激光焊接技术PPT演示课件

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。
。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。
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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3.3 激光焊接技术参数的作用与实验 选择
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3.7 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
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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。
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图3.4 CO2深熔焊接机示意
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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
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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。
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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。
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。
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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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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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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