激光焊接工藝

1、激光的特性（1）高方向性激光發(fā)散角小，接近平行光，可用于定位、導(dǎo)向和測距等。（2）亮度高(光強(qiáng))聚焦后光斑上的功率密度達(dá)1015W/cm2或更高，其亮度比太陽光要亮100億倍，可以進(jìn)行材料加工或醫(yī)療外科手術(shù)。（3）高單色性其單色性比一般光高108-109倍以上，可把激光波長作為長度的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行精密測量，或把其周期用作時(shí)間測量標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)用于激光通訊等。（4）高相干性單色性越好相干長度越長，可用于較長工件的高精度測量與校驗(yàn)。激光在加工領(lǐng)域的應(yīng)用 材料加工由手工加工 火焰加工 電加工，而激光加工的出現(xiàn)正促使光加工時(shí)代轉(zhuǎn)變，被譽(yù)為“未來制造業(yè)的共同加工手段”。 激光加工代表著當(dāng)前材料加工業(yè)的發(fā)展方向。世界

2、各國都把激光加工技術(shù)作為提高生產(chǎn)效率、降低成本、提高產(chǎn)品質(zhì)量以及具有國際競爭力的重要手段，將帶來良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。 激光束能量密度高，加工速度快，工件變形小、熱影響區(qū)小，后續(xù)加工量小；它可以對多種金屬、非金屬加工，特別是可以加工高硬度、高脆性及高熔點(diǎn)材料。汽車汽車電子與電器電子與電器鋼鐵鋼鐵機(jī)械機(jī)械其他其他航空與航天航空與航天船舶船舶建筑建筑6.2激光焊6.2.1激光焊原理、特點(diǎn)及其應(yīng)用一、激光焊及其應(yīng)用 激光焊是利用高能量密度的激光束轟擊焊件所產(chǎn)生的熱量進(jìn)行焊接的一種高精密熔焊方法。 激光焊接在汽車、鋼鐵、船舶、航空、輕工等行業(yè)得到日益廣泛應(yīng)用。 二、激光焊的原理 激光焊接是將高強(qiáng)度

3、的激光束輻射至金屬表面，通過激光與金屬的相互作用，金屬吸收激光轉(zhuǎn)化為熱能使金屬熔化后冷卻結(jié)晶實(shí)現(xiàn)焊接。 按激光器輸出能量方式不同，激光焊接分為脈沖激光焊和連續(xù)激光焊；而據(jù)激光聚焦后光斑上功率密度的不同，激光焊可分為傳熱焊和深熔焊。 (1) 傳熱焊 采用的激光光斑功率功率密度小于105W/mm2時(shí)，激光將金屬表面加熱到熔點(diǎn)與沸點(diǎn)之間，焊接時(shí)，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(dǎo)方式把熱能傳向金屬內(nèi)部，使熔化區(qū)逐漸擴(kuò)大，凝固后形成焊點(diǎn)或焊縫，其熔深輪廓近似為半球形。這種焊接機(jī)理稱為傳熱焊。傳熱焊的主要特點(diǎn)是激光光斑的功率密度小，大部分光被金屬表面所反射，

4、光的吸收率較低，焊接熔深淺，焊接速度慢。主要用于厚度小于1mm件的焊接加工。 (2) 深熔焊當(dāng)激光光斑上的功率密度足夠大時(shí)(106W/mm2)，在激光的照射下，金屬表面溫度在極短的時(shí)間內(nèi)(10-810-6s)升高到沸點(diǎn)，使金屬熔化和汽化。金屬蒸汽迅速逸出對熔化的液態(tài)金屬產(chǎn)生一個(gè)附加壓力，使熔池金屬表面向下凹陷，同時(shí)向坑外飛出的蒸汽將熔化的金屬擠向熔池四周，形成小孔。當(dāng)光束能量所產(chǎn)生的金屬蒸汽的反沖壓力與液態(tài)金屬的表面張力和重力平衡后，小孔不再繼續(xù)加深，形成一個(gè)深度穩(wěn)定的孔而進(jìn)行焊接，因此稱之為激光深熔焊。 三、激光焊的工藝特點(diǎn)激光焊的優(yōu)點(diǎn)：（1）焊接速度快、能量密度高、靈活性大。深寬比可達(dá)5：

5、1，最高可達(dá)10：1。（2）可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；在各種氣體環(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）焊接難熔材料并能實(shí)現(xiàn)異種金屬的焊接，也可用于非金屬材料的焊接，如鈦、石英等。（4）可以借助偏轉(zhuǎn)棱鏡或通過光導(dǎo)纖維引導(dǎo)到難以接近的部位進(jìn)行焊接。（5）可進(jìn)行微型焊接。激光束經(jīng)聚焦后能精確定位，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）大多數(shù)情況下激光焊接不需要填充材料，消除了焊接材料產(chǎn)生的污染，降低了有益合金元素的燒損。激光焊的缺點(diǎn)（1）設(shè)備復(fù)雜、投資大、功率較小，可焊接的厚度受到一定的限制。（2）激光

6、器及用于激光束傳導(dǎo)和聚焦的附屬系統(tǒng)成本和操作成本高。（3）焊接中有大量反射。性 能激光焊電阻焊電子束焊鎢極氬弧焊產(chǎn)生熱量低中等至高中等高焊縫質(zhì)量優(yōu)良優(yōu)優(yōu)焊接速度中等中等高高原始成本中等低高低操作維修費(fèi)用低低中等低夾具費(fèi)用低高高中等可控性極好差好好自動化實(shí)現(xiàn)程度極好好好好可焊異種材料范圍極寬窄寬窄激光焊與其它焊接工藝的比較 2 激光焊接的重要參數(shù)（1）功率密度 功率密度是激光加工中最重要的參數(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)生大量氣化。因此高功率密度對材料去除加工，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，在表層氣化前，底層達(dá)到熔

7、點(diǎn)，易形成良好的熔融焊接。（2）激光脈沖波形 當(dāng)高強(qiáng)度激光未射至材料表面，金屬表面將會有6098%的激光能量反射而損失掉，尤其對于薄片焊接。（3）激光脈沖寬度（略）（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焦量，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。3 激光焊接的設(shè)定條件激光焊接的設(shè)定條件包括下面兩點(diǎn)：(1)激光功率：是使樹脂熔化的熱源。(2)掃描速度：是激光束的移動速度。同時(shí)，就材料而言，下面兩點(diǎn)也很重要：(3)透射性材料的光線透射率(4)透射性材料的厚度思考題 1 簡述激光焊的基本原理。 2 激光焊接有哪些優(yōu)缺點(diǎn)。高壓充電電源

8、觸發(fā)電路激光出光鏡全反光鏡工作物質(zhì)諧振腔脈沖氙燈 激光器結(jié)構(gòu)示意圖 412321 （a）透射式聚焦 （b）反射式聚焦 光束偏轉(zhuǎn)及聚焦系統(tǒng) 1-激光束 2-平面反射鏡 3-透鏡 4-球面反射鏡6.5 激光焊接工藝6.5.1接頭設(shè)計(jì)普通熔焊時(shí)使用的大多數(shù)焊接接頭的幾何形狀都適合于激光焊接。最常用的是對接、搭接和卷邊。1 全焊透型對接接頭待焊材料邊緣不需開坡口，剪切邊如是直角且平行可直接用。2 焊透的或焊縫的搭接接頭待焊零件間的間隙嚴(yán)格限制著焊透深度和焊接速率。3 卷邊接頭 卷邊接頭與對接接頭基本相同。平直的直角邊、良好的配合、壓緊和準(zhǔn)確的橫向平直度都是必要的，對收縮率大的材料（如鋁）更是如此。 6

9、.5.2 激光焊接工藝 激光焊接是將光能轉(zhuǎn)換為熱能的過程，因此光和熱兩方面的性能在激光焊接時(shí)都要考慮，如光的吸收、能量密度、熱容量、熔點(diǎn)、沸點(diǎn)及金屬表面狀況等。 （1）焊接時(shí)激光的能量范圍 為避免焊點(diǎn)金屬的蒸發(fā)和燒穿，必須控制能量密度，保證整個(gè)焊接過程中能量密度高于熔點(diǎn)而低于沸點(diǎn)。（2）材料對激光的反射率 金屬對激光的吸收主要與激光的波長，材料的性質(zhì)、溫度、表面狀況和激光功率密度有關(guān)。大部分金屬對10.6m的光反射強(qiáng)烈，而對1.06m的光反射較弱，結(jié)果使同樣功率的YAG激光器比CO2激光器具有較大的熔深。大多數(shù)金屬在激光開始照射時(shí)，能將大部分能量反射回去，室溫時(shí)材料對激光能的吸收率僅為20%以

10、下，溫度提高時(shí)吸收率急劇提高，同時(shí)吸收率隨電阻率的增大而增加；功率密度大于某個(gè)極限值時(shí)，吸收率也急劇提高，所以焊接開始瞬間需要較大的功率密度。材料表面狀態(tài)主要指材料表面有無氧化膜、表面粗糙度及有無涂層。 （3）激光功率密度 激光功率密度高，金屬容易氣化形成小孔，激光的吸收率可以提高到90%以上。但功率太高，容易使焊縫區(qū)形成氣孔缺陷。 1 脈沖激光焊低功率脈沖激光焊主要用于0.5mm以下的金屬絲與絲或薄膜之間的點(diǎn)焊，最細(xì)可焊0.02mm0.2m細(xì)絲。主要應(yīng)用于集成電路內(nèi)引線硅片上1.8m鋁鍍膜與50m100m鋁箔焊接，薄膜電路元件導(dǎo)線微晶玻璃上0.3m銅、鉻、金鍍膜與30m金、銅、鎳絲的焊接等。脈沖焊過程中應(yīng)注意如下幾點(diǎn)：（1）恰當(dāng)選用激光脈沖能量（幾幾十焦耳）和寬度