激光焊接文献综述

文献综述

激光焊接是激光加工材料加工技术应用的重要方面之一。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，它已成功地应用于微小型零件焊接中。

随着高功率CO2和高功率的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，使其在机械制造、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，开辟了激光焊接的新领域。目前的研究主要集中于C02激光和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的分光、吸收、散射特性以及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一定的研究。

所有的研究大大地扩大了其应用的领域范围，主要应用于：制造业应用、粉末冶金领域、汽车工业、电子工业、生物医学、其他领域如对BT20钛合金、HEl30合金、Li-ion电池等激光焊接。

激光焊接主要是通过高能激光脉冲来实现的。激光电源首先把脉冲氙灯点着。激光电源对氙灯脉冲放电，形成一定频率，一定脉宽的光波，该光波经过聚光腔辐射到Nd3+ YAG激光晶体上，激发Nd3+YAG激光晶体发光，再经过激光谐振腔谐振之后，发出波长为1.06um脉冲激光，该脉冲激光经过扩束、反射、聚焦后打在所要焊接的物体上;在计算机系统控制下，移动数控工作台，从而完成焊接。焊接时需要的脉冲激光频率、脉宽、工作台速度、移动方向等通过计算机来控制。通过对机关电源的频率、脉宽的不同设定可调节控制脉冲激光的能量。

这里的脉冲激光焊机主要由激光电源、PC数控系统、光学系统、冷却系统、CCD监视系统及吹起装置等组成。

激光焊接的特点是被焊接工件变形极小，几乎没有连接间隙，焊接深度/宽度比高，因此焊接质量比传统焊接方法高。但是，如何保证激光焊接的质量，也就是激光焊接过程监测与质量控制是一个激光利用领域的重要内容，包括利用电感、电容、声波、光电等各种传感器，通过电子计算机处理，针对不同焊接对象和要求，实现诸如焊缝跟踪、缺陷检测、焊缝质量监测等项目，通过反馈控制调节焊接工艺参数，从而实现自动化激光焊接。在激光焊接中，光束焦点位置是最关键的控制工艺参数之一，在一定激光功率和焊接速度下，只有焦点处于最佳位置范围内才能获得最大熔深和好的焊缝形状。在实际激光焊接中，为了避免和减少影响焦点位置稳定性的因素，需要专门的夹紧和设备技术，这种设备的精确程度与激光焊接的质量高低是相辅相成的。

与其它传统焊接技术相比，激光焊接的主要优点是：

1、速度快、深度大、变形小；

2、能在室温或特殊条件下进行焊接，焊接设备装置简单。例如，激光通过电磁场，光束不会偏移；激光在真空、空气及某种气体环境中均能施焊，并能通过玻璃或对光束透明的材料进行焊接；

3、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；

4、激光聚焦后，功率密度高，在高功率器件焊接时，深宽比可达5：1，最高可达10：1；

5、可进行微型焊接。激光束经聚焦后可获得很小的光斑，且能精确定位，可应用于大批量自动化生产的微、小型工件的组焊中；

6、可焊接难以接近的部位，施行非接触远距离焊接，具有很大的灵活性。尤其是近几年来，在YAG激光加工技术中采用了光纤传输技术，使激光焊接技术获得了更为广泛的推广和应用；

7、激光束易实现光束按时间与空间分光，能进行多光束同时加工及多工位加工，为更精密的焊接提供了条件。

但是，激光焊接也存在着一定的局限性：

1、要求焊件装配精度高，且要求光束在工件上的位置不能有显著偏移。这是因为激光聚焦后光斑尺寸小，焊缝窄，为加填充金属材料。若工件装配精度或光束定位精度达不到要求，很容易造成焊接缺憾；

2、激光器及其相关系统的成本较高，一次性投资较大。

可焊接优点的体现需要对众多参数和装置的限制和调节：

1、整机性能

激光脉冲功率： 0.1——8J/ms

激光脉冲频率： 1——200Hz

激光脉冲宽度： 0.3——20ms

焊点间距：≥0.1mm

工作台移动范围： 300×300×300 mm3

工作台移动速度：≤100mm/s

工作台移动加速度：≤1000mm/s2

工作台重复定位精度： 0.03mm

工作台移动轨迹：直线、折线、圆、圆弧

外型尺寸： 1600×800×1300 mm3

2、各部件技术参数

激光器

激光输出最大功率： 300W

单脉冲输出激光能量：≤40J

冷却系统

循环水流量： 30L/min

三维工作台

X轴行程： 300mm

Y轴行程: 300mm

X轴行程： 300mm

重复定位精度： 0.03mm

CCD监视系统

像数 537X505

清晰度 420线

控制系统 PC

3、安装环境

环境要求：

温度 15——30

湿度 45——75%

气压 86——106Kpa

主机供电电源：

供电电网波动﹤5%

供电频率 50Hz，三相四线380V，20A

电网地线符合机房国际要求

冷却水：

去离子水或纯净蒸馏水并保持洁净

本次所做的实验主要是研究各工艺参数对焊接质量的影响规律，这些参数主要包括材料种类、材料厚度、焊接速度、加速度、电流大小、功率密度、焊接频率、激光脉冲波形、脉宽和离焦量等。

1、材料种类

大多数金属在激光开始照射时，会将大部分激光能量反射掉，所以材料的种类决定着材料的反射率，一般导电性好的材料，反射率都很高，相对的吸收率就低一些；对YAG激光来说，银的反射率是96%、铝的是92%、铜90%、铂89%、而铁的只有60%。此外，吸收率还受到波长、温度、表面涂层的影响，波长越短，吸收率越高；温度越高，吸收率越高，呈线性关系，室温时金属材料对激光的吸收率一般在20％以下；当金属温度达到烙点产生熔融和气化后吸收率上升到40~50%；当接近沸点时吸收率可高达90%；一般涂磷酸盐、炭黑、石墨等可以提高吸收率。

2、材料厚度

由于焊接时熔深有限，所以对材料的厚度有一定的要求，一般要求材料厚度不超过

1.2mm，而太薄的焊件在焊接时容易导致烧穿现象，一般0.2mm以下的材质，焊接难度大，焊缝会有变形等现象，焊接牢固度变小。所以焊件厚度一般在0.2——1.2mm之间。

3、焊接速度和加速度

激光焊接的焊接速度=频率×点距。如果在整个焊接的过程中，焊接的频率不改变的话，在刚开始的时候，焊件温度比较低，达到焊件熔点比较困难，所以需要一个较低的焊接速度，但是，到后来如果还用与刚开始的时候所用的焊接速度的话，由于焊件温度已经比较高了，焊件的吸收率有所提高，马上就达到焊件熔点，所以必须逐渐提高焊接速度，以保证不使焊件烧穿，这就需要在焊接时有一个合适的焊接加速度。

4、功率密度