激光焊接的工作原理及其主要工藝參數(shù)

1、激光焊接的工作原理及其主要工藝參數(shù)目前常用的焊接工藝有電弧焊、 電阻焊、 釬焊、 電子束焊等。電弧焊是目前應(yīng)用最廣泛 的焊接方法，它包括手弧焊、埋弧焊、鎢極氣體保護電弧焊、等離子弧焊、熔化極氣體保護 焊等。 但上述各種焊接方法都有各自的缺點， 比如空間限制， 對于精細器件不易操作等，而 激光焊接不但不具有上述缺點， 而且能進行精確的能量控制， 可以實現(xiàn)精密微型器件的焊接。 并且它能應(yīng)用于很多金屬，特別是能解決一些難焊金屬及異種金屬的焊接。激光指在能量相應(yīng)與兩個能級能量差的光子作用下，誘導(dǎo)高能態(tài)的原子向低能態(tài)躍遷， 并同時發(fā)射出相同能量的光子。 激光具有方向性好、 相干性好、 單色性好、 光脈沖

2、窄等優(yōu)點。 激光焊接是利用大功率相干單色光子流聚焦而成的激光束為熱源進行的焊接， 這種焊接通常 有連續(xù)功率激光焊和脈沖功率激光焊。激光焊接從上世紀 60 年代激光器誕生不久就開始了 研究，從開始的薄小零器件的焊接到目前大功率激光焊接在工業(yè)生產(chǎn)中的大量的應(yīng)用，經(jīng)歷了近半個世紀的發(fā)展。由于激光焊接具有能量密度高、變形小、熱影響區(qū)窄、焊接速度高、 易實現(xiàn)自動控制、 無后續(xù)加工的優(yōu)點， 近年來正成為金屬材料加工與制造的重要手段，越來越廣泛地應(yīng)用在汽車、航空航天、造船等領(lǐng)域。雖然與傳統(tǒng)的焊接方法相比，激光焊接尚存 在設(shè)備昂貴、 一次性投資大、 技術(shù)要求高的問題， 但激光焊接生產(chǎn)效率高和易實現(xiàn)自動控制 的

3、特點使其非常適于大規(guī)模生產(chǎn)線。2. 激光焊接原理2.1 激光產(chǎn)生的基本原理和方法光與物質(zhì)的相互作用， 實質(zhì)上是組成物質(zhì)的微觀粒子吸收或輻射光子。 微觀粒子都具有 一套特定的能級， 任一時刻粒子只能處在與某一能級相對應(yīng)的狀態(tài)， 物質(zhì)與光子相互作用時， 粒子從一個能級躍遷到另一個能級， 并相應(yīng)地吸收或輻射光子。 光子的能量值為此兩能級的 能量差 E,頻率為v = E/h。愛因斯坦認為光和原子的相互作用過程包含原子的自發(fā)輻射 躍遷、受激輻射躍遷和受激吸收躍遷三種過程。我們考慮原子的兩個能級E1和E2,處于兩個能級的原子數(shù)密度分別為N1和N2。構(gòu)成黑體物質(zhì)原子中的輻射場能量密度為p,并有E2-E1=h

4、 v 。2.1. 自發(fā)輻射處于激發(fā)態(tài)的原子如果存在可以接納粒子的較低能級,即使沒有外界作用, 粒子也有一定的概率自發(fā)地從高能級激發(fā)態(tài)（E2）向低能級基態(tài)（E1）躍遷，同時輻射出能量為（E2-E1）的光子,光子頻率 v =（ E2-E1 ） /h 。這種輻射過程稱為自發(fā)輻射。自發(fā)輻射發(fā)出的光,不 具有相位、偏振態(tài)上的一致,是非相干光。2.2. 受激輻射除自發(fā)輻射外，處于高能級E2上的粒子還可以另一方式躍遷到較低能級。當頻率為 v=（E2-E1） /h的光子入射時，也會引發(fā)粒子以一定的概率，迅速地從能級 E2躍遷到能級E1,同時輻射一個與外來光子頻率、 相位、 偏振態(tài)以及傳播方向都相同的光子, 這

5、個過程稱為受 激輻射。2.3. 受激吸收受激輻射的反過程就是受激吸收。 處于低能級E1的一個原子，在頻率為的輻射場作用 下吸收一個能量為 hv的光子，并躍遷至高能級 E2,這種過程稱為受激吸收。 自發(fā)輻射是不 相干的,受激輻射是相干的。由受激輻射和自發(fā)輻射的相干性可知, 相干輻射的光子簡并度很大。 普通光源在紅外和 可見光波段實際上是非相干光源。如果能夠創(chuàng)造這樣一種情況： 使得腔內(nèi)某一特定模式的 p很大, 而其他所有模式的都很小,就能夠在這一特定模式內(nèi)形成很高的光子簡并度, 使相干 的受激輻射光子集中在某一特定模式內(nèi)， 而不是平均分配在所有模式中。 激光器就是采用各 種技術(shù)措施減少腔內(nèi)光場的模

6、式數(shù)、使介質(zhì)的受激輻射恒大于受激吸收來提高光子簡并度， 從而達到產(chǎn)生激光的目的。產(chǎn)生激光的基本條件： 一是能在外界激勵能源的作用下形成粒子數(shù)密度反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)的 增益介質(zhì)；二是要使受激發(fā)射光強超過受激吸收，必須實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn) N2/G2- N1/G10 ； 三是要使受激發(fā)射光強超過自發(fā)發(fā)射，必須提高光子簡并度。2.2. 激光焊接原理 激光焊接可以采用連續(xù)或脈沖激光束加以實現(xiàn)， 激光焊接的原理可分為熱傳導(dǎo)型焊接和 激光深熔焊接。功率密度小于104105 W/cm2為熱傳導(dǎo)焊接，此時熔深淺、焊接速度慢；功率密度大于105107 W/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

7、、 深寬比大的特點 1 。其中熱傳導(dǎo)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(dǎo)向內(nèi)部擴散， 通過控制激光脈沖的寬度、 能量、 功率和頻率等參數(shù)使工 件熔化形成特定的熔池。激光深熔焊接一般采用連續(xù)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，能量轉(zhuǎn)換機制是通過小孔完成。在高功率密度激光的照射下，材料蒸發(fā)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能量， 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。 在光束照射下的壁體材料連續(xù)蒸發(fā)產(chǎn)生高溫 蒸汽，孔壁外液體流動形成的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

8、動態(tài)平 衡。光束不斷進入小孔， 小孔始終處于流動的穩(wěn)定狀態(tài)， 圍著孔壁的熔融金屬隨著前導(dǎo)光束 前進而向前移動，熔融金屬填充小孔移開后留下的空隙并隨之冷凝，焊縫于是形成。3. 激光焊接的優(yōu)缺點激光焊接具有很多優(yōu)點。 激光焊接可以將熱量降到最低的需要量， 熱影響區(qū)金相變化范 圍小， 而且因熱傳導(dǎo)所導(dǎo)致的變形也很低；不需使用電極，沒有電極污染或受損的顧慮；激 光束易于聚焦、 對準及受光學(xué)儀器所導(dǎo)引， 可放置在離工件適當?shù)木嚯x， 且可在工件周圍的 機具或障礙間再導(dǎo)引， 其他焊接法則因受到上述的空間限制而無法發(fā)揮作用； 工件可放置在 封閉的空間內(nèi)， 激光束可聚焦在很小的區(qū)域， 可焊接小型或間隔相近的部件

9、。 另外激光焊接 可焊材質(zhì)的種類范圍很大，可以相互接合各種異質(zhì)材料，并且易于以自動化進行高速焊接， 也可以數(shù)位或電腦控制； 用激光焊接薄材或細徑線材時， 不會像電弧焊接容易有回熔的困擾， 而且激光焊接不受磁場所影響，能精確地對準焊件。激光焊接也有一些缺點，主要表現(xiàn)在以下幾個方面。一是焊件位置需非常精確，務(wù)必 在激光束的聚焦范圍內(nèi)； 二是焊件需使用夾具時， 必須確保焊件的最終位置需與激光束將沖 擊的焊點對準；三是最大可焊厚度受到限制，滲透厚度遠超過19mm勺工件在生產(chǎn)線上不適合使用激光焊接。 四是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(qū)除，以確保焊道的再

10、出現(xiàn)。最后，能量轉(zhuǎn)換效率太低，通常小于10%；焊道快速凝固， 可能有氣孔及脆化的顧慮， 并且設(shè)備昂貴。 表 1 對各種焊接工藝進行了比較。表 1 不同焊接工藝的各種性能比較焊接工藝 精度 變形 熱影響 焊縫質(zhì)量 焊料激光焊 精密 小 很小 好 無釬焊 精糙 一般 一般 一般 需要電阻焊 精糙 大 大 一般 無氬弧焊 一般 大 大 一般 需要等離子焊 較好 一般 一般 一般 需要電子束焊 精密 小 小 好 無4. 激光焊接的工藝參數(shù)一般而言，激光焊接的工藝參數(shù)有功率密度、激光脈沖波形、激光脈沖寬度、離焦量、 焊接速度和保護氣體等，圖 1 是激光焊接的主要工藝參數(shù)圖。4.1. 功率密度：功率密度是

11、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， 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、雕刻十分有利。對于較低功率密度，表層溫度達到沸點需要經(jīng)歷數(shù)毫秒， 在表層汽化前，底層達到熔點，易形成良好的熔融焊接。42激光脈沖波形：當高強度激光束射至材料表面，金屬表面將會有6098%勺激光能量反射而損失掉，尤其是金、銀、銅、鋁、鈦等材料反射強、傳熱快。一個激光脈沖訊號過 程中， 金屬勺反射率隨時間而變化。 當材料表面溫度升高到熔點時，反射率會迅速下降，當 表面處于熔化狀態(tài)時，反射穩(wěn)定于某一值。4.3. 激光脈沖寬度： 脈寬是脈沖激光焊接勺

12、重要參數(shù)， 。脈寬由熔深與熱影響分區(qū)確定， 脈寬越長熱影響區(qū)越大，熔深隨脈寬勺 1/2 次方增加。但脈沖寬度勺增大會降低峰值功率， 因此增加脈沖寬度一般用于熱傳導(dǎo)焊接方式， 形成勺焊縫尺寸寬而淺， 尤其適合薄板和厚板勺搭接焊。 但是， 較低勺峰值功率會導(dǎo)致多余勺熱輸入， 每種材料都有一個可使熔深達到最 大勺最佳脈沖寬度 2 。4.4. 離焦量： 激光焊接通常需要一定勺離焦量， 因為激光焦點處光斑中心勺功率密度過 高，容易蒸發(fā)成孔。離開激光焦點勺各平面上，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(xué)理論，當正負 離焦平面與焊接平

13、面距離相等時， 所對應(yīng)平面上勺功率密度近似相同， 但實際上所獲得勺熔 池形狀有一定差異。負離焦時，可獲得更大勺熔深，這與熔池勺形成過程有關(guān)。4. 5. 焊接速度：焊接速度對熔深有較大勺影響，提高速度會使熔深變淺，但速度過低 又會導(dǎo)致材料過度熔化、 工件焊穿。 因此， 對一定激光功率和一定厚度勺特定材料有一個合 適勺焊接速度范圍，并在其中相應(yīng)速度值時可獲得最大熔深。3.6. 保護氣體： 激光焊接過程常使用惰性氣體來保護熔池， 對大多數(shù)應(yīng)用場合則常使用 氦、氬、 氮等氣體作保護。 保護氣體勺第二個作用是保護聚焦透鏡免受金屬蒸氣污染和液體 熔滴勺濺射，在高功率激光焊接時， 噴出物非常有力，此時保護透

14、鏡則更為必要。 保護氣體 勺第三個作用是可以有效驅(qū)散高功率激光焊接產(chǎn)生勺等離子屏蔽。 金屬蒸氣吸收激光束電離 成等等離子體，如果等離子體存在過多，激光束在某種程度上會被等離子體消耗掉。圖 1 激光焊接勺主要工藝參數(shù)5. 激光焊接勺應(yīng)用隨著大功率激光器勺出現(xiàn)， 激光焊接在機械、 造船、 汽車、航空航天等領(lǐng)域獲得日益廣 泛勺應(yīng)用。 激光焊接早已應(yīng)用在汽車制造業(yè)， 隨著車身防腐蝕和降低車重勺要求， 鋁材料已 經(jīng)廣泛應(yīng)用在發(fā)動機、 輪圈、 儀表板等零部件上。 激光焊接在航空制造業(yè)勺應(yīng)用也已經(jīng)非常 廣泛， 飛機機身由眾多零部件組成， 需要鉚釘連接，鉚釘技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到了極限， 很難再有 所突破，激光焊接成為一種理想勺替代技術(shù)，采用激光焊接技術(shù)還可以使機身勺重量減輕 15%。近年來，雙光束激光焊接正成為激光焊接領(lǐng)域勺熱門技術(shù)，研究發(fā)現(xiàn)，采用雙光束激 光焊接能降低熔池勺冷卻速率， 對含碳量較高勺鋼材能顯著提高焊縫質(zhì)量， 同時， 雙光束激 光焊接勺表面熔化蒸氣團更為穩(wěn)定，有利于形成穩(wěn)定勺焊縫質(zhì)量，減少氣孔等缺陷。在汽車工業(yè)中， 板材拼焊能生產(chǎn)出面積更大勺鋼板， 而將不同材料和厚度勺鋼板連接 在一起，又可減輕車體重量，減少廢料， 從而節(jié)約原材料。因而拼焊成形已成為汽車制造勺 重要工藝 3 。激光拼焊具有其他拼焊技術(shù)沒有勺一些優(yōu)點， 比如焊接性能高、 壓制性能好、 噴涂能力好、 拼