激光焊接技术ppt课件

第3 章 激光焊接技术
3.1 概 述 3.2 激光焊接原理 3.3 激光焊接技术参数的作用与实验选择 3.4 激光焊接实用举例 3.5 激光焊接技术的发展前景
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3.1 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。
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图3.15 焦平面示意
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一般对熔深要求不高时最好用正离焦，这样很容易 获得牢固美观的焊缝。实际焊接过程中经常是激光 器各项参数设置完毕后，最后经由微调离焦量，来 达到完美的焊接效果。
离焦量的选择和聚焦镜的焦距数值大小有关，焦平
面处的光斑尺寸D与聚焦镜的焦距F和激光光束的发
散角θ有关，即
D＝Fθ
选电源。
锂离子电池，有几道程序如极耳焊接、安全阀焊
接、负极焊接、外壳密封焊接等，均以激光焊接
为最佳技术。
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表3.1 各种蓄电池主要性能对比
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一、极耳安全阀的自动焊接
新型电池内部装有防爆装置，称为安全阀，锂离 子电池有内部膨胀爆炸危险，因而电池必须装有 安全阀，作为安全保障。安全阀结构巧妙，为用 激光焊接牢固的、一定形状的两个铝质金属片， 由激光熔斑形成的抗拉强度，需在设计值范围之 内，即通过激光熔斑使电池内部形成通路，但当 内部压力升高到一定值时，激光熔斑被撕开，起 到保护作用。
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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。
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图3.18 电池安全阀结构示意
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图3.19 激光焊接安全阀的自动装置示意
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极耳的激光焊接技术比较复杂，由于是大量生产， 焊接过程必须自动化、高生产率才能满足市场需 求。图3.20是激光自动焊接极耳的装置示意，作 为电池正极片的极耳与安全阀的孔板焊在一起， 图示装置的核心结构是一个有36个V形槽的圆形转 盘，V形槽用来确定电池的位置，在电池极耳下面 有放置安全阀的圆坑，安全阀与电池主体可以依 图示装置自动上料，也可以手工上料。
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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。
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图3.2 YAG激光头照片
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3.2.2 激光深熔焊接
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图3.11 重复脉冲激光放电波形
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传统的电子电路与微处理机结合，实现了以前电 子电路无法实现的功能，有效地提高了整机的性 能和水准，通过单晶片微处理机使激光脉冲可任 意设置的激光器，就是当前的较先进的一项技术， 提高了激光焊接机的功能，本来不能焊接或焊不 好的材料也可以焊得很好了。
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图3.12 可任意设置的激光脉冲波形
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图3.8 仿真线脉冲形成网络
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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。
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图3.6 激光焊接头的实物照片
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3.3.2 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3.3 激光深熔焊接小孔效应示意
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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。
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四、激光脉冲重复频率
热传导焊接中，激光器发出重复频率激光脉冲，每 个激光脉冲形成一个熔斑，焊件与激光光束相对移 动速度决定了熔斑的重叠率，一系列的熔斑形成鱼 鳞纹似的漂亮焊缝。如仪器、仪表、电池、继电器 外壳的密封，板材、管件或需要连接的电子零件、 机械零件的焊接等大都使用这种方法。
为了实现激光密封焊接，对于激光光斑的重复频率 有一定要求，一般要重叠70%以上，因为每一个熔 斑都是材料表面吸收了激光的能量通过热传导向四 周扩散的，所以熔斑断面形状为半球形，如图3.14 所示，为了达到一定厚度的熔深，只有在高重复频 率下才能达到密封焊接。.
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。
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图3.1 激光焊接的零件
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3.2 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。
3.3.1 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叠 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。
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图3.17 带保护气体喷嘴的激光焊接头
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3.4 激光焊接实用举例
3.4.1 新型电池的激光焊接
航空飞行器上改用锂离子电池后，比能量是镉镍 电池的2～3倍，是氢镍电池的1.5～2倍。用在摄 录影机上，用在行动电话上，用在笔记本电脑上， 都使这些移动电子产品体积大为缩小，待机时间 倍增。锂离子电池一经问世，产销量便迅速增加。 2000年年产量达4.5亿支以上，近年来产量还在不 断增加，而且又将成为正在研制的电动汽车的首
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图3.4 CO2深熔焊接机示意 .
பைடு நூலகம்
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、高品 质的焊接效果，常用1500～3500W之间的连续CO2 激光器进行焊接。
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图3.5 大功率CO2激光器内部结构及外形
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3.3 激光焊接技术参数的作用与实验 选择
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
最延后缓一放组 电或 速两 度组 ，的使电激感光波L4或形L有5的个电拖感尾量，适在当焊增接大过，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。
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图3.9 氙灯放电波形
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当焊接工件以一定速度移动时，激光熔斑相互重 叠，重叠率由工件移动速度和激光重复频率来决 定。这种焊接状态与单脉冲点焊不同，当一个激 光脉冲聚焦的光斑照射到焊缝处时，前一个激光 脉冲已将该处金属材料加热，且前一个光斑照射 的部份金属已呈熔融状态，尚未来得及凝固或者 说未能完全凝固。因而这个激光脉冲到来时，焊 缝处的温度升高，金属的反射率降低，并不需要 前置尖峰脉冲的激光波形。一般可以通过重复的 熔斑对工件实现密封焊接，这是国内外目前使用 最多的激光脉冲波形。
保护气体除防止熔化金属被氧化之外，还有一个 作用就是吹掉焊接过程中产生的电浆火焰，电浆 火焰本身对激光能量有吸收、散射作用，影响焊 接效果，减少熔接深度。
激光深熔时，在一定压力流速下的保护气体能够 迅速清除熔化区的空气，避免金属氧化，同时保 护气体能够将电浆火焰保持在熔池小孔内部，熔 池内部热量增多，使焊缝的熔深加大。
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图3.7 不同焊接参数与熔深的关系
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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。
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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
焊接0.5～1mm厚钢板时，聚焦镜焦距通常是100～ 200mm，对光斑尺寸要求并非十分严格，因而离焦 量的选取也有较大的范围。激光焊接金属膜片时， 要求熔斑直径小，聚焦镜的焦距也小，在这种情况 下离焦量的选择要谨慎，. 离焦量不宜太大。
六、保护气体
在一些对焊接技术要求严格的场合，如要求焊缝 美观、密封、无氧化痕迹的产品，或是易于氧化 难于焊接的铝合金材料，在焊接过程中就必须施 加保护气体。
图3.14 重复激光脉冲的焊接效果
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航空仪表外壳激光密封焊接后，要求漏气率小于 10-8～10-10Pa．L/s，这是很高的指标，只有用氦 质谱仪才能检测。
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五、离焦量的选择
对于能够正常焊接的激光功率（或是脉冲能量）， 在焦平面处的激光功率密度往往已经超过激光焊 接所需的功率密度，在焦点位置焊接，可能会出 现金属汽化、熔渣飞溅或是打孔现象。正确焊接 技术是使焦平面离开工件表面一小段距离，这个 距离称为离焦量。如图3.15所示，以工件表面为 准，焦平面深入工件内部称为负离焦，焦平面在 工件之外称为正离焦。
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。 .
。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。
氮气室上部有透光平板玻璃，允许波长为1064nm 的激光光束射入到焊件的焊缝上，氮气室内充满 氮气，这样被焊接金属零件在加热熔化过程中就 不会氧化，如焊接钢类零件或不锈钢类零件时， 得到的焊缝是闪亮的，密封效果也好。
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图3.16 氮气室示意
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在要求高度密封、漏气率很低的工件焊接时，最 好使用氩气，焊接效果会更好，一次焊接密封成 功率高，而且焊缝美观。
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3.2.1 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。