详解激光焊接技术

详解激光焊接技术

一、激光基本原理

1、LASER是什么意思

Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation(通过诱导放出实现光能增幅)的英语缩写。

2、激光产生的原理

激光——“受激辐射放大”是通过强光照射激光发生介质，使介质内部原子的电子获得能量，受激而使电子运动轨道发生迁移，由低能态变为高能态。处于激发态的原子，受外界辐射感应，使处于激发态的原子跃迁到低能态，同时发出一束光；这束光在频率、相位、传播方向、偏振等方面和入射光完全一致，此时的光为受激辐射光。为了得到高能量密度、高指向性的激光，必须要有封闭光线的谐振腔，使观光束在置于激光发生介质两侧的反射镜之间往复振荡，进而提高光强，同时提高光的方向。

含有钕（ND）的YAG结晶体发生的激光是一种人眼看不见的波长为1.064um 的近红外光。这种光束在微弱的受激发情况下，也能实现连续发振。YAG晶体是宝石钇铝石榴石的简称，具有优异的光学特性，是最佳的激光发振用结晶体。

3、滋光的主要特长

a、单色性―激光不是已许多不同的光混一合而成的，它是最纯的单色光（彼长、频率）

b、方向性―橄光传播时基本不向外扩散。

c、相千性－－徽光的位相（波峰和波谷）很有规律，相干性好。

d、高输出功率一用透镜聚焦激光后，所得到的能量密度是太阳光的几百倍。

二、YAG激光焊接

激光焊接是利用激光束优异的方向性和高功么密度等特点进行工作。通过光学系统将激光束聚焦在很小的区域内，在极短的时间内使被焊处形成一个能量高度集中的热源区，从而使被焊物熔化并形成牢固的焊点和焊缝。

常用的激光焊接方式有两种：脉冲激光焊和连续激光焊。前者主要用于单点固定连续和薄件材料的焊接。后者主要用于大厚件的焊接和切割。

1、激光焊接加工方法的特征

A、非接触加工，不需对工件加压和进行表面处理。

B、焊点小、能量密度高、适合于高速加工。

C、短时间焊接，既对外界无热影响，又对材料本身的热变形及热影响区小，尤其适合加工高熔点、高硬度、特种材料。

D、不需要填充金属、不需要真空环境（可在空气中直接进行）、不会像电子束那样在空气中产生X射线的危险。

E、与接触焊工艺相比．无电极、工具等的磨损消耗。

F、无加工噪音，对环境无污染。

G、微小工件也可加工。此外，还可通过透明材料的壁进行焊接。

H、可通过光纤实现远距离、普通方法难以达到的部位、多路同时或分时焊接。

I、很容易改变激光输出焦距及焊点位置。

J、很容易搭载到自动机、机器人装置上。

K、对带绝缘层的导体可直接进行焊接，对性能相差较大的异种金属也可焊接。

2、脉冲激光焊接的机理

脉冲激光焊接可分为传热溶化焊接和深穿入熔化焊接

传热溶化焊接是指当激光束照射到材料的表面上时，材料吸收光能而加热熔化。材料表面层的热以传导方式继续向材料深处传递，直至将两个待焊件的接触面互溶并焊接在一起。

深穿入熔化焊接是指当更大功率密度的激光束照射到材料上时，材料被加工熔化以至气化，产生较大的蒸汽压，在蒸汽的压力的作用下，溶化金属被挤在周围使照射处（熔池）呈现出一个凹坑，随着激光束的继续照射，凹坑越来越深，并穿入到另一个工件中。激光停止照射后，被排挤在凹坑周围的溶化金属重新流回到凹坑里，凝固后将工件焊接在一起。

这两种激光焊接机理，与功率密度、照射时间、材料性质、焊接方式等因素有关。当功率密度较低、照射时间较长而焊件较薄时，通常以传热溶化机理为主进行。反之，则是以深穿入熔化机理为主进行。

三、工艺特点及其影响因素

1、激光的投入能量密度。调整激光照射能量密度的方法主要有：

A、调整激光输出能量（调整激发电压）

B、调整光斑大小（调节出射焦距）

C、改变光斑中的能量分布（改变光纤类型：峰形输出型——GI型光纤、梯形输出型―SI型光纤）

D、改变出射脉冲的宽度和波形

2、材料反射率

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，焊接过程开始的瞬间，要相应提高光束的功率。采用脉冲激光缝悍二艺时，可以通过接入引弧板来保证整个焊接段的品质一致性。当金属表面开始熔化或汽化后，其反射率迅速降低。

四、影响材料对激光束吸收的主要因素

1、温度

室温时金属材料两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%。

材料的直流电阻率

材料对激光的吸收率与材料的直流电阻率的平方根成正比、与激光彼长的平方根成反比关系。

2、激光束的入射角

入射角越大，吸收率越小。当激光垂直于金属表面照射时，金属对激光的吸收率最大。但通常为了保护激光出射镜头，需要维持一定的入射角。

村料的表面状态为了低反射率，可在金属表面涂上薄薄一层全属粉，但两者必须是能够形成合金的。如饭、金、银可覆盖薄锐层，此时在同样熔深的情况下，焊接所需的能量大约为原来铜、金、银所需的四分一。

3、聚焦性和离焦量

品质优良的YAG激光焊接装置，其聚焦性（光斑大小）是通过装置本身的光路同轴精度、输出光纤和出射头的成像比等来保证。

以激光出射焦点正好落在工作上面时的位置为零。离焦量是指焦点离开这个零点的距离量。焦点位置超过零点位置时叫负离焦（焦点深入到工件内部），其距离值为负离焦量。反之，焦点不到零点的距离数值为正离焦量。要获得较大的熔深，可将焦点位置选择在工件内部某一位置上，即采用负离焦量进行焊接。

4、焊接的穿入深度

脉冲激光焊接时，主要是以传热熔化方式进行的。激光束本身对金属的直接穿入深度是有限的，其主要取决于材料的导温系数（导温系数大的则穿入深度大），而不是激光器的功率大小。

五、维护及保养

1、消耗品的更换

纯水、离子交换树脂、水过滤器、励起灯、保护镜片

2、点检

A、激光发振调整

B、激光入射调整

C、光纤入射调整

D、能量平衡调整

六、焊接品质检查

焊接品质的检验，一般有目视检验和破坏性检验两种方法。

目视检验是对图1所示的各个项目进行检验。若利用显微（镜）照片进行金相检验，则需切断提取出焊接熔核部分并研磨腐蚀（见图2所示）。但是，若只经过外观检验就下结论则还不充分，请务必进行一下破坏性实验。