封口一般是在電池頂部有一個(gè)長(zhǎng)方形蓋板 板上帶有正極引出端 將蓋板塞入外殼與口平齊 然后用激光將蓋板與外殼之間的長(zhǎng)方形縫隙 以重復(fù)脈沖方式焊好密封即可 圖3 22新型電池專用YAG激光焊接機(jī) 圖3 23激光頂焊方形電池的方法示意 三 方形電池外殼的激光側(cè)焊密封技術(shù)1 方形電池中心旋轉(zhuǎn)式激光自動(dòng)焊接機(jī)脈沖YAG激光焊接機(jī)的激光平均功率多為300 700W 脈沖重復(fù)頻率1 100Hz 激光脈沖寬度1 10ms 單脈沖最大能量約30J 石英光纖傳輸 光纖長(zhǎng)度10 50m 在光纖出口 由聚焦系統(tǒng)組成激光焊接頭 焊接頭和被焊接電池之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)由微處理機(jī)控制 激光焊接過(guò)程自動(dòng)進(jìn)行 更換電池的動(dòng)作是人工操作 圖3 24電池中心旋轉(zhuǎn)式激光側(cè)焊密封技術(shù) 激光焊接過(guò)程中焊縫熔化階段會(huì)產(chǎn)生電漿火焰 該火焰對(duì)于入射激光光束有遮擋作用 對(duì)激光光束產(chǎn)生吸收和散射 使焊接品質(zhì)下降 圖3 25表示的方法 使激光光束傾斜一個(gè)角度入射 這樣產(chǎn)生的電漿火焰就會(huì)反射到另一個(gè)方向 不再遮擋入射激光光束 圖3 25激光傾斜入射示意 2 側(cè)邊旋轉(zhuǎn)式激光側(cè)焊密封方形電池外殼技術(shù)激光焊接過(guò)程中 靠工作臺(tái)的移動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)就完成了全部焊接過(guò)程 激光不必中斷 稜角焊接效果也好 如果通過(guò)程序設(shè)計(jì) 使激光焊接到稜角位置時(shí) 激光重復(fù)頻率自動(dòng)降低 轉(zhuǎn)到直線焊縫時(shí) 再恢復(fù)到預(yù)置重復(fù)頻率 焊接效果會(huì)更好 焊縫美觀 密封成功率高 生產(chǎn)率也高于前一種方案 圖3 26側(cè)邊旋轉(zhuǎn)式電池焊接方案示意 3 履帶式激光自動(dòng)焊接側(cè)邊密封電池為了保證激光頭到焊縫的距離穩(wěn)定不變 電池上下兩面在激光焊接位置 均有定位壓緊裝置 激光頭L1焊完一邊焊縫之后 傳送帶推動(dòng)電池前移過(guò)程中 設(shè)有電池轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu) 自動(dòng)使電池翻身 焊過(guò)的一面倒向下面 未焊的一面向上 繼續(xù)前進(jìn)時(shí) 便進(jìn)入第二個(gè)激光頭L2 開(kāi)始焊接第二面的焊縫 所有附屬機(jī)構(gòu)與激光頭L1焊接位置一樣 傳送帶向下運(yùn)轉(zhuǎn)的時(shí)候 電池自動(dòng)跌入下料倉(cāng) 完成了電池兩邊的焊接程序 圖3 27履帶式激光自動(dòng)焊接方形電池外殼設(shè)備 4 雙路對(duì)焊式自動(dòng)激光焊接電池激光光束也是由同一臺(tái)激光器輸出 四束激光均進(jìn)入石英光纖 L3和L4與L1 L2也是同時(shí)出光 將還未焊過(guò)的兩條焊縫同時(shí)焊好 至此 電池的四條焊縫經(jīng)兩次焊接即已完成 電池隨即進(jìn)入下料倉(cāng) 圖3 28雙路對(duì)焊方形電池 圖3 29所示為激光經(jīng)過(guò)分束裝置被分別耦合到六根光纖里 然后傳輸?shù)叫枰附拥牡胤?圖3 29激光分光裝置 3 4 2精密儀表零件的激光焊接一 壓力膜片的激光焊接自動(dòng)化壓力傳感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的壓力敏感元件 是一個(gè)厚度僅有0 06mm的不銹鋼膜片 一般口徑有 40 60mm左右 將膜片固定在一個(gè)不銹鋼框架上 組成壓力儀表的一個(gè)零件 最好的固定方法就是采用激光焊接 曾經(jīng)用過(guò)特種膠水粘接 或氬弧焊的方法焊接 相比之下激光焊接還是具有明顯的優(yōu)點(diǎn) 不僅焊縫美觀 而且密封效果好 被焊框架和膜片用壓圈固定好以后 在膜片上方很小的密閉氣室內(nèi)可以充滿具有壓力的氮?dú)?氮?dú)獾淖饔糜袃蓚€(gè) 其一 是保護(hù)激光焊接過(guò)程中熔化金屬不被氧化 使熔道組成的焊縫整齊美觀 其二 是通過(guò)足夠大的壓力 迫使膜片與框架緊密接觸 以保證激光焊接過(guò)程中達(dá)到充分的熱傳導(dǎo)效果 圖3 30帶有氮?dú)馐业膲毫δてす夂附友b置 氮?dú)馐倚枰懿宦?每次更換焊件 夾具又必須反覆開(kāi)啟 因而帶有氮?dú)馐业膴A具 在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上稍顯復(fù)雜 圖3 31所示為一種用機(jī)械方法固定膜片的夾具 這種夾具無(wú)需氮?dú)馐?而是用一個(gè)金字塔形的金屬塊壓緊膜片內(nèi)部 膜片外緣用一個(gè)壓圈壓平 只露出焊縫部份承受激光光束的照射 焊接效果很好 圖3 31壓力膜片的機(jī)械固定裝置 二 精密儀表的激光焊接撓性接頭是撓性陀螺的最關(guān)鍵零件 內(nèi) 外兩層接頭形狀復(fù)雜 容易損壞 不能受到?jīng)_擊 稍有碰撞便不能使用 總之要輕拿輕放 內(nèi) 外兩層接頭要求轉(zhuǎn)過(guò) 焊成一體才能使用 激光焊接撓性接頭 由于零件很小 能夠承受的熱量不大 加到零件上的激光能量過(guò)大時(shí) 會(huì)使工件整體升溫 引起機(jī)械連接處產(chǎn)生塑性變形 使之失去彈性 造成零件損壞 圖3 32 a 中的焊縫可以垂直工件表面焊接 圖3 32 b 中的焊縫工件有臺(tái)階結(jié)構(gòu) 所以將激光光束調(diào)整到左右角度 傾斜入射 焊接效果更好 一般選用瞬時(shí)功率在105 107W cm2 激光平均功率在50 80W之間 重復(fù)頻率10 35Hz 脈沖寬度在3 7ms之間 焊接速度在5mm s 焊縫品質(zhì)較好 焊接時(shí)不需要添加任何焊劑和焊料 焊接完成后工件變形小 熱影響區(qū)也小 一般熔深在0 3 0 5mm左右 焊縫的金相組織為麻田散體 測(cè)試硬度 抗拉強(qiáng)度均達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求 圖3 32激光焊接撓性陀螺接頭示意 為了使激光焊接效果好 當(dāng)密封程序選擇了激光焊接技術(shù)時(shí) 焊縫處的結(jié)構(gòu)形狀最好要有適當(dāng)?shù)男薷?以適應(yīng)激光焊接的需要 首先焊縫處兩個(gè)部份工件的對(duì)接處間隙要小 如果是圓柱形工件 配合部份要選稍緊的滑動(dòng)配合 否則焊后難密封 如圖3 33 a 所示為兩部份工件簡(jiǎn)單對(duì)接 對(duì)接部份因機(jī)械加工精度誤差會(huì)造成對(duì)接間隙 焊接過(guò)程激光引起的火花 可能會(huì)噴進(jìn)儀表內(nèi)部造成電路損傷 最好焊接部份要有止口結(jié)構(gòu) 而且承受激光處的形狀設(shè)計(jì)為圖3 33 b 所示的結(jié)構(gòu) 焊縫兩邊各有一條凹槽 其作用是限制激光熱量向兩邊傳導(dǎo) 強(qiáng)迫激光熱量向焊縫深處傳導(dǎo) 這樣焊接效果更好 焊后激光熔道平整光滑 止口得到了保護(hù)儀表內(nèi)部零件 不會(huì)被激光火花所傷害的作用 圖3 33焊接處止口結(jié)構(gòu) 為了達(dá)到激光焊接后密封良好的效果 還應(yīng)注意考慮以下因素 焊縫處零件表面清潔 不能存在油污 棉絮等有機(jī)物 甚至焊縫處材料的雜質(zhì)也會(huì)造成局部漏氣 激光焊接性能穩(wěn)定可靠 激光參數(shù)能夠大范圍的調(diào)節(jié) 聚焦透鏡焦距的選擇和離焦量的選擇都有關(guān)系 保護(hù)氣體的種類和吹氣壓力 流量也需注意 工件的機(jī)械加工精度 設(shè)計(jì)上的尺寸 公差的選擇 零件焊接前的清潔方法都是與密封效果有關(guān)的因素 類似要求激光密封焊接的儀表零件有小型繼電器 石英振子 心臟起搏器 助聽(tīng)器 各類傳感器等 圖3 34光纖通訊元件的激光焊接裝置 三 儀表電器外殼密封焊接太空航空系統(tǒng)廣泛使用的陀螺儀表 繼電器 石英振子 半導(dǎo)體元件 加速度計(jì) 核燃料盒等 密封焊接之后 大多要求內(nèi)部為真空狀態(tài) 漏氣率小于 Pa L s 漏氣率需用質(zhì)譜儀檢測(cè) 除了用YAG激光焊接之外 任何傳統(tǒng)方法都不能達(dá)到上述要求 脈沖寬度和脈沖形狀對(duì)激光焊接陀螺儀表是一項(xiàng)重要參數(shù) 未經(jīng)成形的激光脈沖 不適合于特殊焊接 單脈沖能量大小也是一項(xiàng)重要參數(shù) 對(duì)于一臺(tái)激光焊接機(jī)而言 單脈沖能量與激光脈沖重復(fù)頻率有關(guān)系 一般對(duì)儀表零件密封焊接時(shí) 單脈沖能量需要大于3J 否則熔化區(qū)較淺 如果熔深小于0 2mm 盡管焊縫外觀平整 氣密性也不好 一般常用激光脈沖能量在5 6J時(shí) 熔深0 3 0 5mm 焊接效果比較好 激光脈沖重復(fù)頻率一方面決定生產(chǎn)率即焊接速度 實(shí)際重點(diǎn)考慮的還是焊接品質(zhì) 一般常用15 35Hz 還要求激光焊接的平均功率大小 當(dāng)脈沖頻率高時(shí) 需要的脈沖能量可以減少 兩脈沖之間的時(shí)間間隔短 前一個(gè)脈沖能量產(chǎn)生熱量導(dǎo)致的溫升還沒(méi)降低 后面脈沖能量又作用上去 使得材料熔化所需的能量會(huì)適當(dāng)降低 在一定重復(fù)頻率之下 只有降低重疊率才能有更高的焊接速度 每一個(gè)激光脈沖在焊縫處都產(chǎn)生一個(gè)半球形熔斑 只有光斑重疊率在60 70 時(shí)氣密封性才好 離焦量的大小在于控制激光功率密度 一般需在104 106W cm2 使激光作用于金屬表面適合于焊接 主要引起焊縫處熔化 而不是汽化 實(shí)現(xiàn)密封焊接還需選用恰當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)氣體 惰性氣體可以防止熔道表面氧化變黑 焊接陀螺儀表常用氬氣或氮?dú)?氬氣效果好 使焊縫白亮 但價(jià)格高 3 4 3激光焊接在汽車制造業(yè)中的應(yīng)用激光焊接是在汽車制造業(yè)中 使用最多的激光加工技術(shù) 最早用在汽車變速箱齒輪組的焊接 采用2 3kW的連續(xù)CO2激光器 再配備必要的清洗 壓緊 轉(zhuǎn)動(dòng)臺(tái) 激光器 水冷系統(tǒng) 導(dǎo)光系統(tǒng) 保護(hù)氣體系統(tǒng)以及在線檢測(cè)設(shè)備 整套設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)起來(lái)加工速度很快 汽車制造業(yè)大量采用激光搭焊薄鋼板和不等厚鋼板 充分利用激光焊縫性能優(yōu)良的特性 焊接后再?zèng)_壓成型 不會(huì)開(kāi)裂 圖3 35是汽車側(cè)門不等厚鋼材搭焊的例子 由最佳組合的幾塊板材焊接而成 經(jīng)一次沖壓后成為車門零件 一方面提高了車身的精度 與老技術(shù)相比 使多個(gè)沖片一體化減少了許多沖模 所以不僅使車身重量減輕 而且使成本下降 圖3 35激光拼焊車門板材 圖3 36采用多個(gè)YAG棒組合的激光器 一輛汽車的車身 底盤共由300種以上的零件組成 采用搭焊技術(shù)后能使零件數(shù)減少66 局部采用厚板就可以去掉加強(qiáng)桿 一次沖壓成型 例如 汽車內(nèi)門板過(guò)去用0 8mm的鋼板沖壓成型 為安裝反光鏡 在安裝基座部位必須焊上加強(qiáng)件 現(xiàn)在將2mm坯板和0 8mm坯板用激光焊在一起 然后沖壓成型 這樣每扇門可以減輕1 35kg 不僅簡(jiǎn)化了制程 而且降低了成本 圖3 37部份采用激光焊接技術(shù)的沖壓成型件 采用激光焊接技術(shù) 把形狀彎曲復(fù)雜的沖壓件 改為激光搭焊件 如圖3 38所示 如果依照零件形狀直接沖裁 圖示陰影部份廢料得不到利用 將零件改成兩塊 沖裁后 再用激光焊接 材料利用可提高10 圖3 38馬自達(dá)公司應(yīng)用激光焊接實(shí)例 圖3 40示出的是日本電裝株式會(huì)社定子固定的技術(shù)發(fā)展過(guò)程 可以看出 激光焊接的焊縫整齊美觀 效果最好 而氬弧焊的焊縫又寬又粗糙 圖3 40汽車電機(jī)定子的固定方法 通用汽車公司用3kW的連續(xù)Nd