激光焊接課件完整版

激光焊接原理與應(yīng)用小組成員講解：資料：ppt：、激光焊接分類及影響參數(shù)優(yōu)缺點應(yīng)用激光焊接分類激光焊接原理根據(jù)激光焊時焊縫的形成特點，可以把激光焊分為熱導(dǎo)焊和深熔焊。前者使用激光功率低，熔池形成時間長，且熔深淺，多用于小型零件的焊接；后者的功率密度高，激光輻射區(qū)金屬熔化速度快，在金屬熔化的同時伴有強烈的汽化，能獲得熔深較大的焊縫，焊縫的深寬比比較大，可達(dá)12:1.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，擴(kuò)散時間、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，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汽化，而使焊件熔接在一起。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。激光深熔焊接的機制與電子束焊接的機制相近，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處形成一個小孔。這個小孔繼續(xù)吸收激光光束的光能，使小孔周圍形成一個熔融金屬的熔池，熱能由熔池向周圍傳播，激光功率越大，熔池越深，當(dāng)激光光束相對于焊件移動時，小孔的中心也隨之移動，并處于相對穩(wěn)定狀態(tài)。小孔的移動就形成了焊縫，這種焊接的原理不同于脈沖激光的熱傳導(dǎo)焊接。小孔效應(yīng)材料表面發(fā)生汽化而形成小孔，孔內(nèi)金屬蒸汽壓力與四周液體的靜力和表面張力形成動態(tài)平衡，激光可以通過孔中直射到孔底。這種現(xiàn)象稱為小孔效應(yīng)（KeyholeEffect）。小孔的作用和黑體一樣，能將射入的激光能量完全吸收，使包圍著這個孔腔的金屬熔化?？妆谕庖后w的流動和壁層的表面張力與孔腔內(nèi)連續(xù)產(chǎn)生的蒸汽壓力相持并保持動態(tài)平衡。圖：激光深熔焊接小孔效應(yīng)示意

焊接參數(shù)選擇1、激光功率2、激光脈沖寬度3、激光脈沖波形4、激光脈沖重復(fù)頻率5、離焦量的選擇6、保護(hù)氣體一、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，雖然也能產(chǎn)生小孔效應(yīng)，但有時焊接效果不好，焊縫內(nèi)有氣孔，激光功率加大時，焊縫內(nèi)氣孔消失，因此激光深熔焊接時，不要采用勉強能夠產(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，只有在功率過大時，才會引起材料過分吸收，使小孔內(nèi)氣體噴濺，或焊縫產(chǎn)生疤痕，甚至使工件焊穿。為使焊縫平整光滑，實際焊接時，激光功率在開始和結(jié)束時都設(shè)計有漸變過程，啟動時激光功率由小變大到預(yù)定值，結(jié)束焊接時激光功率由大變小，焊縫才沒有凹坑或斑痕。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。如果單純增加脈沖寬度，只會使焊縫變寬、過熔，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，可使聚焦鏡的焦點深入材料內(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，此時焊縫表面平整度可能稍差。必要時，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，就要對激光脈沖波形有一定要求。金屬在常溫下對激光反射率較高，如鋼鐵類金屬表面對1064nm波長的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，金屬對激光能量的吸收率很快增加。簡單的方波脈沖使焊斑熔化不好，流動性差，甚至出現(xiàn)裂紋，焊接效果不理想。當(dāng)焊接工件以一定速度移動時，激光熔斑相互重疊，重疊率由工件移動速度和激光重復(fù)頻率來決定。這種焊接狀態(tài)與單脈沖點焊不同，當(dāng)一個激光脈沖聚焦的光斑照射到焊縫處時，前一個激光脈沖已將該處金屬材料加熱，且前一個光斑照射的部份金屬已呈熔融狀態(tài)，尚未來得及凝固或者說未能完全凝固。因而這個激光脈沖到來時，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。一般可以通過重復(fù)的熔斑對工件實現(xiàn)密封焊接，這是國內(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結(jié)合，實現(xiàn)了以前電子電路無法實現(xiàn)的功能，有效地提高了整機的性能和水準(zhǔn)，通過單晶片微處理機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)的一項技術(shù)，提高了激光焊接機的功能，本來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，每個激光脈沖形成一個熔斑，焊件與激光光束相對移動速度決定了熔斑的重疊率，一系列的熔斑形成魚鱗紋似的漂亮焊縫。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、機械零件的焊接等大都使用這種方法為了實現(xiàn)激光密封焊接，對于激光光斑的重復(fù)頻率有一定要求，一般要重疊70%以上，因為每一個熔斑都是材料表面吸收了激光的能量通過熱傳導(dǎo)向四周擴(kuò)散的，所以熔斑斷面形狀為半球形，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。五、離焦量的選擇對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)超過激光焊接所需的功率密度，在焦點位置焊接，可能會出現(xiàn)金屬汽化、熔渣飛濺或是打孔現(xiàn)象。正確焊接技術(shù)是使焦平面離開工件表面一小段距離，這個距離稱為離焦量。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焦平面示意六、保護(hù)氣體

在一些對焊接技術(shù)要求嚴(yán)格的場合，如要求焊縫完美密封、無氧化痕跡的產(chǎn)品，或是易于氧化難于焊的鋁合金材料，在焊接過程中就必須施加保護(hù)氣體氮氣室上部有透光平板玻璃，允許波長為1064nm的激光束射入到焊件的焊縫上，氮氣室內(nèi)充滿氮氣，這樣被焊接金屬零件在加熱熔化過程中就不會氧化，如焊接鋼類零件或不銹鋼類零件時，得到的焊縫是閃亮的，密封效果也好。保護(hù)氣體除防止熔化金屬被氧化之外，還有一個作用就是吹掉焊接過程中產(chǎn)生的電漿火焰，電漿火焰本身對激光能量有吸收、散射作用，影響焊接效果，減少熔接深度。激光深熔時，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，使焊縫的熔深加大帶保護(hù)氣體噴嘴的激光焊接頭

激光焊接優(yōu)缺點缺點（1）焊件位置需非常精確，務(wù)必在激光束的聚焦范圍（2）高反射性及高導(dǎo)熱性材料如鋁、銅及其合金等，焊接性會受激光所改變；（3）當(dāng)進(jìn)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

出現(xiàn)；（4）能量轉(zhuǎn)換效率太低，通常低于10%；（5）焊道快速凝固，可能有氣孔及脆化的顧慮；（6）設(shè)備昂貴。優(yōu)點（1）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，機具的耗損及變形接可降至最低；（2）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）可降低厚板焊接所需的時間甚至可省掉填料金屬的使用；（4）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激光焊接（5）激光束易于聚焦、對準(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；（6）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）；（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(jìn)行高速焊接，亦可以數(shù)位或電腦控制；（9）焊接薄材或細(xì)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），能精確的對準(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工作站。激光焊接應(yīng)用在工業(yè)發(fā)達(dá)國家，激光焊接已在許多工業(yè)部門得到應(yīng)用，而汽車是其中最重要的部門，最典型的例子是車身覆蓋件剪裁激光拼焊。用激光將不同厚度，不同材質(zhì)，不同性能的多塊小坯料拼焊起來，再沖壓成形。材料利用率由40％～60％提高到70％～80％，而且減輕了重量，提高了綜合性能。在這里只有采用激光焊接才能保證拼焊后表面平整，無翹曲和變形，確保沖壓后的質(zhì)量。世界著名的汽車公司都采用了這種方法。汽車車身的激光焊接1985年德國大眾激光拼焊用于Audi車型底盤的焊接1986年日本豐田添絲激光焊用于車身側(cè)面框架的焊接1993年北美應(yīng)用激光拼焊應(yīng)對日本汽車的競爭目前為止采用了激光拼焊技術(shù)，所涉及的汽車結(jié)構(gòu)件包括車身側(cè)框架、車門內(nèi)板、擋風(fēng)玻璃窗框、輪罩板、底板、中間支柱等。世界上幾乎所有的著名汽車制造商采用激光焊接技術(shù)。中國的奇瑞汽車目前我國激光焊接技術(shù)經(jīng)過十余年的研究，已開始應(yīng)用，包括電機