激光焊接技术课件

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
激.光.焊.接.技.术
邹斌 2015-01-11

1. 概 述 2. 激光焊接原理 3. 激光焊接技术参数的作用与实验选择 4. 激光焊接实用举例 5. 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。
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、高品
质的焊接效果，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
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。
。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。
图6 激光焊接头的实物照片
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。
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。
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。
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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
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。
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。
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。