激光焊接设备及工艺讲义1.doc

激光焊接设备及工艺（讲义）1概述激光焊接是将激光束直接照射到材料表面，通过激光与材料相互作用，使材料内部熔化实现焊接的。激光加工体现出的优越性主要是由于激光具有单色性（单一的光频或很窄的光谱范围）。因为光聚焦时的焦距和焦斑尺寸与频率有关，单色光可或得最好的聚焦效果和最大的能量密度；材料对光的吸收也与光频有关，单色光可提高光的利用效率。激光焊接是激光加工技术之一，其它激光加工技术包括：激光打孔，激光切割，激光打标，激光表面处理等等。（1）激光打孔激光打孔是最早达到实用化的激光加工技术，也是目前激光加工的主要应用领域之一。1960年世界上第一台红宝石激光器问世（长春光机所1961年就研究出我国第一台红宝石固体激光器），1962年就率先应用于刀片的打孔。我国1970年左右已经开始使用红宝石激光器和钕玻璃激光器对手表轴承进行打孔；70年代对金刚石和人造金刚石拉丝模进行激光打孔。激光打孔原理：激光作用于金属材料时被材料吸收，对材料产生加热效应。激光对材料加热作用的强度主要取决于激光的功率密度，当激光的功率密度达到106109W/cm2时会使被辐射的金属材料产生熔化或气化。激光打孔就是利用气化去除作用实现加工过程，也叫蒸发加工。激光打孔特点 图1 激光打孔1）速度快、效率高对于功率密度为106109W/cm2的激光束，可使材料瞬间气化，作用时间仅为10 -310 -5s。与电火花打孔及机械钻孔相比，效率可提高10100倍。例1：用机械方法在金刚石拉丝模上打一深1.25mm的孔需24h，用红宝石激光打孔只需69min，而用YAG激光打孔只需2s。例2：用机械方法在钟表宝石轴承上打孔（孔径为0.3mm），每分钟只能打0.2个孔，用红宝石激光打孔每秒钟可以打出1014个孔。2）大深径比在小孔加工中，深径比是衡量小孔加工难度的一个重要指标。一般情况下，机械钻孔和电火花打孔，所获得的深径比不超过10。而激光打孔的深径比则高得多。例1：（带Q开关的）连续波YAG激光器在镍基高温耐腐蚀合金的高熔点金属上打210m的小孔，其深径比为2501。例2：在淬火模具钢上，用YAG激光打出直径为0.6mm、深度为17mm的孔，其深径比为281。例3在厚度为16.2mm的碳钢上，打出孔径为0.25mm的小孔、其深径比为 651。：3）适应于各种材料高能量激光束打孔几乎不受材料性质的限制，它既适合于金属材料，也适合于难以加工的非金属材料。如红宝石、蓝宝石、陶瓷、人造金刚石和天然金刚石等。这些材料一般有高强度、高硬度并且易碎的特点，采用一般机械钻孔的方法加工非常困难。采用激光打孔的方法则相对容易进行。例1：我国钟表行业所用的宝石轴承几乎全部是激光打孔；人造金刚石和天然金刚石激光打孔应用也非常普遍。例2：用YAG激光器在厚度为5.5mm的硬质合金上打出深径比高达141的孔；在11.5mm厚的65Mn上可打出深径比为191的小孔；在10mm厚坚硬的氮化硅陶瓷上容易地打出直径为0.6mm的小孔。这些都是常规打孔手段无法做到的。例3：在婴儿奶瓶的奶嘴上打孔，由于奶嘴材料弹性好易变形，使得孔形不规则，打孔比较困难，用激光可以打出高质量的孔。例4：激光在尼龙纽扣上打孔可避免机械打孔产生的碎屑，并能够消除使缝纫线割断的棱角。4）无接触加工（无工具损耗）用机械方法钻0.8mm以下的小孔时，即使在铝这样较软的材料上也常常出现钻头折断的问题，不仅造成工具损耗，而且会因钻头折断而使整个工件作废。激光打孔为无接触加工，不会出现上述问题。5）适合大量、高密度群孔加工激光容易实现微机自动化控制，并且可以做成多路分光系统，因此非常适合于大量高密度的群孔加工。例1：食品、医药行业使用的过滤片为厚度13mm的不锈钢，孔径为0.30.8mm，密度为10100孔/。cm2例2：为打到节油40%的目标，有在飞机的机翼上打出5万个直径为0.064mm的孔。6）难加工材和斜面孔加工对于一般机械打孔来说，在倾斜面上打孔（尤其是难加工材料）非常困难，主要是因为在入钻时两边受力不均，产生打滑难以入钻，甚至折断钻头。采用激光打孔则不存在这个问题。7）容易加工出异形孔激光束形状可用光学系统获得。如在聚焦光束中或在透镜前放置一个所需形状的孔栏（掩膜），即可打出异形孔。用此法甚至可以加工出微型齿轮。（2）激光切割激光束可聚焦成很小的光点（直径可小于0.1mm），当焦点处功率密度超过106W/cm2时，光束输入的热量远大于被材料反射、传导或扩散部分，材料很快加热至气化温度，在材料蒸发压力下形成小孔。随着光线的移动，小孔连续形成很窄的切缝（如 0.1mm左右）。激光切割在工业应用中的发展很快，在激光加工领域差不多40%的激光器用于切割用途。我国早在上世纪70年代中期就将激光切割技术用于切割汽车和飞机零件。激光切割原理：激光切割按切割机理可分为三种切割方式：汽化切割、熔化切割和氧化熔化切割。1）汽化切割当激光功率密度达108W/cm2时，材料表面温度升高之快以至来不及传导造成熔化，部分材料汽化逸出，部分材料作为喷出物从切缝底部被辅助气体流吹走。此过程中，大约40%的材料化作蒸汽逸走，而有60%左右的材料则是以熔滴形式被气流驱除的。汽化切割主要用于一些不能熔化的材料切割，如木材、碳素材料和某些塑料。2）熔化切割当激光功率密度达到一定阈值后（大约107W/cm2），激光作用处材料蒸发，在蒸汽压力作用下激光照射处形成小孔，小孔被熔化金属壁包围，同时与光束同轴的辅助气流将孔洞周围的熔融材料去除、带走。随着光束的移动，小孔按切割方向同步横移形成切缝。熔化切割采用的辅助气体一般为惰性气体。3）氧化熔化切割如果辅助气体采用氧等活性气体，则材料被激光束加热到一定温度时与氧气发生剧烈化学反应产生另一热源，在两种热源共同作用下形成充满蒸汽的小孔，过量氧气吹除熔渣实现切割。此方法中，氧化反应产生的热能占有很大的比重。切割钢时，氧化反应放出的热能要占到所需全部能量的60%。切割钛那样的活性金属这个比例会更高。与惰性气体作为辅助气体比较，使用氧作为辅助气体可获得较高的切割速度。激光切割优点：1）切缝窄、变形小、热影响区小激光束聚焦后形成具有极强能量的很小作用点（直径可小于0.1mm）,激光转换为惊人的热量并保持在极小的区域内。因此，能形成极窄的切缝；由于热量来不及散失，热影响区及局部变性极小。2）无接触式加工激光束对工件不加任何机械力，为无接触切割工具。因此，激光切割时无机械变形，不必更换刀具。对任何硬度的材料和任何切割轨迹都具有很好的适应性。3）可控性好，易于实现自动化激光的可控性好，易于实现微机化、自动化。激光切割不存在对工件的限制，具有无限的仿形切割能力。4）广泛的适用性与其它热切割方法相比，激光切割具有更大的适应性，这是因为其它方法都不能把能量集中在一个极小的区域内。激光即可以在很薄的工件上加工出微米级的切口，也可以切割20mm以上的厚件，而且切缝窄、热影响区小。（采用氧乙炔切割可切割厚达1m的钢板）激光可切割非金属材料，而其它热切割方法则不能。激光可切割的有机材料有：塑料、橡胶、木材及纸制品、皮革、天然或合成织物等；无机材料包括：石英、玻璃、陶瓷（可控导向断裂切割）。石头、混凝土等含有水分，由于激光快速加热湿气导致爆炸会导致开裂，故不适宜激光切割。（3）激光打标激光打标是激光束在各种不同的物质表面上打上永久的标记。打标的效应是利用激光的高能量通过表层物质的蒸发露出深层物质，或者是通过光能导致表层物质的化学物理变化而“刻出”痕迹，或者是通过光能烧掉部分物质，显出所需刻蚀的图形、文字。激光打标原理：1）“热加工”高能量激光被材料表面吸收产生热激发过程，从而使材料表面（或涂层）温度上升，产生变态、熔融、烧蚀、蒸发等现象。2）“冷加工”光子能量（如绿光）直接被材料分子吸收（特别是有机材料）能够打断材料内的化学键，致使材料发生非热过程破坏。（这是不产生“热损伤”副作用的、打断化学键的冷剥离）激光打标特点：1）激光打标具有一般激光加工的特点，如适应的材料范围广、非接触性（不损坏产品）、材料热影响区及热变形小、高速、精细微加工、穿透（玻璃等）加工。2）为永久性标记，不会因环境因素（潮湿、酸性或碱性气体）自然消退。（如与印墨标记比较）3）计算机控制下的自动化打标方式，很容易地对形码、数字、文字、图形及他们的组合进行打标加工，甚至加工工艺品，而且效率极高。4）可实现精细微加工，线宽可小到12m，线深度可达10m以下，非常适合于防伪标识的标记。激光打标基本方式：激光打标分为：行架式、振镜式、掩膜式三种基本方式。1）行架式通过激光光斑与加工件的相对平移运动进行打标。一种是工作台在x、y轴方向运动；另一种是光束沿x、y轴方向运动。一般采用工作台运动的方式。2）振镜（扫描）式振镜式打标是将激光束入射在两反光镜上，此两反光镜可分别沿X-Y轴扫描，在一确定的面上打出字符、图形等（一般可达100100mm）。工作原理：激光器产生的激光束通过扩束器（望远镜反用）扩束（降低激光能量密度及获得更小的聚焦斑点）入射到X轴振镜反射镜，然后入射到Y 轴振镜反射镜，再经过F透镜聚焦在加工表面。 图2振镜（扫描）打标原理图振镜反射镜由伺服电机通过计算机自动控制转动角度，在激光器谐振腔内由Q开关控制激光输出，Q开关亦通过计算机控制。振镜的转动角度在一定范围内与计算机输出控制电压成正比，从而可以精确控制光束的扫描位置，同时对Q开关进行同步控制。3）掩膜式激光经准直后呈平行光，射向掩膜板（类似于照片底板），激光束通过透明的地方射出，经汇聚透镜后在材料表面上形成按要求比例缩小的字符或图形。掩膜打标特点： 图3掩膜打标原理图1）可简单地使用激光器、工作台，加工效率也较高（一个微秒级的激光脉冲可实现打标，最快每秒可完成一千个零件）。2）灵活性差。一种标记就需制一个膜，适合于采用同一种标记的大批量打标，这方面不如振镜打标灵活。但目前已有了液晶掩膜板技术，这样就可以通过计算机随意控制改变液晶掩膜板上的字符或图形，采用该技术激光的功率密度不能太高，因为掩膜非透光部分在起到阻断光线作用时，也要吸收部分激光能量，虽然掩膜加工是微缩加工，这可使掩膜的尺寸较大利于加工及降低激光的能量密度。一般的掩膜板是用耐高温的金属薄板，通过镂空、机械刻制或照相腐蚀而成。* Q开关技术Q值表示激光谐振腔的品质因数，Q值愈高激光震荡愈容易，Q值愈低激光震荡愈困难。根据此原理，在激光谐振腔内设置Q开关元件，关闭Q开关使激光谐振腔内Q值降低，抑制激光谐振输出，这样光泵浦能量可使尽量多的低能量粒子抽运到高能态去，实现粒子数反转。当粒子数反转达到饱和时，迅速打开关闭Q，使Q值突增，激光震荡迅速建立，大量粒子在极短时间内反转（高能级到低能级）产生极强的激光具脉冲输出，激光脉宽可达10 -610 -9s数量级，脉冲峰值功率可达108109W以上。主要有电光调Q和声光调Q技术。（4）激光表面处理激光表面处理技术主要包括：激光表面硬化（激光表面淬火）及激光表面熔覆。激光表面硬化这是一种利用激光进行表面快速淬火的工艺技术。其目的是提高金属零件的表面硬度、耐磨性、耐蚀性以及强度和高温性能；同时又保持零件内部较好的韧性。激光硬化可大幅提高产品质量，使用寿命成倍增加。1）分类及原理a.激光相变硬化以能量密度104105W/cm2激光束对工件进行快速扫描，金属表面以极快速度（105106/s）升温至高于相变点而低于熔点的温度。激光束离开被照射部位后，由于加热速度极快，尚处于冷态的基体金属使表面快速冷却（可达105/s），从而实现自冷淬火。作用区深度0.21mm。b.激光熔化凝固硬化以能量密度105175W/cm2激光束在极短时间内（10-810-12s）作用金属局部表面使之瞬间熔化，随后在冷态基体金属冷却下，使已熔化薄层金属快速凝固。激光熔化凝固得到硬度较高，耐磨性亦较好的铸态组织。作用区深度0.22mm。在激光熔化凝固过程中，添加一些金属及合金，可以扩展为激光合金化。c.激光冲击硬化以极高能量密度（108W/cm2以上）在极短时间内（2040n s），使金属表面材料加热至汽化温度，材料表面的突然汽化，可产生高达105大气压，这足以使金属表面产生强烈的塑性变形，造成大量显微组织位错，产生机械硬化效应。这种组织能显著提高材料的表面硬度、屈服强度及疲劳寿命。作用区深度0.020.2mm。2)特点a.高速冷却和高速自冷。可加快扫描速度，生产效率高（易于计算机自动控制，工艺周期短，可纳入自动流水线）；作用深度小，热影响去极小，几乎不产生变形（但厚度小于5mm的零件不能忽略变形）；无需冷却介质，利于环保。b.可对复杂零件根据需要仅对局部进行处理，亦可对不同部位进行不同处理（这对传统处理处理方法很难实现）。c.工件表面硬度高。通常比常规淬火硬度高520%，可获得极细的硬化层组织。3）应用实例典型的应用包括：汽车转向器壳体（美国通用公司，可锻铸铁活塞内孔表面处理四条宽1.522.54mm、深0.250.35mm硬化带，使用寿命提高10倍）；发动机缸体和缸套（美国通用公司，铸铁汽车缸套内璧处理出宽2.5mm、深0.250.3mm的螺旋硬化带，这已经是非常成熟的技术）；模具（对T8A的冲头和Cr12Mo的阴模进行处理，硬化层深0.12mm，硬度HV1200，使用寿命提高46倍）。激光表面熔覆激光熔覆与合金化都是利用高能量密度的激光束所产生的快速熔凝过程，在基体表面形成与基材相互熔合的、且具有完全不同成分与性能的合金覆层。他们的差异仅在于：激光熔覆中覆层材料完全熔化，而基材熔化层极薄，因而对覆层的影响极小；而激光合金化则是在基材的表面熔覆层内加入合金元素，从而形成以基材为基的新的合金层。按激光发光形式激光焊接可分为：脉冲激光焊接和连续激光焊接。按热力学作用机制可分为：激光热传导焊接和激光深熔透焊接（深熔焊接）。高强度激光束在加热金属材料的过程中，会产生温升、相变、熔化、气化、蒸气喷射、等离子体膨胀等物理变化。激光焊接只是利用其中的熔化现象（打孔、打标主要是利用气化现象）。激光焊接的优点：1）激光功率密度高，可以对高熔点、难熔金属（钛、石英）或异钟金属（铜和钽）进行焊接（如钨丝）。2）聚焦光斑小，加热作用集中，深宽比高达5:1，最高10:1；线输入量低，焊接热影响区小，焊接变形小。3）能在各种环境（真空、大气）及特殊条件下焊接，如通过电磁场焊接，激光束不会偏转，能通过透明材料焊接难以接近的部位，施行非接触远距离焊接。4）激光束聚焦后可获得很小光斑，且能精确定位，可进行微型件焊接，如集成电路引线，钟表游丝，显像管电子枪组装等。5）激光焊接装置容易与计算机联机，实现自动焊接。6）激光束易于实现光束按时间与空间分光，能进行多光束同时加工及多工位加工，为更精确的焊接提供了条件。激光焊接的缺点：1）要求焊接装配精度高，且要求光束在工件不能有显著偏移。2）激光器及其相关系统成本较高，一次性投资较大。2激光热传导焊接激光与金属作用导致的物理现象（熔化、汽化等）主要由激光参数控制，激光热传导焊接既控制激光参数，使激光光能大部分转化为金属熔化的能量。激光与金属相互作用中会产生各种物理现象，如气化、等离子体形成、熔化等，而这些物理现象与激光参数有关，何种物理现象成为激光能量转换的主要方式，可通过调整激光参数控制。在进行激光打孔、打标加工时需控制激光参数，使激光能量绝大部分转化为金属的气化，而在激光热传导焊接时需控制激光参数，使激光能量绝大部分转化为金属熔化的能量。焊接时需避免产生陷坑和金属飞溅，需严格控制激光功率密度（使金属表面温度维持在沸点附近，而不致造成强大蒸气压力），对一般金属而言，激光功率密度应控制在105106w/cm2。当激光被金属吸收转变为热能时，使金属表面汽化，形成高压蒸气。金属表面的压力和温度随着功率密度的增加而迅速增加。金属表面局部温度越高，蒸气压力越大，热扩散越快，熔化层形成也越快。再增加功率密度，则在高压蒸气作用下熔化了的液态金属就会以高速喷射出来，形成金属飞溅。激光作用于材料上时，物质的转移还取决于激光的作用时间。研究表明，高功率密度，小作用时间，蒸发是物质转移的主要机理（利于打孔、切割）；较低功率密度，稍大作用时间，金属的熔化是物质转移的主要机理。一般而然，脉冲激光焊接中，脉宽为毫秒量级。2.1 激光焊接参数的选择2.1.1 功率密度传导型激光焊接的功率密度不能太大，以使“热波”和“汽化波”相等，既使熔化效应为主，亦应考虑材料的厚度。较低的激光功率密度时，表层温度达到沸点需经历数毫秒，在表层汽化前底层达到熔点，容易形成良好的熔融焊接。因此，在传导型激光焊接中，功率密度的范围在104106w/cm2。在一定条件下（恒定强度和一定脉宽），材料达到某一温度所需功率密度随着温度的升高而增加。表面达到材料熔点和沸点的功率密度qc1、qc2都随材料的熔点、沸点温度、热传导率增加而增加，但随热扩散率、脉宽增加而减小。材料表面出现强烈汽化时，材料加热过程中将出现“热波”和“汽化波”向材料内部传播。功率密度低时热波速度高于汽化波速度，对于多数金属材料热波速度等于汽化波速度时的功率密度介于qc1、qc2之间。在实际应用中，功率密度的选取除取决于材料本身特性外，尚需根据焊接要求确定。在薄壁材料焊接中，材料表面的汽化，易使焊点成孔，不允许温升超过沸点，其功率密度qo应选为qc1qo qc2；在厚材料穿透焊中，亦应按qc1qo qc2选择qo，以维持表面在熔、沸点之间传递能量，但这需要较长的脉宽，将大大增加设备的体积，因材料较厚，一定量的汽化不会严重影响焊接质量，可适当提高qo，一般可取qo= qc2。2.1.2 激光脉冲波形金属对激光的反射率与表面温度关系问题金属对激光的反射率随其表面温度变化，在一个激光脉冲作用周期内，激光开始作用时，反射率很高（表面温度低），当温度上升到熔点时反射率急剧下降，表面处于熔化状态时，反射率趋于稳定，此时随着熔化层加厚，热阻增加，熔化区温度继续上升，当温度达到沸点时，反射率又一次急剧下降。激光脉冲波形在脉冲激光焊中是一个重要问题，对于铜、铝、金、银等高反射率材料，最好采用近似于指数形式的衰减波，或带有前置尖峰的波形（以保证激光开始作用时