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史上最全|激光焊接技术原理知识

现代焊接的能量来源有很多种,包括气体焰、电弧、激光、电子束、摩擦和超声波等。

今天给大家介绍关于激光焊接内容。

激光焊接技术原理知识

激光焊接可以采用脉冲或连续激光束加以实现;

激光焊接的原理可分为热传导型焊接和激光深熔焊接。

热导焊:

激光辐射加热待加工表面,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、峰功率和重复频率等激光参数,使工件熔化,形成特定的熔池。

其特点:

激光功率为105w/cm2左右,焊缝深度小于2.5mm,焊缝的深宽比最大为3:1。

图1)热导焊基本原理

深熔焊:

一般采用连续激光光束完成材料的连接.

即能量转换机制是通过“小孔”(Key-hole)结构来完成的.

激光照射,材料产生蒸发并形成小孔,吸收全部的入射光束能量,温度达25000C左右,使包围着这个孔腔四周的金属熔化.

其特点:

采用的功率密度在106~107w/cm2 之间,焊缝的深宽比最大可达12:1 ,目前最大焊接深度可以达到51mm。

图2)熔深焊技术原理

说到这里相信大家都有疑问,说激光是怎么产生的?

工作设备(产生激光):

由光学震荡器及放在震荡器空穴两端镜间的介质所组成。

介质受到激发至高能量状态时,开始产生同相位光波且在两端镜间来回反射,形成光电的串结效应,将光波放大,并获得足够能量而开始发射出激光。

图3)激光焊接设备组成

激光亦可解释成将电能、化学能、热能、光能或核能等原始能源转换成某些特定光频(紫外光、可见光或红外光)的电磁辐射束的一种设备。

图4)激光焊接设备简易图

激光分类

焊接用有两种激光:

CO2 激光和Nd:YAG激光

都是肉眼不可见红外光。

红外光,又叫红外线,是波长比可见光要长的电磁波(光),波长为770纳米到1毫米之间。

CO2 激光:

属于远红外光,波长为10. 6Lm, 大部分金属对这种光的反射率达到80% ~ 90%,需要特别的光镜把光束聚焦成直径为0. 75 - 0. 1mm。功率可轻易达到20000W甚至更大。

大功率的CO2 激光通过小孔效应来解决高反射率的问题。CO2 激光大功率焊接时, 常使用不产生等离子体的氦气作为保护气体。

CO2 激光是目前工业应用最广泛的激光器。

图5)CO2 激光器的一般结构

Nd:YAG激光:

属于近红外光。波长为1. 06 Lm, 热导体对这种波长的光吸收率较高,对于大部分金属, 它的反射率为20% ~ 30%。

只要使用标准的光镜就能使近红外波段的光束聚焦为直径0. 25 mm。

功率一般能达到4000~ 6000W左右, 现在最大功率已达到10 000W。

Nd:YAG激光优点在于产生的光束可以通过光纤传送,因此可以省去复杂的光束传送系统。

工艺参数

工艺参数:

1)激光功率密度

是激光焊接的一个关键参数,对于同一种金属来说,激光功率密度不同时材料达到熔点和沸点的时间不同。

2)激光脉冲波形

激光脉冲波形在激光焊接中是一个重要问题,尤其对于薄片焊接,当高强度激光束射至材料表面,金属表面将会有60~98%的激光能量反射而损失掉,激光脉冲开始作用时反射率高,当材料表面温度升至熔点时,反射率迅速下降,表面处于熔化状态时,反射率稳定于某一值,当表面温度继续上升到沸点时,反射率又一次下降。

图7)金属的反射率与时间关系

3)激光脉冲宽度

脉宽是脉冲激光焊接的重要参数之一,它既是区别于材料去除和材料熔化的重要参数,也是决定加工设备造价及体积的关键参数。

4)离焦量

激光焊接通常需要一定的离焦量

离焦方式有两种:正离焦与负离焦

焦平面位于工件上方为正离焦,反之为负离焦。

负离焦时,可获得更大的熔深。焊接薄材料时,宜用正离焦。

5)焊接速度

焊接速度的快慢会影响单位时间内的热输入量,焊接速度过慢,则热输入量过大,导致工件烧穿,焊接速度过快,则热输入量过小,造成工件焊不透。

激光焊接特性

1)属于熔融焊接,以激光束为能源,冲击在焊件接头上;

2)激光束可由平面光学元件(如镜子)导引,随后再以反射聚焦元件或镜片将光束投射在焊缝上;

3)激光焊接属非接触式焊接,作业过程不需加压,但需使用惰性气体以防熔池氧化,填料金属偶有使用;

4)激光焊可以与MIG焊组成激光MIG复合焊,实现大熔深焊接,同时热输入量比MIG焊大为减小。

图8)设备组成说明

激光的优缺点

(1)可将入热量降到最低的需要量

(2)32mm板厚单道焊接的焊接工艺参数业经检定合格,可降低厚板焊接所需的时间甚至可省掉填料金属的使用;

(3)不需使用电极,没有电极污染或受损的顾虑。且因不属于接触式焊接制程,机具的耗损及变形皆可降至最低;

(4)激光束易于聚焦、对准及受光学仪器所导引,可放置在离工件适当之距离,且可在工件周围的机具或障碍间再导引,其他焊接法则因受到上述的空间限制而无法发挥;

(5)工件可放置在封闭的空间

(6)激光束可聚焦在很小的区域,可焊小型且间隔相近的部件;

(7)可焊材质种类范围大,可接合各种异质材料;

(8)易于以自动化高速焊接,可以数位或电脑控制

(9)焊接薄材或细径线材时,不像电弧焊易有回熔的困扰;

(10)不受磁场所影响,能精确的对准焊件;

(11)可焊接不同物性(如不同电阻)的两种金属;

(12)不需真空,亦不需做X射线防护;

(13)若以穿孔式焊接,焊道深一宽比可达10:1;

(14)可以切换装置将激光束传送至多个工作站。

(1)焊件位置需非常精确,需在激光束的聚焦范围内;

(2)焊件需使用夹治具时,必须确保焊件的最终位置需与激光束将冲击的焊点对准;

(3)生产线上不适合使用激光焊接;

(4)高反射性及高导热性材料如铝、铜及其合金等,焊接性会受激光所改变;

(5)当进行中能量至高能量的激光束焊接时,需使用等离子控制器将熔池周围的离子化气体驱除,以确保焊道的再出现;

(6)能量转换效率太低,通常低于10%;

(7)焊道快速凝固,可能有气孔及脆化的顾虑;

(8)设备昂贵。

国内激光设备生产状况

目前我国多数激光公司和企业规模较小,投资强度低,没有形成规模生产。国内领先的激光设备生产厂家有:

长春新产业 、武汉楚天激光 、深圳大族激光、华北光电 、武汉华工激光、 上海团结普瑞玛。

国外激光设备生产状况

世界激光器市场可划分为三大区域:

1.美国(包括北美)占55% ;

2.欧州占22%;

3.日本及太平洋地区占23%。

在世界激光市场上:

激光材料加工设备方面,德国占首位;

激光医疗及激光检测方面,美国占首位;

光电子技术方面,日本占首位,美国占第二位。

德国企业有:(几乎占了世界市场的40%)

Rofin-sinar激光公司、

Trumpf  激光技术公司、

Haas 固体激光公司、Lambda Physik公司、

德国的LaserVision公司等

美国企业有:

1.相干公司、2.光谱物理公司、

3.联合工艺(URTC)公司、4.PRC公司、

5.燃烧工程公司、6.Lumonics公司、

7.Synrad公司、8.MartedLasers公司、

9.Electrox公司10.ESI公司等。

日本企业有:

三菱电气、松下电气、Amada、Mazak等公司

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