激光加工-激光焊接技术

《激光加工-激光焊接技术》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。

1、激光加工作业——激光焊接技术激光焊接是激光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，焊接过程属于热传导型，即激光加热工件表面，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、峰值功率和重复率等参数，使工件熔化，形成特定的熔池。激光焊接作为一种高质量、高精度、低变形、高效率和高速度的焊接方法，随着高功率CO2和高功率YAG激光器以及光纤传输技术的完善、金属钼焊接聚束物镜等的研制成功，其在机械制造、航空航天、汽车工业、粉末冶金、生物医学、微电子行业等领域的应用越来越广。目前的研究主要集中于CO2激

2、光和YAG激光焊接各种金属材料时的理论，包括激光诱发的等离子体发光、吸收、散射特性、激光焊接智能化控制、复合焊接、激光焊接现象及小孔行为、焊接缺陷发生机理与防止方法等。并对镍基耐热合金、铝合金及镁合金的焊接性，焊接现象建模与数值模拟，钢铁材料、铜、铝合金与异种材料的连接，激光接头性能评价等方面做了广泛的研究。与其他传统焊接技术相比,激光焊接的主要优点是速度快、深度大、变形小;能在室温或特殊条件下进行焊接,焊接设备装置简单;可焊接难熔材料如钛、石英等,并能对异性材料施焊,效果良好等。同时,激光焊接也存在着一定的局限性,要求焊件装配精度高

3、,且要求光束在工件上的位置不能有显著偏移。激光器及其相关系统的成本较高,一次性投资较大。激光焊接原理：激光焊接是利用激光的辐射能量来实现有效焊接的工艺,其工作原理是:通过特定的方式来激励激光活性介质(如CO2和其他气体的混合气体、YAG钇铝石榴石晶体等),使其在谐振腔中往复振荡,从而形成受激辐射光束,当光束与工件接触时,其能量被工件吸收,在温度达到材料熔点时便可进行焊接。用于焊接的主要有两种激光,即CO2激光和Nd:YAG激光。CO2激光和Nd:YAG激光都是肉眼不可见红外光。Nd:YAG激光产生的光束主要是近红外光,波长为1.06μ

4、m,热导体对这种波长的光吸收率较高,对于大部分金属,它的反射率为20%～30%。只要使用标准的光镜就能使近红外波段的光束聚焦为直径0.25mm。CO2激光的光束为远红外光,波长为10.6μm,大部分金属对这种光的反射率达到80%～90%,需要特别的光镜把光束聚焦成直径为0.75-0.1mm。Nd:YAG激光功率一般能达到4000～6000W左右,现在最大功率已达到10000W。而CO2激光功率却能轻易达到20000W甚至更大。大功率的CO2激光通过小孔效应来解决高反射率的问题,当光斑照射的材料表面熔化时形成小孔,这个充满蒸气的小孔犹如

5、一个黑体,几乎全部吸收入射光线的能量,孔腔内平衡温度达25000℃左右,在几微秒的时间内,反射率迅速下降。CO2激光器的发展重点虽然仍集中于设备的开发研制,但已不在于提高最大的输出功率,而在于如何提高光束质量及其聚焦性能。另外,CO2激光10kW以上大功率焊接时,若使用氩气保护气体,常诱发很强的等离子体,使熔深变浅。因此,CO2激光大功率焊接时,常使用不产生等离子体的氦气作为保护气体。用于激发高功率Nd:YAG晶体的二极管激光组合的应用是一项重要的发展课题,必将大大提高激光束的质量,并形成更加有效的激光加工。采用直接二极管阵列激发输出

6、波长在近红外区域的激光,其平均功率已达1kW,光电转换效率接近50%。二极管还具有更长的使用寿命(10000h),有利于降低激光设备的维护成本。二极管泵浦固体激光设备(DPSSL)的开发研究在世界上很活跃。激光焊接的机理：激光焊接和传统电弧焊的最大区别在于热传导方式的不同,材料对激光束能量的吸收受到很多因素的影响,激光束的类型、即时激光束的能量密度和材料的表面状况都会影响能量的传输。影响材料激光焊接的两个重要指标是:(1)热传输效率,即工件吸收的热量与激光束能量之比。(2)熔化效率,即熔合区刚好熔化工件需要的热量与工件吸收的热量之比。

7、激光焊接有两种基本方式:传导焊与深熔(小孔)焊。这两种方式最根本的区别在于:前者熔池表面保持封闭(图1),而后者熔池则被激光束穿透成孔(图2)。传导焊对系统的扰动较小,因为激光束的辐射没有穿透被焊材料,所以在传导焊过程中焊缝不易被气体侵入;而深熔焊时,小孔的不断关闭能导致气孔。传导焊和深熔焊方式也可以在同一焊接过程中相互转换,由传导方式向小孔方式的转变取决于施加于工件的峰值激光能量密度和激光脉冲持续时间。激光脉冲能量密度的时间依赖性能够使激光焊接在激光与材料相互作用期间由一种焊接方式向另一种方式转变,即在相互作用过程中焊缝可以先在传导

8、方式下形成,然后再转变为小孔方式。可以调节激光焊接过程中各因素相互作用的程度,使得小孔刚建立以后即进入脉冲间歇阶段,从而减小气体侵入的可能性,降低气孔产生的倾向;还可以调整激光功率密度随时间的分布,以减小熔池的热梯度,降