激光焊接工藝技術(shù)特點(diǎn)

激光焊接工藝技術(shù)特點(diǎn)及應(yīng)用激光焊接工藝特點(diǎn)及其影響因素1、 激光的投入能量密度。調(diào)整激光照射能量密度的方法主要有：A、 調(diào)整激光輸出能量（調(diào)整激發(fā)電壓）B、 調(diào)整光斑大?。ㄕ{(diào)節(jié)出射焦距）C、 改變光斑中的能量分布（改變光纖類型：峰形輸出一GI型光纖、梯形輸出型——SI型光纖）D、 改變出射脈沖的寬度和波形2、 材料反射率大多數(shù)金屬在激光開始照射時(shí)，會將大部分激光能量反射掉，所以，焊接過程開始的瞬間，要相應(yīng)提高光束的功率。采用脈沖激光縫焊工藝時(shí)，可以通過接入引弧板來保證整個(gè)焊接段的品質(zhì)一致性。當(dāng)金屬表面開始熔化或汽化后，其反射率迅速降低。影響材料對激光束吸收的主要因素1、 溫度室溫時(shí)金屬材料兩激光的吸收率一般在20°C以下；當(dāng)金屬溫度達(dá)到烙點(diǎn)產(chǎn)生熔融和氣化后吸收率上升到40?50%；當(dāng)接近沸點(diǎn)時(shí)吸收率可高達(dá)90%。材料的直流電阻率材料對激光的吸收率與材料的直流電阻率的平方根成正比、與激光波長的平方根成反比關(guān)系。2、 激光束的入射角入射角越大，吸收率越小。當(dāng)激光垂直于金屬表面照射時(shí)，金屬對激光的吸收率最大。但通常為了保護(hù)激光出射鏡頭，需要維持一定的入射角。材料的表面狀態(tài)為了低反射率，可在金屬表面涂上薄薄一層金屬粉，但兩者必須是能夠形成合金的。如銅、金、銀可覆蓋薄銳層，此時(shí)在同樣熔深的情況下，焊接所需的能量大約為原來銅、金、銀所需的四分一。3、 聚焦性和離焦量品質(zhì)優(yōu)良的YAG激光焊接裝置，其聚焦性（光斑大?。┦峭ㄟ^裝置本身的光路同軸精度、輸出光纖和出射頭的成像比等來保證。以激光出射焦點(diǎn)正好落在工作上面時(shí)的位置為零。離焦量是指焦點(diǎn)離開這個(gè)零點(diǎn)的距離量。焦點(diǎn)位置超過零點(diǎn)位置時(shí)叫負(fù)離焦（焦點(diǎn)深入到工件內(nèi)部），其距離值為負(fù)離焦量。反之，焦點(diǎn)不到零點(diǎn)的距離數(shù)值為正離焦量。要獲得較大的熔深，可將焦點(diǎn)位置選擇在工件內(nèi)部某一位置上，即采用負(fù)離焦量進(jìn)行焊接。4、 焊接的穿入深度脈沖激光焊接時(shí)，主要是以傳熱熔化方式進(jìn)行的。激光束本身對金屬的直接穿入深度是有限的，其主要取決于材料的導(dǎo)溫系數(shù)（導(dǎo)溫系數(shù)大的則穿入深度大），而不是激光器的功率大小激光焊接工藝發(fā)布日期：2010-8-30|閱讀次數(shù)：271一、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(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(gè)重要問題，尤其對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(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，功率密度分布相對均勻。離焦方式有兩種：正離焦與負(fù)離焦。焦平面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50~200us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。二、激光焊接工藝方法：1、 片與片間的焊接。包括對焊、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。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，激光軟釬焊主要用于印刷電路板的焊接，尤其實(shí)用于片狀元件組裝技術(shù)。三、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)對稱焊。5、 激光釬焊多用波長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。6、 聚焦性好，易于實(shí)現(xiàn)多工位裝置的自動(dòng)化。四、激光深熔焊：1、冶金過程及工藝?yán)碚?。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，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：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?，熔化過程發(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）高致密性。因?yàn)槌錆M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。4、 激光深熔焊的優(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菀讉鬏敽涂刂疲植恍枰?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)成本。（5）容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，對光束強(qiáng)度與精細(xì)定位能進(jìn)行有效的控制。5、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單地手工搬運(yùn)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。五、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，不銹鋼激光焊接比常規(guī)焊接更易于獲得優(yōu)質(zhì)接頭。由于高的焊接速度熱影響區(qū)很小，敏化不成為重要問題。與碳鋼相比，不銹鋼低的熱導(dǎo)系數(shù)更易于獲得深熔窄焊縫。3、 不同金屬之間的激光焊接。激光焊接極高的冷卻速度和很小的熱影響區(qū)，為許多不同金屬焊接融化后有不同結(jié)構(gòu)的材料相容創(chuàng)造了有利條件。現(xiàn)已證明以下金屬可以順利進(jìn)行激光深熔焊接：不銹鋼~低碳鋼，416不銹鋼~310不銹鋼，347不銹鋼~HASTALLY鎳合金，鎳電極~冷鍛鋼，不同鎳含量的雙金屬帶。激光焊接的工藝技術(shù)和性能特點(diǎn)激光焊接工藝和參數(shù)選擇作者： 瀏覽次數(shù)：1000次發(fā)表時(shí)間：2009-7-138:53:02用脈沖固體激光器發(fā)出的激光進(jìn)行焊接屬于熔化焊。影響焊接的因素有很多，如金屬的光學(xué)性質(zhì)（對激光的反射喝吸收），熱學(xué)性質(zhì)（溶點(diǎn)、沸點(diǎn)、熱擴(kuò)散率、熱傳導(dǎo)率、熔化潛熱等）表面狀況等。一般根據(jù)金屬的性質(zhì)、需要的熔深喝焊接方式，決定激光的功率密度、脈寬喝波形。下面以薄片與薄片之間的焊接為例，討論激光焊接的工藝喝參數(shù)選擇問題。1、最佳參數(shù)與片厚的關(guān)系片與片之間的焊接，在保證強(qiáng)度要求的情況下，使其形成牢固焊接的參數(shù)范圍還是比較大的。倘若選取其中能量小、脈寬短的參數(shù)作為最佳參數(shù)，則可提高焊接效率、降低設(shè)備費(fèi)用。此類焊接的最佳參數(shù)是光斑直徑為上片材料厚度的2倍所需要的脈寬都與片厚（或是所需的熔深）的平方成正比；功率密度與片厚成反比；總能量與片厚的立方成正比。這說明片厚是決定激光參數(shù)的重要因素。2、焊接方式焊接方式一般隨焊接件的結(jié)構(gòu)而定。但在很多情況下，可以根據(jù)焊接的要求，選擇合理的焊接方式。薄片與薄片間的焊接方式有以下幾種：（1） 對焊兩片金屬齊縫放置，激光直接同時(shí)照射兩片金屬。兩片金屬同時(shí)熔化，且熔化液流入縫內(nèi)凝固。（2） 端焊兩片金屬重疊放置，激光同時(shí)直接照射在上片端部和下片，使兩片金屬同時(shí)熔化，上片的金屬熔液稍往下流動(dòng)。（3） 中心穿透熔化焊兩片金屬重疊放置，激光直接照射上片，光被上片金屬吸收轉(zhuǎn)變成熱能，往下片傳遞，使上片金屬的下表面和下片金屬的上表面同時(shí)熔化。（4） 中心插式熔化焊兩片金屬重疊放置，激光直接照射上片，激光初始峰值很高，使光斑中心處前期蒸發(fā)成一小孔，在激光作用下達(dá)到熔化的效果。激光焊接主要工藝參數(shù)（一）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(gè)激光能量密度閾值，低于此值，熔深很淺，一旦達(dá)到或超過此值，熔深會大幅度提高。只有當(dāng)工件上的激光功率密度超過閾值（與材料有關(guān)），等離子體才會產(chǎn)生，這標(biāo)志著穩(wěn)定深熔焊的進(jìn)行。如果激光功率低于此閾值，工件僅發(fā)生表面熔化，也即焊接以穩(wěn)定熱傳導(dǎo)型進(jìn)行。而當(dāng)激光功率密度處于小孔形成的臨界條件附近時(shí)，深熔焊和傳導(dǎo)焊交替進(jìn)行，成為不穩(wěn)定焊接過程，導(dǎo)致熔深波動(dòng)很大。激光深熔焊時(shí)，激光功率同時(shí)控制熔透深度和焊接速度。焊接的熔深直接與光束功率密度有關(guān)，且是入射光束功率和光束焦斑的函數(shù)。一般來說，對一定直徑的激光束，熔深隨著光束功率提高而增加。2） 光束焦斑。光束斑點(diǎn)大小是激光焊接的最重要變量之一，因?yàn)樗鼪Q定功率密度。但對高功率激光來說，對它的測量是一個(gè)難題，盡管已經(jīng)有很多間接測量技術(shù)。光束焦點(diǎn)衍射極限光斑尺寸可以根據(jù)光衍射理論計(jì)算，但由于聚焦透鏡像差的存在，實(shí)際光斑要比計(jì)算值偏大。最簡單的實(shí)測方法是等溫度輪廓法，即用厚紙燒焦和穿透聚丙烯板后測量焦斑和穿孔直徑。這種方法要通過測量實(shí)踐，掌握好激光功率大小和光束作用的時(shí)間。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(dǎo)率、熔化溫度、蒸發(fā)溫度等，其中最重要的是吸收率。影響材料對激光光束的吸收率的因素包括兩個(gè)方面：首先是材料的電阻系數(shù)，經(jīng)過對材料拋光表面的吸收率測量發(fā)現(xiàn)，材料吸收率與電阻系數(shù)的平方根成正比，而電阻系數(shù)又隨溫度而變化；其次，材料的表面狀態(tài)（或者光潔度）對光束吸收率有較重要影響，從而對焊接效果產(chǎn)生明顯作用。CO2激光器的輸出波長通常為10.6〃m,陶瓷、玻璃、橡膠、塑料等非金屬對它的吸收率在室溫就很高，而金屬材料在室溫時(shí)對它的吸收很差，直到材料一旦熔化乃至氣化，它的吸收才急劇增加。采用表面涂層或表面生成氧化膜的方法，提高材料對光束的吸收很有效。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(dǎo)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(gè)合適的焊接速度范圍，并在其中相應(yīng)速度值時(shí)可獲得最大熔深。圖10-2給出了1018鋼焊接速度與熔深的關(guān)系。5） 保護(hù)氣體。激光焊接過程常使用惰性氣體來保護(hù)熔池，當(dāng)某些材料焊接可不計(jì)較表面氧化時(shí)則也可不考慮保護(hù)，但對大多數(shù)應(yīng)用場合則常使用氦、氬、氮等氣體作保護(hù)，使工件在焊接過程中免受氧化。氦氣不易電離（電離能量較高），可讓激光順利通過，光束能量不受阻礙地直達(dá)工件表面。這是激光焊接時(shí)使用最有效的保護(hù)氣體，但價(jià)格比較貴。氬氣比較便宜，密度較大，所以保護(hù)效果較好。但它易受高溫金屬等離子體電離，結(jié)果屏蔽了部分光束射向工件，減少了焊接的有效激光功率，也損害焊接速度與熔深。使用氬氣保護(hù)的焊件表面要比使用氦氣保護(hù)時(shí)來得光滑。氮?dú)庾鳛楸Ｗo(hù)氣體最便宜，但對某些類型不銹鋼焊接時(shí)并不適用，主要是由于冶金學(xué)方面問題，如吸收，有時(shí)會在搭接區(qū)產(chǎn)生氣孔。使用保護(hù)氣體的第二個(gè)作用是保護(hù)聚焦透鏡免受金屬蒸氣污染和液體熔滴的濺射。特別在高功率激光焊接時(shí)，由于其噴出物變得非常有力，此時(shí)保護(hù)透鏡則更為必要。保護(hù)氣體的第三個(gè)作用是對驅(qū)散高功率激光焊接產(chǎn)生的等離子屏蔽很有效。金屬蒸氣吸收激光束電離成等離子云，金屬蒸氣周圍的保護(hù)氣體也會因受熱而電離。如果等離子體存在過多，激光束在某種程度上被等離子體消耗。等離子體作為第二種能量存在于工作表面，使得熔深變淺、焊接熔池表面變寬。通過增加電子與離子和中性原子三體碰撞來增加電子的復(fù)合速率，以降低等離子體中的電子密度。中性原子越輕，碰撞頻率越高，復(fù)合速率越高；另一方面，只有電離能高的保護(hù)氣體，才不致因氣體本身的電離而增加電子密度。表 常用氣體和金屬的原子（分子）量和電離能材料氦氬氮鋁鎂鐵原子(分子)量4 40 28 27 24 56電離能(eV)24.4615.68 14.55.967.61 7.83從表可知，等離子體云尺寸與采用的保護(hù)氣體不同而變化，氦氣最小，氮?dú)獯沃褂脷鍤鈺r(shí)最大。等離子體尺寸越大，熔深則越淺。造成這種差別的原因首先由于氣體分子的電離程度不同，另外也由于保護(hù)氣體不同密度引起金屬蒸氣擴(kuò)散差別。氦氣電離最小，密度最小，它能很快地驅(qū)除從金屬熔池產(chǎn)生的上升的金屬蒸氣。所以用氦作保護(hù)氣體，可最大程度地抑制等離子體，從而增加熔深，提高焊接速度；由于質(zhì)輕而能逸出，不易造成氣孔。當(dāng)然，從我們實(shí)際焊接的效果看，用氬氣保護(hù)的效果還不錯(cuò)。等離子云對熔深的影響在低焊接速度區(qū)最為明顯。當(dāng)焊接速度提高時(shí)，它的影響就會減弱。保護(hù)氣體是通過噴嘴口以一定的壓力射出到達(dá)工件表面的，噴嘴的流體力學(xué)形狀和出口的直徑大小十分重要。它必須以足夠大以驅(qū)使噴出的保護(hù)氣體覆蓋焊接表面，但為了有效保護(hù)透鏡，阻止金屬蒸氣污染或金屬飛濺損傷透鏡，噴口大小也要加以限制。流量也要加以控制，否則保護(hù)氣的層流變成紊流，大氣卷入熔池，最終形成氣孔。為了提高保護(hù)效果，還可用附加的側(cè)向吹氣的方式，即通過一較小直徑的噴管將保護(hù)氣體以一定的角度直接射入深熔焊接的小孔。保護(hù)氣體不僅抑制了工件表面的等離子體云，而且對孔內(nèi)的等離子體及小孔的形成施加影響，熔深進(jìn)一步增大，獲得深寬比較為理想的焊縫。但是，此種方法要求精確控制氣流量大小、方向，否則容易產(chǎn)生紊流而破壞熔池，導(dǎo)致焊接過程難以穩(wěn)定。透鏡焦距。焊接時(shí)通常采用聚焦方式會聚激光，一般選用63~254mm(2.5”~10”)焦距的透鏡。聚焦光斑大小與焦距成正比，焦距越短，光斑越小。但焦距長短也影響焦深，即焦深隨著焦距同步增加，所以短焦距可提高功率密度，但因焦深小，必須精確保持透鏡與工件的間距，且熔深也不大。由于受焊接過程中產(chǎn)生的飛濺物和激光模式的影響，實(shí)際焊接使用的最短焦深多為焦距126mm(5”)。當(dāng)接縫較大或需要通過加大光斑尺寸來增加焊縫時(shí)，可選擇254mm(10”)焦距的透鏡，在此情況下，為了達(dá)到深熔小孔效應(yīng)，需要更高的激光輸出功率(功率密度)。當(dāng)激光功率超過2kW時(shí)，特別是對于10.6pm的CO2激光束，由于采用特殊光學(xué)材料構(gòu)成光學(xué)系統(tǒng)，為了避免聚焦透鏡遭光學(xué)破壞的危險(xiǎn)，經(jīng)常選用反射聚焦方法，一般采用拋光銅鏡作反射鏡。由于能有效冷卻，它常被推薦用于高功率激光束聚焦。焦點(diǎn)位置。焊接時(shí)，為了保持足夠功率密度，焦點(diǎn)位置至關(guān)重要。焦點(diǎn)與工件表面相對位置的變化直接影響焊縫寬度與深度。圖2-6表示焦點(diǎn)位置對1018鋼熔深及縫寬的影響。在大多數(shù)激光焊接應(yīng)用場合，通常將焦點(diǎn)的位置設(shè)置在工件表面之下大約所需熔深的1/4處。激光束位置。對不同的材料進(jìn)行激光焊接時(shí)，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。例如，當(dāng)淬火鋼齒輪焊接到低碳鋼鼓輪，正確控制激光束位置將有利于產(chǎn)生主要有低碳組分組成的焊縫，這種焊縫具有較好的抗裂性。有些應(yīng)用場合，被焊接工件的幾何形狀需要激光束偏轉(zhuǎn)一個(gè)角度，當(dāng)光束軸線與接頭平面間偏轉(zhuǎn)角度在100度以內(nèi)時(shí)，工件對激光能量的吸收不會受到影響。9）焊接起始、終止點(diǎn)的激光功率漸升、漸降控制。激光深熔焊接時(shí)，不管焊縫深淺，小孔現(xiàn)象始終存在。當(dāng)焊接過程終止、關(guān)閉功率開關(guān)時(shí)，焊縫尾端將出現(xiàn)凹坑。另外，當(dāng)激光焊層覆蓋原先焊縫時(shí)，會出現(xiàn)對激光束過度吸收，導(dǎo)致焊件過熱或產(chǎn)生氣孔。為了防止上述現(xiàn)象發(fā)生，可對功率起止點(diǎn)編制程序，使功率起始和終止時(shí)間變成可調(diào)，即起始功率用電子學(xué)方法在一個(gè)短時(shí)間內(nèi)從零升至設(shè)置功率值，并調(diào)節(jié)焊接時(shí)間，最后在焊接終止時(shí)使功率由設(shè)置功率逐漸降至零值。激光深熔焊特征及優(yōu)、缺點(diǎn)（一）激光深熔焊的特征1） 高的深寬比。因?yàn)槿廴诮饘賴鴪A柱形高溫蒸氣腔體形成并延伸向工件，焊縫就變成深而窄。2） 最小熱輸入。因?yàn)樾】變?nèi)的溫度非常高，熔化過程發(fā)生得極快，輸入工件熱量很低，熱變形和熱影響區(qū)很小。3） 高致密性。因?yàn)槌錆M高溫蒸氣的小孔有利于焊接熔池?cái)嚢韬蜌怏w逸出，導(dǎo)致生成無氣孔的熔透焊縫。焊后高的冷卻速度又易使焊縫組織細(xì)微化。4）強(qiáng)固焊縫。因?yàn)闊霟釤嵩春蛯Ψ墙饘俳M分的充分吸收，降低雜質(zhì)含量、改變夾雜尺寸和其在熔池中的分布。焊接過程無需電極或填充焊絲，熔化區(qū)受污染少，使得焊縫強(qiáng)度、韌性至少相當(dāng)于甚至超過母體金屬。5） 精確控制。因?yàn)榫劢构恻c(diǎn)很小，焊縫可以高精確定位。激光輸出無“慣性”，可在高速下急停和重新起始，用數(shù)控光束移動(dòng)技術(shù)則可焊接復(fù)雜工件。6） 非接觸大氣焊接過程。因?yàn)槟芰縼碜怨庾邮c工件無物理接觸，所以沒有外力施加工件。另外，磁和空氣對激光都無影響。（二）激光深熔焊的優(yōu)點(diǎn)1） 由于聚焦激光比常規(guī)方法具有高得多的功率密度，導(dǎo)致焊接速度快，受熱影響區(qū)和變形都很小，還可以焊接鈦等難焊的材料。2） 因?yàn)楣馐菀讉鬏敽涂刂?，又不需要?jīng)常更換焊槍、噴嘴，又沒有電子束焊接所需的抽真空，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)度、韌性和綜合性能高。4） 由于平均熱輸入低，加工精度高，可減少再加工費(fèi)用；另外，激光焊接運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用也較低，從而可降低工件加工成本。5） 對光束強(qiáng)度和精細(xì)定位能有效控制，容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化操作。（三）激光深熔焊的缺點(diǎn)1）焊接深度有限。2） 工件裝配要求高。3） 激光系統(tǒng)一次性投資較高一、激光焊接的特點(diǎn)。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CO2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。與其它焊接技術(shù)相比，激光焊接的主要優(yōu)點(diǎn)是：1、 速度快、深度大、變形小。2、 能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；激光在真空、空氣及某種氣體環(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、 可焊接難熔材料如鈦、石英等，并能對異性材料施焊，效果良好。4、 激光聚焦后，功率密度高，在高功率器件焊接時(shí)，深寬比可達(dá)5：1，最高可達(dá)10：1。5、 可進(jìn)行微型焊接。激光束經(jīng)聚焦后可獲得很小的光斑，且能精確定位，可應(yīng)用于大批量自動(dòng)化生產(chǎn)的微、小型工件的組焊中。6、 可焊接難以接近的部位，施行非接觸遠(yuǎn)距離焊接，具有很大的靈活性。尤其是近幾年來，在YAG激光加工技術(shù)中采用了光纖傳輸技術(shù)，使激光焊接技術(shù)獲得了更為廣泛的推廣和應(yīng)用。7、 激光束易實(shí)現(xiàn)光束按時(shí)間與空間分光，能進(jìn)行多光束同時(shí)加工及多工位加工，為更精密的焊接提供了條件。但是，激光焊接也存在著一定的局限性：1、 要求焊件裝配精度高，且要求光束在工件上的位置不能有顯著偏移。這是因?yàn)榧す饩劢购蠊獍叱哂甏缧?，焊縫窄，為加填充金屬材料。若工件裝配精度或光束定位精度達(dá)不到要求，很容易造成焊接缺憾。2、 激光器及其相關(guān)系統(tǒng)的成本較高，一次性投資較大。二、激光焊接熱傳導(dǎo)。激光焊接是將高強(qiáng)度的激光束輻射至金屬表面，通過激光與金屬的相互作用，使金屬熔化形成焊接。在激光與金屬的相互作用過程中，金屬熔化僅為其中一種物理現(xiàn)象。有時(shí)光能并非主要轉(zhuǎn)化為金屬熔化，而以其它形式表現(xiàn)出來，如汽化、等離子體形成等。然而，要實(shí)現(xiàn)良好的熔融焊接，必須使金屬熔化成為能量轉(zhuǎn)換的主要形式。為此，必須了解激光與金屬相互作用中所產(chǎn)生的各種物理現(xiàn)象以及這些物理現(xiàn)象與激光參數(shù)的關(guān)系，從而通過控制激光參數(shù)，使激光能量絕大部分轉(zhuǎn)化為金屬熔化的能量，達(dá)到焊接的目的。三、激光焊接工藝參數(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(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(gè)重要問題，尤其對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(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、 離焦量對焊接質(zhì)量的影響。激光焊接通常需要一定的離焦，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，功率密度分布相對均勻。離焦方式有兩種：正離焦與負(fù)離焦。焦平面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)離焦相等時(shí)，所對應(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50~200us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、激光焊接工藝方法。1、片與片間的焊接。包括對焊、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)對稱焊。5、 激光釬焊多用波長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。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?。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，焦點(diǎn)位置，激光束位置，