激光焊接技术
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
激光焊接技术
1 2 3 4 5 概 述 激光焊接原理 激光焊接技术参数的作用与实验选择 激光焊接实用举例 激光焊接技术的发展前景
1
概
述
• 激光焊接是一种无接触加工方式，对焊接零件没有外力作用。激 光能量高度集中，对金属快速加热后快速冷却，对许多零件来讲， 热影响可以忽略不计，可认为不产生热变形或者说热变形极小。 能够焊接高熔点、难熔、难焊的金属，如钛合金、铝合金等。激 光焊接过程对环境没有污染，在空气中可以直接焊接，与需在真 空室中焊接的电子束焊接方法比较，激光焊接技术简便。 • 激光焊接在电子工业、国防工业、仪表工业、电池工业、医疗仪 器以及许多行业中均得到了广泛的应用。
• 热传导型激光焊接，需控制激光功率和功率密度， 金属吸收光能后，不产生非线性效应和小孔效应。 激光直接穿透深度只在微米量级，金属内部升温靠 热传导方式进行。激光功率密度一般在104～ 105W/cm2，使被焊接金属表面既能熔化又不会汽化， 而使焊件熔接在一起。
图 2 YAG激光头照片
• 2.2 激光深熔焊接 • 与激光热传导焊接相比，激光深熔焊接需要更高的 激光功率密度，一般需用连续输出的CO2激光器， 激光功率在200～3000W的范围。激光深熔焊接的机 制与电子束焊接的机制相近，功率密度在106～ 107W/cm2的激光光束连续照射金属焊缝表面，由于 激光功率热密度足够高，使金属材料熔化、蒸发， 并在激光光束照射点处形成一个小孔。这个小孔继 续吸收激光光束的光能，使小孔周围形成一个熔融 金属的熔池，热能由熔池向周围传播，激光功率越 大，熔池越深，当激光光束相对于焊件移动时，小 孔的中心也随之移动，并处于相对稳定状态。小孔 的移动就形成了焊缝，这种焊接的原理不同于脉冲 激光的热传导焊接。
• 三、激光脉冲波形
• 热传导型激光焊接使用重复脉冲激光焊接材料，为了焊接效果好， 就要对激光脉冲波形有一定要求。
• 借用电子电路技术中仿真线的概念，由电感电容网络组成仿真线， 通过仿真线放电形成特定形状的激光脉冲，一般通过L-C仿真线 网络可以将脉冲展宽，得到一个平顶宽脉冲。根据需要可以使脉 宽在3～5ms，最大可做到30ms。
图 7 不同焊接参数与熔深的关系
• 为使焊缝平整光滑，实际焊接时，激光功率在开始和结束时都设 计有渐变过程，启动时激光功率由小变大到预定值，结束焊接时 激光功率由大变小，焊缝才没有凹坑或斑痕。
• 二、激光脉冲宽度
• 激光热传导焊接中，激光脉冲宽度与焊缝深度有直接关系，也就 是说脉冲宽度决定了材料熔化的深度和焊缝的宽度。据文献记载， 熔深的大小随脉宽的1/2次方增加 • 。如果单纯增加脉冲宽度，只会使焊缝变宽、过熔，引起焊缝附 近的金属氧化、变色甚至变形。因此，特殊要求较大熔深时，可 使聚焦镜的焦点深入材料内部，使焊缝处发生轻微打孔，部份熔 化金属有汽化飞溅现象，焊缝深度变大，此时焊缝表面平整度可 能稍差。必要时，改变离焦量重复焊接一遍，可使焊缝表面光滑 美观。
Hale Waihona Puke Baidu
图 4 CO2深熔焊接机示意
• 激光深熔焊接的焊接速度与激光功率成正比，熔深与速度成反比， 欲使熔接速度增加、熔深加大，就必须选用大功率激光器。为获 得高速度、高质量的焊接效果，常用1500～3500W之间的连续CO2 激光器进行焊接。
图 5 大功率CO2激光器内部结构及外形
3 激光焊接技术参数的作用与实验 选择
• 1 激光焊接技术的主要参数 • 对脉冲激光器来讲就是平均激光功率的大小，保证了足够的激光 功率，在热传导焊接中，激光器工作于脉冲状态，因而脉冲能量、 脉冲宽度和激光重复频率就是很重要的参数。当然，激光外光路 的设计、聚焦系统、焊接时离焦量大小的影响也是必须注意的， 焊接的速度或者说光斑的重迭率，激光脉冲的重复频率，也要有 适当的配合。为了防止焊接过程中工件材料的氧化，需要选用适 当的保护气体，而且保护气体的流量大小、吹气方式，或者说是 吹气喷嘴形状的设计都是很有关系的。
• 2.1 激光热传导焊接 • 焊件结合部位被激光照射，金属表面吸收光能而使 温度升高，热量依照固体材料的热传导理论向金属 内部传播扩散。激光参数不同时，扩散时间、深度 也有区别，这与激光脉冲宽度、脉冲能量、重复频 率等参数有关。 • 被焊工件结合部位的两部份金属，因升温达到熔点 而熔化成液体，很快凝固后，两部份金属熔接焊在 一起。
图 3 激光深熔焊接小孔效应示意
• 激光深熔焊接依靠小孔效应，使激光光束的光能传向材料深部， 激光功率足够大时，小孔深度加大，随着激光光束相对于焊件的 移动，金属液体凝固形成焊缝，焊缝窄而深，其深宽比可达到12： 1。激光深熔焊接需要足够高的激光功率，但几百瓦的CO2激光器， 当激光模式好时，也能产生小孔效应，这是因为基模光束聚焦后 能够获得高功率密度。
图 1 激光焊接的零件
2
激光焊接原理
• 激光焊接常用的激光光源是气体CO2激光器和固体YAG激光器，依 激光器输出功率的大小和工作状态，激光器工作的方式有连续输 出方式和脉冲输出方式。被聚焦的激光光束照射到焊件表面的功 率密度，一般在104～107W/cm2。其焊接的机制也因功率密度的 大小，区分为激光热传导焊接和激光深熔焊接。
图 6 激光焊接头的实物照片
• 2 激光焊接主要参数的选择
• 一、激光功率
• 激光功率的大小是激光焊接技术的首选参数，只 有保证了足够的激光功率，才能得到好的焊接效 果。 • 激光功率较小时，虽然也能产生小孔效应，但有 时焊接效果不好，焊缝内有气孔，激光功率加大 时，焊缝内气孔消失，因此激光深熔焊接时，不 要采用勉强能够产生小孔效应的最小功率。适当 加大激光功率，可以提高焊接速度和熔深，只有 在功率过大时，才会引起材料过分吸收，使小孔 内气体喷溅，或焊缝产生疤痕，甚至使工件焊穿。
图 8 仿真线脉冲形成网络
• 金属在常温下对激光反射率较高，如钢铁类金属表 面对1064nm波长的YAG激光的反射率达60%，但金 属表面温度升高以后，反射率迅速下降，金属对激 光能量的吸收率很快增加。简单的方波脉冲使焊斑 熔化不好，流动性差，甚至出现裂纹，焊接效果不 理想。这就需要对仿真线参数进行修正。 • 为了使激光光波形前缘出现高幅值尖峰，将仿真线 第一网孔L1C1组合中的电感L1减小或去掉，C1用低 感或无感电容，使激光光波形前缘陡峭，有利于迅 速降低反射率，加强对光能的吸收。同时对仿真线 最后一组或两组的电感L4或L5的电感量适当增大， 推迟放电速度，使激光波形有个拖尾，在焊接过程 中，对于熔融部份的金属得到减缓凝固的作用，对 于铝合金等材料的焊接，有很明显的改进作用。
1 2 3 4 5 概 述 激光焊接原理 激光焊接技术参数的作用与实验选择 激光焊接实用举例 激光焊接技术的发展前景
1
概
述
• 激光焊接是一种无接触加工方式，对焊接零件没有外力作用。激 光能量高度集中，对金属快速加热后快速冷却，对许多零件来讲， 热影响可以忽略不计，可认为不产生热变形或者说热变形极小。 能够焊接高熔点、难熔、难焊的金属，如钛合金、铝合金等。激 光焊接过程对环境没有污染，在空气中可以直接焊接，与需在真 空室中焊接的电子束焊接方法比较，激光焊接技术简便。 • 激光焊接在电子工业、国防工业、仪表工业、电池工业、医疗仪 器以及许多行业中均得到了广泛的应用。
• 热传导型激光焊接，需控制激光功率和功率密度， 金属吸收光能后，不产生非线性效应和小孔效应。 激光直接穿透深度只在微米量级，金属内部升温靠 热传导方式进行。激光功率密度一般在104～ 105W/cm2，使被焊接金属表面既能熔化又不会汽化， 而使焊件熔接在一起。
图 2 YAG激光头照片
• 2.2 激光深熔焊接 • 与激光热传导焊接相比，激光深熔焊接需要更高的 激光功率密度，一般需用连续输出的CO2激光器， 激光功率在200～3000W的范围。激光深熔焊接的机 制与电子束焊接的机制相近，功率密度在106～ 107W/cm2的激光光束连续照射金属焊缝表面，由于 激光功率热密度足够高，使金属材料熔化、蒸发， 并在激光光束照射点处形成一个小孔。这个小孔继 续吸收激光光束的光能，使小孔周围形成一个熔融 金属的熔池，热能由熔池向周围传播，激光功率越 大，熔池越深，当激光光束相对于焊件移动时，小 孔的中心也随之移动，并处于相对稳定状态。小孔 的移动就形成了焊缝，这种焊接的原理不同于脉冲 激光的热传导焊接。
• 三、激光脉冲波形
• 热传导型激光焊接使用重复脉冲激光焊接材料，为了焊接效果好， 就要对激光脉冲波形有一定要求。
• 借用电子电路技术中仿真线的概念，由电感电容网络组成仿真线， 通过仿真线放电形成特定形状的激光脉冲，一般通过L-C仿真线 网络可以将脉冲展宽，得到一个平顶宽脉冲。根据需要可以使脉 宽在3～5ms，最大可做到30ms。
图 7 不同焊接参数与熔深的关系
• 为使焊缝平整光滑，实际焊接时，激光功率在开始和结束时都设 计有渐变过程，启动时激光功率由小变大到预定值，结束焊接时 激光功率由大变小，焊缝才没有凹坑或斑痕。
• 二、激光脉冲宽度
• 激光热传导焊接中，激光脉冲宽度与焊缝深度有直接关系，也就 是说脉冲宽度决定了材料熔化的深度和焊缝的宽度。据文献记载， 熔深的大小随脉宽的1/2次方增加 • 。如果单纯增加脉冲宽度，只会使焊缝变宽、过熔，引起焊缝附 近的金属氧化、变色甚至变形。因此，特殊要求较大熔深时，可 使聚焦镜的焦点深入材料内部，使焊缝处发生轻微打孔，部份熔 化金属有汽化飞溅现象，焊缝深度变大，此时焊缝表面平整度可 能稍差。必要时，改变离焦量重复焊接一遍，可使焊缝表面光滑 美观。
Hale Waihona Puke Baidu
图 4 CO2深熔焊接机示意
• 激光深熔焊接的焊接速度与激光功率成正比，熔深与速度成反比， 欲使熔接速度增加、熔深加大，就必须选用大功率激光器。为获 得高速度、高质量的焊接效果，常用1500～3500W之间的连续CO2 激光器进行焊接。
图 5 大功率CO2激光器内部结构及外形
3 激光焊接技术参数的作用与实验 选择
• 1 激光焊接技术的主要参数 • 对脉冲激光器来讲就是平均激光功率的大小，保证了足够的激光 功率，在热传导焊接中，激光器工作于脉冲状态，因而脉冲能量、 脉冲宽度和激光重复频率就是很重要的参数。当然，激光外光路 的设计、聚焦系统、焊接时离焦量大小的影响也是必须注意的， 焊接的速度或者说光斑的重迭率，激光脉冲的重复频率，也要有 适当的配合。为了防止焊接过程中工件材料的氧化，需要选用适 当的保护气体，而且保护气体的流量大小、吹气方式，或者说是 吹气喷嘴形状的设计都是很有关系的。
• 2.1 激光热传导焊接 • 焊件结合部位被激光照射，金属表面吸收光能而使 温度升高，热量依照固体材料的热传导理论向金属 内部传播扩散。激光参数不同时，扩散时间、深度 也有区别，这与激光脉冲宽度、脉冲能量、重复频 率等参数有关。 • 被焊工件结合部位的两部份金属，因升温达到熔点 而熔化成液体，很快凝固后，两部份金属熔接焊在 一起。
图 3 激光深熔焊接小孔效应示意
• 激光深熔焊接依靠小孔效应，使激光光束的光能传向材料深部， 激光功率足够大时，小孔深度加大，随着激光光束相对于焊件的 移动，金属液体凝固形成焊缝，焊缝窄而深，其深宽比可达到12： 1。激光深熔焊接需要足够高的激光功率，但几百瓦的CO2激光器， 当激光模式好时，也能产生小孔效应，这是因为基模光束聚焦后 能够获得高功率密度。
图 1 激光焊接的零件
2
激光焊接原理
• 激光焊接常用的激光光源是气体CO2激光器和固体YAG激光器，依 激光器输出功率的大小和工作状态，激光器工作的方式有连续输 出方式和脉冲输出方式。被聚焦的激光光束照射到焊件表面的功 率密度，一般在104～107W/cm2。其焊接的机制也因功率密度的 大小，区分为激光热传导焊接和激光深熔焊接。
图 6 激光焊接头的实物照片
• 2 激光焊接主要参数的选择
• 一、激光功率
• 激光功率的大小是激光焊接技术的首选参数，只 有保证了足够的激光功率，才能得到好的焊接效 果。 • 激光功率较小时，虽然也能产生小孔效应，但有 时焊接效果不好，焊缝内有气孔，激光功率加大 时，焊缝内气孔消失，因此激光深熔焊接时，不 要采用勉强能够产生小孔效应的最小功率。适当 加大激光功率，可以提高焊接速度和熔深，只有 在功率过大时，才会引起材料过分吸收，使小孔 内气体喷溅，或焊缝产生疤痕，甚至使工件焊穿。
图 8 仿真线脉冲形成网络
• 金属在常温下对激光反射率较高，如钢铁类金属表 面对1064nm波长的YAG激光的反射率达60%，但金 属表面温度升高以后，反射率迅速下降，金属对激 光能量的吸收率很快增加。简单的方波脉冲使焊斑 熔化不好，流动性差，甚至出现裂纹，焊接效果不 理想。这就需要对仿真线参数进行修正。 • 为了使激光光波形前缘出现高幅值尖峰，将仿真线 第一网孔L1C1组合中的电感L1减小或去掉，C1用低 感或无感电容，使激光光波形前缘陡峭，有利于迅 速降低反射率，加强对光能的吸收。同时对仿真线 最后一组或两组的电感L4或L5的电感量适当增大， 推迟放电速度，使激光波形有个拖尾，在焊接过程 中，对于熔融部份的金属得到减缓凝固的作用，对 于铝合金等材料的焊接，有很明显的改进作用。