激光焊接應(yīng)用
發(fā)布日期:2011-11-25 蘭生客服中心 瀏覽:3760
一、 激光焊接的主要特性
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。缚p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)多工位裝置的自動化。
六、激光深熔焊
1、冶金過程及工藝?yán)碚?/P>
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態(tài)平衡。光束不斷進(jìn)入小孔,小孔外材料在連續(xù)流動,隨著光束移動,小孔始終處于流動的穩(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,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、激光深熔焊的特征及優(yōu)點(diǎn)
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。
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,又不需要?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)自動化,對光束強(qiáng)度與精細(xì)定位能進(jìn)行有效的控制。
4、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。
七、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,F(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。
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