高能焊教

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第1章 激光焊接
4.
用于激光脉冲焊的激光器： 常用于激光脉冲焊的激光器有红宝石、钕 玻璃和YAG等几种。常用于激光脉冲焊的激 光器有红宝石、钕玻璃和YAG等几种。
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第1章 激光焊接
5.2 影响脉冲激光焊的因素
1. 焊接加热时的能量密度范围 激光是个高能量热源，在焊接时要尽量避免焊点金 属的蒸发和烧穿，因此必须严格控制它的能量密度， 使焊点温度始终保持高于熔点而低于沸点。金属本 身的熔点和沸点之间的距离越大，能量密度的范围 越宽，焊接过程越容易控制。 控制光束能量密度的主要方法有：调整输入能量， 调整光斑大小，改变光斑中的能量分布，改变脉冲 宽度和衰减波的陡度。
第1章 激光焊接
第一章： 激光焊接
§ 1.5、激光焊工艺和参数
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第1章 激光焊接
激光焊的焊接工艺可以分为两种： 脉冲激光焊 连续激光焊
连续激光焊所使用的焊接设备一般为CO2激光 器。
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第1章 激光焊接
5.1 脉冲激光焊概述
1.
脉冲激光焊特点： 脉冲激光焊与点焊类似，脉冲激光焊加热 斑点很小，约为微米数量级，每一个激光脉 冲在金属上形成一个焊点。 2. 脉冲激光焊工艺的决定因素： 脉冲激光焊的焊接工艺一般根据金属的性 能，需要的熔深和焊接方式来决定激光的功 率密度，脉冲宽度和波形。

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第1章 激光焊接
离焦量： 离焦量又叫入焦量，用△F表示。是指焊件表面到 聚焦激光束最小光斑(焦点)的距离。激光束通过透 镜聚焦后，有一个最小光斑直径，如果焊件表面与 之重合，则△F = 0；如果焊件表面在它下面，则 △F > 0，称为正离焦量；如果焊件表面在它上面， 则△F < 0，称为负离焦量。 改变离焦量，可以改变激光加热加热斑点的大小和 光束入射状况。焊接较厚的板时，采用适当的负离 焦量可以获得最大的熔深。但是离焦量太大的情况 下，会使光斑直径变大，降低光斑上的功率密度， 使熔深减小。

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第1章 激光焊接
5.5 连续CO2激光焊焊接工艺
连续激光焊所使用的焊接设备一般为CO2激
光器。原因是CO2激光器的输出功率比其他 激光器搞高，并且输出稳定，所以可以进行 薄板精密焊，以及50mm厚板的深穿入焊。 CO2激光器广泛应用于材料的激光加工。商 业化CO2激光器连续输出功率为几kW至 25kW，目前实验室研制出有100kW以上的大 功率激光器。
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第1章 激光焊接
3.
密封焊接 脉冲激光密封焊接是以单点重叠方式进行的， 其焊点重叠度与密封度有关系。
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4. 异种金属之间的焊接 对于可以形成合金的结构，熔点及沸点分别相近 的两种金属，能够形成牢固接头的激光焊参数范围 较大，温度范围可选择在熔点和沸点之间。如果一 种金属的熔点比另外一种金属的沸点还要高的多， 则两种金属形成牢固接头的激光焊参数范围就很窄， 甚至不可能进行焊接，这是由于一种金属开始熔化 时，另外一种金属已经蒸发。在这种情况下进行焊 接，可以采用过渡金属来解决。

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第1章 激光焊接
脉冲能量和脉冲宽度的关系 脉冲能量和脉冲宽度在焊接时有一定的关系，而且 随着材料厚度与性质不同而变化。焊接时，激光的 平均功率P由以下公式决定： P=E /△τ P是激光功率 (W), E是脉冲能量（J），△τ是脉冲 宽度（s）。由上面的式子可以知道，为了维持一定 的功率，随着脉冲能量的增加，脉冲宽度必须相应 的增加，才能得到较好的焊接质量。

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第1章 激光焊接
5.3 脉冲激光焊接工艺
1. 薄片与薄片之间的焊接 厚度在0.2mm以上的薄片之间的焊接，可以是同种 材料，也可以是异种材料，主要采取搭接形式。在 选择参数的时候，主要考虑上片材料的性质、片厚 和下片的熔点。将厚度较小，热扩散率较大的金属 片作为下片其所需的脉冲宽度和总能量可适当小些。 将沸点高而熔点与熔点距离大的近世作为上片，其 所要求的能量密度大些，将对激光波长反射率低的 材料作为上片，可以减少反射率损失。来自6第1章 激光焊接
2. 反射率 反射虑的大小说明了一种波长的光有多少比率的能 量被母材吸收，有多少比率的能量被反射而损失。 大多数金属在激光开始照射的时，能将激光束的大 部分能量反射回去，所以焊接过程开始的瞬间，需 要较高功率的光束，而当金属表面开始熔化和气化 后，其反射率将迅速降低，要相应的降低光束的能 量密度。 反射率与以下因素有关： 温度、激光束的波长、材料的直流电阻率、激光束 的入射角、材料的表面状态等因素。

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第1章 激光焊接
功率密度： 激光焊的功率密度决定焊接过程和机理。率密度较 小时候，焊接以传热焊的方式进行，焊点的直径和 熔深由热传导决定。当功率密度达到106W/cm2时， 焊接过程产生小孔效应，形成宽深比大于1的深熔焊 点，这时金属虽然有少量的蒸发，并不影响焊点的 形成。但是功率密度过大后，金属蒸发剧烈，导致 气化金属过多，在焊点中形成一个不能被液态金属 填满的小孔，不能形成牢固的焊点。 脉冲激光焊时，功率密度由下面的式子决定： Pd = 4E /πd 2△τ Pd 是激光光斑上的功率密度（W/cm2）， E是激光脉冲能量(J), d是光斑直径（cm）， △τ是脉冲宽度（s）。

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第1章 激光焊接
3. 焊接时的穿入深度 脉冲激光焊接时，激光束本身对金属的直接穿入深 度是有限的。传热熔化成形方式焊接的焊点最大穿 入深度主要取决于材料的导温系数，导温系数大的 穿入深度大，而导温系数则与传热系数成正比、与 密度和比热容成反比。同一种金属，其穿入深度决 定于脉冲宽度，脉冲宽度越大，则穿入深度也越大， 但是脉冲宽度的下限应在1ms以上，否则有可能成 为打孔，而上限应在10ms左右，最大熔深可达 0.7mm。

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第1章 激光焊接
填充金属 尽管激光焊适合于自熔焊，但是在一些应用场合，仍 然需要填充金属。其优点是：能够改变焊缝化学成分， 从而达到控制焊缝组织，改善接头力学性能的目的。 在有些情况下，还能够提高焊缝抗结晶裂纹敏感性。 另外，允许增大接头装配公差，改善激光焊接头准备 的不理想状态。实践表明，间隙超过板厚的3%，自 熔焊缝将不饱满。 填充金属常常以焊丝的形式加入，可以是冷态，也可 以是热态。填充金属的施加量不能过大，以免破坏小 孔效应。

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第1章 激光焊接
4. 聚焦性和离焦量 由于激光束的传播方向能够成为非常窄的一束，对 于焊接来说，就可以得到很小的焊点，这对微型焊 件是非常重要的。随着波长缩短、工作物质的直径 增大，光束的发散角随之变小，光束的宽窄相应变 窄，焊点尺寸减小。但是工作物质的直径不能增大 太大，应该有一个合适的范围。另外光斑直径的大 小还可以通过缩短焦距而变小。通过离焦量可以调 节能量密度。
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第1章 激光焊接
接头形式以及装配要求
常用的CO2激光焊的接头形式见图。在激光
焊时，用的最多的是对接接头。对接时，如 果接头错边太大，会使入射激光在板角处反 射，焊接过程不能稳定。薄板焊时，间隙太 大，焊后焊缝表面成形不饱满，严重时形成 穿孔。搭接时，板间间隙过大，则容易造成 上下板之间熔合不良。
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第1章 激光焊接
CO2激光焊的接头形式
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第1章 激光焊接

为了获得成形良好的焊缝，焊前必须将焊件装配良好。各类 接头的的装配要求见表。在激光焊接的过程中，焊件应该夹 紧，以防止热变形。光斑在垂直于焊接运动方向对焊缝中心 的偏离量，应该小于光斑的半径。
接头形式 对接 允许最大间隙 允许最大上下错 边量 0.10δ 0.25δ
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深穿入熔化焊： 两片金属重叠在一部分，激光束直接照射在 上片金属上，使上片金属的下表面和下片金 属的上表面同时熔化而形成焊缝。
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穿孔焊： 两片金属重叠一部分，激光束直接照射在上 片金属上，初始激光峰值很高，使光斑中心 蒸发成一个小孔。随后，激光束通过小孔直 接照射下片金属表面，使两片金属熔化而形 成焊缝。焊接时，有少量飞溅，此法适用于 厚片的焊接。
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第1章 激光焊接
5.4 脉冲激光焊的焊接参数
脉冲激光焊有4个主要参数： 脉冲能量， 脉冲宽度， 功率密度， 离焦量。
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第1章 激光焊接
脉冲能量： 脉冲激光焊时，脉冲能量决定加热能量之大小， 它主要影响金属的熔化量。 脉冲宽度： 决定焊接时的加热时间，它影响熔深和热影响 区大小。脉冲能量一定时，对于不同材料，各存在 一个最佳脉冲宽度，此时焊接的熔深最大。它主要 取决于材料的热物理性能，特别是热导率和熔点。 导热性好、熔点低的金属易获得较大的熔深。
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第1章 激光焊接
（脉冲激光焊接）薄片与薄片的焊接方式
（脉冲激光焊接）薄片与薄片的焊接方式
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第1章 激光焊接

2. 丝与丝之间的焊接 适用于脉冲激光焊接的细丝，直径为0.02~0.2mm细丝之 间的焊接，对激光束能量的控制是很严格的。如果能量密度 稍大，金属稍微有蒸发就会引起断丝，影响焊接质量。如果 能量密度太小，又可能焊接不牢。金属丝越细，对能量要求 越严格，对激光器输出稳定性要求就越高。丝与丝之间的焊 接，焊点的质量主要是焊点的抗拉强度，它与激光能量和脉 冲宽度的关系很大。要保持完全没有蒸发，就需要在较低功 率密度、较大脉冲宽度的情况下进行熔化焊接。但是脉冲宽 度太大，会产生后期蒸发。而脉冲宽度太小，则功率密度就 必须提高，又容易产生前期蒸发。丝与丝之间焊接的接头形 式有对接，重叠，十字形和T字形。其中以粗细不等的十字 形接头的焊接难度最大，这是因为细丝的受激光照射部分， 吸收光能熔化后容易流走而造成断裂。此类接头要采用短焦 距、大离焦量，光斑尺寸应比细丝直径大四倍左右，的参数 来进行焊接。以便使细丝和粗丝同时熔化，球化收缩而不至 引起细丝断裂。