激光焊接PPT課件

1、目 錄 各種焊接技術(shù)及其優(yōu)缺點 激光焊接技術(shù) 激光焊接的優(yōu)缺點 激光焊接的工藝參數(shù) 激光焊接的發(fā)展 激光焊接的應用舉例第1頁/共110頁各種焊接技術(shù)及其優(yōu)缺點第2頁/共110頁焊接技術(shù)簡介 目前常用的焊接工藝有： 電弧焊（氬弧焊、手弧焊、埋弧焊、鎢極氣體保護電弧焊、等離子弧焊、氣體保護焊） 電阻焊 高能束焊（電子束焊、激光焊） 釬焊 以電阻熱為能源：電渣焊、高頻焊 ； 以化學能為焊接能源：氣焊、氣壓焊、爆炸焊； 以機械能為焊接能源：摩擦焊、冷壓焊、超聲波焊、擴散焊 第3頁/共110頁各種焊接特性對比焊接工藝焊接工藝精度精度變形變形熱影響熱影響 焊縫質(zhì)量焊縫質(zhì)量焊料焊料使用條件使用條件激光焊激光

2、焊精密精密小小很小很小好好無無釬焊釬焊精糙精糙一般一般一般一般一般一般需要需要整體加熱整體加熱電阻焊電阻焊精糙精糙大大大大一般一般無無需要電極需要電極氬弧焊氬弧焊一般一般大大大大一般一般需要需要需要電極需要電極等離子焊等離子焊較好較好一般一般一般一般一般一般需要需要需要電極需要電極電子束焊電子束焊精密精密小小小小好好無無需要真空需要真空第4頁/共110頁1.電弧焊 絕大部分電弧焊是以電極與工件之間燃燒的電弧作熱源。在形成接頭時，可以采用也可以不采用填充金屬。 熔化極電弧焊，諸如手弧焊、埋弧焊、氣體保護電弧焊、管狀焊絲電弧焊等； 不熔化極電弧焊，諸如鎢極氬弧焊、等離子弧焊等。 第5頁/共110頁

3、電弧焊-埋弧焊 埋弧焊（含埋弧堆焊及電渣堆焊等）是一種電弧在焊劑層下燃燒進行焊接的方法。 焊接質(zhì)量穩(wěn)定、焊接生產(chǎn)率高、無弧光及煙塵很少等優(yōu)點，使其成為壓力容器、管段制造、箱型梁柱等重要鋼結(jié)構(gòu)制作中的主要焊接方法。第6頁/共110頁電弧焊-等離子焊 等離子弧焊是利用等離子弧作為熱源的焊接方法。氣體由電弧加熱產(chǎn)生電離，在高速通過水冷噴嘴時受到壓縮，增大能量密度和電離度，形成等離子弧。 穩(wěn)定性、發(fā)熱量和溫度都高于一般電弧，具有較大的熔透力和焊接速度。 形成等離子弧的氣體和它周圍的保護氣體一般用氬。 第7頁/共110頁電弧焊-熔化極氣體保護焊 采用可熔化的焊絲與焊件之間的電弧作為熱源來熔化焊絲與母材金

4、屬，并向焊接區(qū)輸送保護氣體，使電弧、熔化的焊絲、熔池及附近的母材金屬免受周圍空氣的有害作用。 熔化極氣體保護電弧焊通常用的保護氣體有：氬氣、氦氣、CO2氣或這些氣體的混合氣。 第8頁/共110頁2.電阻焊 電阻焊一般是使工件處在一定電極壓力作用下并利用電流通過工件時所產(chǎn)生的電阻熱將兩工件之間的接觸表面熔化而實現(xiàn)連接的焊接方法。 焊接電流大，通電時間短，設備昂貴、復雜，生產(chǎn)率高，因此適于大批量生產(chǎn)。主要用于焊接厚度小于3mm的薄板組件。 第9頁/共110頁3 3釬焊釬焊 釬焊是指用比母材熔點低的金屬材料作為釬料，用液態(tài)釬料潤濕母材和填充工件接口間隙并使其與母材相互擴散的焊接方法。 釬焊變形小，接

5、頭光滑美觀，適合于焊接精密、復雜和由不同材料組成的構(gòu)件，如硬質(zhì)合金刀具和印刷電路板等。 釬焊前對工件必須進行細致加工和嚴格清洗，除去油污釬焊前對工件必須進行細致加工和嚴格清洗，除去油污 和過厚的氧化膜，保證接口裝配間隙，一般要求在和過厚的氧化膜，保證接口裝配間隙，一般要求在 0.01 0.1毫米之間。毫米之間。 第10頁/共110頁4 4高能束焊-電子束焊 電子束焊接的基本原理是電子槍中的陰極由于直接或間接加熱而發(fā)射電子，該電子在高壓靜電場的加速下再通過電磁場的聚焦就可以形成能量密度極高的電子束，用此電子束去轟擊工件，巨大的動能轉(zhuǎn)化為熱能，使焊接處工件熔化，形成熔池，從而實現(xiàn)對工件的焊接。 電

6、子束焊接具有不用焊條、不易氧化、工藝重復性好及熱變形量小的優(yōu)點。 焊接準備時間（主要是抽真空時間）較長，工件尺寸受真空室大小限制。電子束焊與電弧焊相比，主要的特點是焊縫熔深大、熔寬小、焊縫金屬純度高。 第11頁/共110頁4.4.高能束焊-激光焊接 激光焊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。 這種焊接方法通常有連續(xù)功率激光焊和脈沖功率激光焊。 激光焊優(yōu)點是不需要在真空中進行，缺點則是穿透力不如電子束焊強。激光焊時能進行精確的能量控制，因而可以實現(xiàn)精密微型器件的焊接。 它能應用于很多金屬，特別是能解決一些難焊金屬及異種金屬的焊接。 第12頁/共110頁激光焊接原理第13頁

7、/共110頁引 言 激光焊接從上世紀60年代激光器誕生不久就開始了研究，從開始的薄小零件或器件的焊接到目前大功率激光焊接在工業(yè)生產(chǎn)中的大量的應用，經(jīng)歷了近40年的發(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，越來越廣泛地應用在汽車、航空航天、國防工業(yè)、造船、海洋工程、核電設備等領域，所涉及的材料涵蓋了幾乎所有的金屬材料。 雖然與傳統(tǒng)的焊接方法相比，激光焊接尚存在設備昂貴，一次性投資大，技術(shù)要求高的問題，使得激光焊接在我國的工業(yè)應用還相當有限，但激光焊接生產(chǎn)效率高和易實現(xiàn)自動控制的特點使其非常適于大

8、規(guī)模生產(chǎn)線和柔性制造。 第14頁/共110頁激光的產(chǎn)生原理及特性 -說明為什么可以用于焊接 三要素：激勵源，介質(zhì)，諧振腔。介質(zhì)受到激發(fā)至高能量狀態(tài)，由于受激吸收躍遷光在兩端鏡間來回反射，將光波放大，并獲得足夠能量而開始發(fā)射出激光。 激光的四性：單色性、相干性、方向性、高亮度 因而高度集中的激光可以提供焊接、切割及熱處理等功能第15頁/共110頁激光加工技術(shù)概述第16頁/共110頁激光加工技術(shù)概述第17頁/共110頁為什么要采用激光第18頁/共110頁激光加工技術(shù)概述第19頁/共110頁激光加工技術(shù)概述第20頁/共110頁激光加工技術(shù)概述第21頁/共110頁激光加工技術(shù)概述第22頁/共110頁表

9、面改性處理第23頁/共110頁激光表面涂敷處理第24頁/共110頁激光加工技術(shù)概述第25頁/共110頁激光表面雕刻第26頁/共110頁激光加工技術(shù)概述激激光光表表面面雕雕刻刻技技術(shù)術(shù)第27頁/共110頁激激光光表表面面雕雕刻刻技技術(shù)術(shù)第28頁/共110頁各種激光加工方法應用比例第29頁/共110頁激光焊接的特點第30頁/共110頁激光焊接的主要優(yōu)點（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，且因熱傳導所導致的變形亦最低。 （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

10、于接觸式焊接制程，機具的耗損及變形接可降至最低。 （4）激光束易于聚焦、對準及受光學儀器所導引，可放置在離工件適當之距離，且可在工件周圍的機具或障礙間再導引，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。 第31頁/共110頁激光焊接的主要優(yōu)點（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）易于以自動化進行高速焊接，亦可以數(shù)位或電腦控制。 （9）焊接薄材或細徑線材時，不會像電弧焊接般易有回熔的困擾。 （10）不受磁場所影響（電弧焊接及電子束焊接則容易），能精

11、確的對準焊件。 （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。 （13）若以穿孔式焊接，焊道深一寬比可達10:1 （14）可以切換裝置將激光束傳送至多個工作站。 第32頁/共110頁激光焊接的主要缺點（1）焊件位置需非常精確，務必在激光束的聚焦范圍內(nèi)。 （2）焊件需使用夾治具時，必須確保焊件的最終位置需與激光束將沖擊的焊點對準。 （3）最大可焊厚度受到限制滲透厚度遠超過19mm的工件，生產(chǎn)線上不適合使用激光焊接。 （4）高反射性及高導熱性材料如鋁、銅及其合金等，焊接性會受激光所改變。 （5）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

12、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）設備昂貴。 第33頁/共110頁激光焊接的分類第34頁/共110頁熱導焊 采用的激光光斑功率密度小于10W/cm2時，激光將金屬表面加熱到熔點與沸點之間，焊接時，金屬材料表面將所吸收的激光能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，使金屬表面溫度升高而熔化，然后通過熱傳導方式把熱能傳向金屬內(nèi)部，使熔化區(qū)逐漸擴大，凝固后形成焊點或焊縫，其熔深輪廓近似為半球形。這種焊接機理稱為傳熱焊。第35頁/共110頁深熔焊 當激光光斑上的功率密度當激光光斑上的功率密度足夠大時，金屬在激光的照射足夠大時，金屬

13、在激光的照射下被迅速加熱，其表面溫度在下被迅速加熱，其表面溫度在極短的時間內(nèi)，升高到沸點，極短的時間內(nèi)，升高到沸點，使金屬熔化和氣化。當金屬氣使金屬熔化和氣化。當金屬氣化時，所產(chǎn)生的金屬蒸氣以一化時，所產(chǎn)生的金屬蒸氣以一定的速度離開熔池，金屬蒸氣定的速度離開熔池，金屬蒸氣的逸出對熔化的液態(tài)金屬產(chǎn)生的逸出對熔化的液態(tài)金屬產(chǎn)生一個附加壓力，使熔池金屬表一個附加壓力，使熔池金屬表面向下凹陷，面向下凹陷，在激光光斑下產(chǎn)在激光光斑下產(chǎn)生一個深度穩(wěn)定的孔而進行的生一個深度穩(wěn)定的孔而進行的焊接焊接。第36頁/共110頁小孔效應焊穿透焊第37頁/共110頁激光焊的應用第38頁/共110頁激光焊接應用激光焊接應

14、用汽車制造汽車制造第39頁/共110頁汽車制造業(yè)發(fā)展趨勢汽車制造業(yè)發(fā)展趨勢第40頁/共110頁激光焊在汽車制造中應用形式激光焊在汽車制造中應用形式第41頁/共110頁激光拼焊激光拼焊第42頁/共110頁第43頁/共110頁第44頁/共110頁汽車傳動零部件激光焊接汽車傳動零部件激光焊接第45頁/共110頁汽車傳動零部件激光焊接汽車傳動零部件激光焊接 用激光可以焊接一些要求強度高、變形小,用傳統(tǒng)方法無法焊接的特種材料的汽車零部件第46頁/共110頁激光加工技術(shù)在汽車中的應用第47頁/共110頁激光加工應用激光加工應用船舶制造船舶制造第48頁/共110頁造船采用高功率激光焊接的優(yōu)點造船采用高功率激

15、光焊接的優(yōu)點 焊接生產(chǎn)率大大提高，這是由于: 激光焊接速度快 激光焊接熔深大 可單道焊或減少焊道數(shù) 焊后矯形工作量大大減少 船塢焊接工作量大大減少 船舶的精度制造成為可能 一些特殊結(jié)構(gòu)，如三明治結(jié)構(gòu)焊接成為可能 有利于結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計，減輕結(jié)構(gòu)重量 有利于船舶的模塊化設計制造第49頁/共110頁三明治船板激光復合焊三明治船板激光復合焊第50頁/共110頁三明治結(jié)構(gòu)板激光焊接形式三明治結(jié)構(gòu)板激光焊接形式第51頁/共110頁激光加工應用激光加工應用航空航天航空航天第52頁/共110頁火箭燃料箱激光焊接火箭燃料箱激光焊接第53頁/共110頁空客空客380380鋁合金殼體的激光焊接鋁合金殼體的激光焊接第5

16、4頁/共110頁飛機鋁合金箱體零部件激光焊接飛機鋁合金箱體零部件激光焊接第55頁/共110頁激光加工的應用鋼鐵生產(chǎn)第56頁/共110頁激光焊接在鋼鐵生產(chǎn)中的應用第57頁/共110頁軋輥激光堆焊或激光熔焊第58頁/共110頁連續(xù)冷軋鋼帶的激光在線焊接第59頁/共110頁導電輥哈氏合金筒體的激光焊接第60頁/共110頁哈氏合金導電輥制造過程第61頁/共110頁激 光 焊 設 備第62頁/共110頁激光的產(chǎn)生第63頁/共110頁激 光 器 激光器是利用受激輻射原理使光在某些受激發(fā)的物質(zhì)中放大或振蕩發(fā)射的器件。固體激光器（晶體和玻璃），這類激光器所采用的工作物質(zhì)，是通過把能夠產(chǎn)生受激輻射作用的金屬離子

17、摻入晶體或玻璃基質(zhì)中構(gòu)成發(fā)光中心而制成的；氣體激光器，它們所采用的工作物質(zhì)是氣體，并且根據(jù)氣體中真正產(chǎn)生受激發(fā)射作用之工作粒子性質(zhì)的不同，而進一步區(qū)分為原子氣體激光器、離子氣體激光器、分子氣體激光器、準分子氣體激光器等。CO2激光器中，主要的工作物質(zhì)由CO2，氮氣，氦氣三種氣體組成。其中CO2是產(chǎn)生激光輻射的氣體、氮氣及氦氣為輔助性氣體。第64頁/共110頁常用激光器的種類第65頁/共110頁CO2激光器的分類第66頁/共110頁CO2激光器的分類第67頁/共110頁CO2激光器的分類第68頁/共110頁CO2激光器的分類第69頁/共110頁CO2激光器的分類第70頁/共110頁第71頁/共1

18、10頁激光器的比較第72頁/共110頁第73頁/共110頁激光焊接的工藝參數(shù)第74頁/共110頁激光焊接主要工藝參數(shù)第75頁/共110頁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。因此，在傳導型激光焊接中，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

19、高強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。 第76頁/共110頁激光焊接的工藝參數(shù) (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)，也是決定加工設備造價及體積的關鍵參數(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：正離焦與負離焦。焦平面位于工件上方為正離焦，反之為負離焦。 當正負離焦平面與焊接平面距

20、離相等時，所對應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。負離焦時，可獲得更大的熔深，這與熔池的形成過程有關。 實驗表明，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，高濃度汽體使液相金屬運動至熔池邊緣，在熔池中心形成凹陷。當負離焦時，材料內(nèi)部功率密度比表面還高，易形成更強的熔化、汽化，使光能向材料更深處傳遞。 所以在實際應用中，當要求熔深較大時，采用負離焦；焊接薄材料時，宜用正離焦。 第77頁/共110頁激光焊接的工藝參數(shù) 對于激光深熔焊接的主要工藝參數(shù)：1)激光功率。激光焊接中存在一個激光能量密度閾值

21、，低于此值，熔深很淺，一旦達到或超過此值，熔深會大幅度提高。只有當工件上的激光功率密度超過閾值（與材料有關），等離子體才會產(chǎn)生，這標志著穩(wěn)定深熔焊的進行。2)光束焦斑。光束斑點大小是激光焊接的最重要變量之一，因為它決定功率密度。 3)材料吸收值。材料對激光的吸收取決于材料的一些重要性能，如吸收率、反射率、熱導率、熔化溫度、蒸發(fā)溫度等，其中最重要的是吸收率。 4)焊接速度。焊接速度對熔深影響較大，提高速度會使熔深變淺，但速度過低又會導致材料過度熔化、工件焊穿。所以，對一定激光功率和一定厚度的某特定材料有一個合適的焊接速度范圍，并在其中相應速度值時可獲得最大熔深。 第78頁/共110頁激光焊接的工

22、藝參數(shù) 5)保護氣體。激光焊接過程常使用惰性氣體來保護熔池 。大多數(shù)應用場合則常使用氦、氬、氮等氣體作保護，使工件在焊接過程中免受氧化。 6)透鏡焦距。焊接時通常采用聚焦方式會聚激光，一般選用63254mm(2.5”10”)焦距的透鏡。 7)焦點位置。焊接時，為了保持足夠功率密度，焦點位置至關重要。焦點與工件表面相對位置的變化直接影響焊縫寬度與深度。 8)激光束位置。對不同的材料進行激光焊接時，激光束位置控制著焊縫的最終質(zhì)量，特別是對接接頭的情況比搭接結(jié)頭的情況對此更為敏感。 9)焊接起始、終止點的激光功率漸升、漸降控制。激光深熔焊接時，不管焊縫深淺，小孔現(xiàn)象始終存在。當焊接過程終止、關閉功率

23、開關時，焊縫尾端將出現(xiàn)凹坑。另外，當激光焊層覆蓋原先焊縫時，會出現(xiàn)對激光束過度吸收，導致焊件過熱或產(chǎn)生氣孔。 第79頁/共110頁焊接速度、焊縫深度與激光功率關系第80頁/共110頁焊接速度、焊縫深度與焦距關系第81頁/共110頁焦點半徑、焊接速度對焊縫截面影響第82頁/共110頁激光焊接基本接頭形式第83頁/共110頁激光焊接的發(fā)展第84頁/共110頁第85頁/共110頁激光焊接技術(shù)第86頁/共110頁激光焊接的發(fā)展 -激光填絲焊接 激光填絲焊接是指在焊縫中預先填入特定焊接材料后用激光照射熔化或在激光照射的同時填入焊接材料以形成焊接接頭的方法。激光填絲焊接與非填絲焊接相比, 具有如下優(yōu)點:

24、(1)解決了對工件加工裝配要求嚴格的問題; (2)可實現(xiàn)較小功率焊接較厚較大零件; (3)通過調(diào)節(jié)填絲成分, 可控制焊縫區(qū)域組織性能。第87頁/共110頁激光焊接的發(fā)展 -激光電弧復合焊接 這種復合焊接主要指激光與TIG或MIG電弧復合焊接。在這種工藝中,激光和電弧相互作用、取長補短。 例如,激光焊接的能量利用率低的重要原因是焊接過程中產(chǎn)生的等離子體云對激光的吸收和散射,且等離子體對激光的吸收與正負離子密度的乘積成正比;如果在激光束附近外加電弧,電子密度顯著降低,等離子體云得到稀釋,對激光的消耗減小,工件對激光的吸收率提高。而且由于工件對激光的吸收率隨溫度的升高而增大,電弧對焊接母材接口進行預

25、熱,使接口開始被激光照射時的溫度升高,也使激光的吸收率進一步提高。這種效果尤其對于激光反射率高、導熱系數(shù)高的材料更加顯著這種效果尤其對于激光反射率高、導熱系數(shù)高的材料更加顯著第88頁/共110頁激光焊接的發(fā)展 -激光電弧復合焊接 TIG焊（惰性氣體鎢極保護焊） 鎢極氬弧焊具有下列優(yōu)點： 1）氬氣能有效地隔絕周圍空氣；它本身又不溶于金屬，不和金屬反應；鎢極氬弧焊過程中電弧還有自動清除工件表面氧化膜的作用。因此，可成功地焊接易氧化，氮化、化學活潑性強的有色金屬、不銹鋼和各種合金。 2）鎢極電弧穩(wěn)定，即使在很小的焊接電流（10A）下仍可穩(wěn)定燃燒，特別適用于薄板，超薄板材料焊接。 3）熱源和填充焊絲可

26、分別控制，因而熱輸入容易調(diào)節(jié)，可進行各種位置的焊接，也是實現(xiàn)單面焊雙面盛開的理想方法。 4）由于填充焊絲不通過電弧，故不會產(chǎn)生飛濺，焊縫成形美觀。 第89頁/共110頁激光焊接的發(fā)展 -激光電弧復合焊接 不足之處是： 1）熔深淺，熔敷速度小，生產(chǎn)率較低。 2）鎢極承載電流的能力較差，過大的電流會引起鎢極熔化和蒸發(fā)，其微粒有可能進入熔池，渣成污染（夾鎢）。 3）隋性氣體（氬氣、氦氣）較貴，和其它電弧焊方法（如手工電弧焊、埋弧焊、CO2氣體保護焊等）比較，生產(chǎn)成本較高。 激光與TIG 復合焊接的特點是: (1) 利用電弧增強激光的作用,可用小功率激光器代替大功率激光器焊接金屬材料; (2) 可高速焊接薄件; (3) 可改善焊縫成型,獲得優(yōu)質(zhì)焊接接頭; (4) 可緩和母材焊接端面接口精度要求。 第90頁/共110頁激光焊接的發(fā)展 -激光電弧復合焊接 在激光焊接時,由于熱作用和影響區(qū)很小,焊接端面接口容易發(fā)