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2020-09-23 11:35:48

激光焊接的技术原理你知道吗?

概 述

激光焊接是利用高能量密度的激光束作为热源的一种高效精密焊接方法。激光焊接是激光材料加工技术应用的重要方面之一。20世纪70年代主要用于焊接薄壁材料和低速焊接,焊接过程属热传导型,即激光辐射加热工件表面,表面热量通过热传导向内部扩散,通过控制激光脉冲的宽度、能量、峰值功率和重复频率等参数,使工件熔化,形成特定的熔池。由于其独特的优点,已成功应用于微、小型零件的精密焊接中。

时盛激光


技 术 原 理

激光焊接可以采用连续或脉冲激光束加以实现,激光焊接的原理可分为热传导型焊接和激光深熔焊接。功率密度小于104~105W/cm2为热传导焊,此时熔深浅、焊接速度慢;功率密度大于10的5立方~10的7立方W/cm2时,金属表面受热作用下凹成“孔穴”,形成深熔焊,具有焊接速度快、深宽比大的特点。

其中热传导型激光焊接原理为:激光辐射加热待加工表面,表面热量通过热传导向内部扩散,通过控制激光脉冲的宽度、能量、峰功率和重复频率等激光参数,使工件熔化,形成特定的熔池。

用于齿轮焊接和冶金薄板焊接用的激光焊接机主要涉及激光深熔焊接。

激光深熔焊接一般采用连续激光光束完成材料的连接,其冶金物理过程与电子束焊接极为相似,即能量转换机制是通过“小孔”(Key-hole)结构来完成的。在足够高的功率密度激光照射下,材料产生蒸发并形成小孔。这个充满蒸气的小孔犹如一个黑体,几乎吸收全部的入射光束能量,孔腔内平衡温度达2500 0C左右,热量从这个高温孔腔外壁传递出来,使包围着这个孔腔四周的金属熔化。小孔内充满在光束照射下壁体材料连续蒸发产生的高温蒸汽,小孔四壁包围着熔融金属,液态金属四周包围着固体材料(而在大多数常规焊接过程和激光传导焊接中,能量首先沉积于工件表面,然后靠传递输送到内部)。孔壁外液体流动和壁层表面张力与孔腔内连续产生的蒸汽压力相持并保持着动态平衡。光束不断进入小孔,小孔外的材料在连续流动,随着光束移动,小孔始终处于流动的稳定状态。就是说,小孔和围着孔壁的熔融金属随着前导光束前进速度向前移动,熔融金属充填着小孔移开后留下的空隙并随之冷凝,焊缝于是形成。上述过程的所有这一切发生得如此快,使焊接速度很容易达到每分钟数米。


焊 接 特 性

属于熔融焊接,以激光束为能源,冲击在焊件接头上。

激光束可由平面光学元件(如镜子)导引,随后再以反射聚焦元件或镜片将光束投射在焊缝上。

激光焊接属非接触式焊接,作业过程不需加压,但需使用惰性气体以防熔池氧化,填料金属偶有使用。

激光焊可以与MIG焊组成激光MIG复合焊,实现大熔深焊接,同时热输入量比MIG焊大为减小。


优 点

(1)可将入热量降到最低的需要量,热影响区金相变化范围小,且因热传导所导致的变形亦最低;

(2)32mm板厚单道焊接的焊接工艺参数业经检定合格,可降低厚板焊接所需的时间甚至可省掉填料金属的使用;

(3)不需使用电极,没有电极污染或受损的顾虑。且因不属于接触式焊接制程,机具的耗损及变形皆可降至最低;

(4)激光束易于聚焦、对准及受光学仪器所导引,可放置在离工件适当之距离,且可在工件周围的机具或障碍间再导引,其他焊接法则因受到上述的空间限制而无法发挥;

(5)工件可放置在封闭的空间(经抽真空或内部气体环境在控制下);

(6)激光束可聚焦在很小的区域,可焊接小型且间隔相近的部件;

(7)可焊材质种类范围大,亦可相互接合各种异质材料;

(8)易于以自动化进行高速焊接,亦可以数位或电脑控制;

(9)焊接薄材或细径线材时,不会像电弧焊接般易有回熔的困扰;

(10)不受磁场所影响(电弧焊接及电子束焊接则容易),能精确的对准焊件;

(11)可焊接不同物性(如不同电阻)的两种金属;

(12)不需真空,亦不需做X射线防护;

(13)若以穿孔式焊接,焊道深一宽比可达10:1;

(14)可以切换装置将激光束传送至多个工作站。


缺 点

(1)焊件位置需非常精确,务必在激光束的聚焦范围内;

(2)焊件需使用夹治具时,必须确保焊件的最终位置需与激光束将冲击的焊点对准;

(3)最大可焊厚度受到限制渗透厚度远超过19mm的工件,生产线上不适合使用激光焊接;

(4)高反射性及高导热性材料如铝、铜及其合金等,焊接性会受激光所改变;

(5)当进行中能量至高能量的激光束焊接时,需使用等离子控制器将熔池周围的离子化气体驱除,以确保焊道的再出现;

(6)能量转换效率太低,通常低于10%;

(7)焊道快速凝固,可能有气孔及脆化的顾虑;

(8)设备昂贵。


和点焊的区别

点焊通常分为双面点焊和单面点焊两大类。双面点焊时,电极由工件的两侧向焊接处馈电。典型的双面点焊方式是最常用的方式,这时工件的两侧均有电极压痕。大焊接面积的导电板做下电极,这样可以消除或减轻下面工件的压痕。常用于装饰性面板的点焊。同时焊接两个或多个点焊的双面点焊,使用一个变压器而将各电极并联,这时,所有电流通路的阻抗必须基本相等,而且每一焊接部位的表面状态、材料厚度、电极压力都需相同,才能保证通过各个焊点的电流基本一致采用多个变压器的双面多点点焊,这样可以避免c的不足。


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