激光焊接論文講解

1、摘 要激光束作為一種高能量密度的熱源，由于其潛的優(yōu)勢(shì)，使其在焊接領(lǐng)域得到了迅速的發(fā)展和應(yīng)用，已逐漸成為傳統(tǒng)焊接技術(shù)的補(bǔ)充和發(fā)展，對(duì) 其工藝方法的深入研究可為其在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用建立良好的基礎(chǔ)；另一方面，焊 接過程是一個(gè)高度非線性、多變量耦合，同時(shí)具有大量隨機(jī)不確定因素的復(fù) 雜過程，而人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANN）由于其具有非線性映射及自學(xué)習(xí)等特點(diǎn)， 使其在焊接領(lǐng)域的研究中與傳統(tǒng)方法相比具有一定優(yōu)勢(shì)。本文通過對(duì)YAG激光深熔焊試驗(yàn)的正交設(shè)計(jì)和對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法，建立網(wǎng)絡(luò)模型，并且基于 MATLAB軟件，編程實(shí)現(xiàn)了 YAG激光深熔焊 的熔深預(yù)測(cè)和針對(duì)不同熔深要求對(duì)主要工藝參數(shù)的預(yù)測(cè) 一、激

2、光焊接的主要特性激光焊接是激光材料加工技術(shù)應(yīng)用的重要方面之一。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 C02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。激光焊接的主要優(yōu)點(diǎn)（1）可將入熱量降到最低的需要量，熱影響區(qū)金相變化范圍小，且因 熱傳導(dǎo)所導(dǎo)致的變形亦最低。（

3、2）32mm板厚單道焊接的焊接工藝參數(shù)業(yè)經(jīng)檢定合格，可降低厚板焊 接所需的時(shí)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(jī)具的耗損及變形接可降至最低。（4）激光束易于聚焦、對(duì)準(zhǔn)及受光學(xué)儀器所導(dǎo)引，可放置在離工件適 當(dāng)之距離，且可在工件周圍的機(jī)具或障礙間再導(dǎo)引，其他焊接法則因受到 上述的空間限制而無法發(fā)揮。（5）工件可放置在封閉的空間（經(jīng)抽真空或內(nèi)部氣體環(huán)境在控制下）。（6）激光束可聚焦在很小的區(qū)域，可焊接小型且間隔相近的部件，（7）可焊材質(zhì)種類范圍大，亦可相互接合各種異質(zhì)材料。（8）易于以自動(dòng)化進(jìn)行高速焊接，亦可以數(shù)位或電腦控制。（9

4、）焊接薄材或細(xì)徑線材時(shí)，不會(huì)像電弧焊接般易有回熔的困擾。（10 ）不受磁場(chǎng)所影響（電弧焊接及電子束焊接則容易），能精確的 對(duì)準(zhǔn)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(hù)。（13 ）若以穿孔式焊接，焊道深一寬比可達(dá)10:1（14 ）可以切換裝置將激光束傳送至多個(gè)工作站。激光焊接的主要缺點(diǎn)（1）焊件位置需非常精確，務(wù)必在激光束的聚焦范圍內(nèi)。（2）焊件需使用夾治具時(shí)，必須確保焊件的最終位置需與激光束將沖 擊的焊點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)。（3） 最大可焊厚度受到限制滲透厚度遠(yuǎn)超過19mm勺工件，生產(chǎn)線上 不適合使用激光焊接。（4）高反射性及高導(dǎo)熱性材料如鋁、銅及其合金

5、等，焊接性會(huì)受激光 所改變。（5）當(dāng)進(jìn)行中能量至高能量的激光束焊接時(shí)，需使用等離子控制器將 熔池周圍的離子化氣體驅(qū)除，以確保焊道的再出現(xiàn)。（6） 能量轉(zhuǎn)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(shè)備昂貴。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(shí)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(duì)于材料 去除加工，如打孔、切割、雕刻有利。對(duì)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 10

6、4106W/CM2。2、激光脈沖波形。激光脈沖波形在激光焊接中是一個(gè)重要問題， 尤其對(duì)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(huì)有6098%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(gè)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(jià)及體積的關(guān)鍵參數(shù)。4、離焦量對(duì)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?yàn)榧す饨裹c(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(duì)均勻。離 焦方式有兩種：正離焦與負(fù)離焦。 焦平面

7、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(shí)，所對(duì)應(yīng)平面上功率密度近似相同， 但實(shí)際上所獲得的熔池形狀不同。 負(fù)離焦時(shí)， 可獲得更大的熔深， 這與熔池的形 成過程有關(guān)。實(shí)驗(yàn)表明，激光加熱 50200us 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(shí)， 高濃度汽體使液相金屬運(yùn)動(dòng)至熔池邊緣， 在熔池中心形成凹陷。 當(dāng)負(fù)離焦時(shí)， 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(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)要求熔深較大時(shí)，采用負(fù)離焦；焊接薄材料時(shí)，宜用 正離焦。四、激光焊接工藝方

8、法。1、片與片間的焊接。 包括對(duì)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(duì)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(shí)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

9、于印刷電路板的焊接，尤其實(shí)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)：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(fù)操作穩(wěn)定性好。 焊劑對(duì)焊接工具污染小， 且激光照射時(shí)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(shí)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(shí)間與空間分割，能實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)同時(shí)對(duì)稱焊。5 、激光釬焊多用波長(zhǎng) 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。

10、6、聚焦性好，易于實(shí)現(xiàn)多工位裝置的自動(dòng)化六、激光深熔焊。1、冶金過程及工藝?yán)碚摗?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(gè)充滿蒸汽的小孔猶如一個(gè)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(gè)高溫孔腔外壁傳遞出來，使包圍著這個(gè)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?？妆谕庖后w流動(dòng)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(dòng)態(tài)平衡。光束不斷進(jìn) 入小孔，小孔外

11、材料在連續(xù)流動(dòng)，隨著光束移動(dòng)，小孔始終處于流動(dòng)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(dòng)，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(duì)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(zhǎng)，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?yàn)槿廴诮饘賴鴪A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?yàn)樵辞粶囟群芨撸刍^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

12、密性。因?yàn)?充滿高溫蒸汽的小孔有利于熔接熔池?cái)嚢韬蜌怏w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?yàn)楣馐?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(shí)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(dòng)轉(zhuǎn)費(fèi)用也比較低，可以降低生產(chǎn)成

13、本。 （5）容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，對(duì) 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(gè)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(gè)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(dòng)化過程。為了有效實(shí)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(gè)大的焊接系統(tǒng)。這個(gè)系統(tǒng)包括激光器、光束傳輸組 件、工件的裝卸和移動(dòng)裝置，還有控制裝置。這個(gè)系統(tǒng)可以是僅由操作者簡(jiǎn)單 地手工搬運(yùn)

14、和固定工件，也可以是包括工件能自動(dòng)的裝、卸、固定、焊接、檢 驗(yàn)。這個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)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(shí)需要預(yù)熱。當(dāng)不同含碳量的鋼相互焊接時(shí)，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