激光焊接.ppt

激光焊 目录 各种焊接技术及其优缺点激光焊接技术激光焊接的优缺点激光焊接的工艺参数激光焊接的发展激光焊接的应用举例 各种焊接技术及其优缺点 焊接技术简介 目前常用的焊接工艺有 电弧焊 氩弧焊 手弧焊 埋弧焊 钨极气体保护电弧焊 等离子弧焊 气体保护焊 电阻焊 高能束焊 电子束焊 激光焊 钎焊 以电阻热为能源 电渣焊 高频焊 以化学能为焊接能源 气焊 气压焊 爆炸焊 以机械能为焊接能源 摩擦焊 冷压焊 超声波焊 扩散焊 各种焊接特性对比 1 电弧焊 绝大部分电弧焊是以电极与工件之间燃烧的电弧作热源 在形成接头时 可以采用也可以不采用填充金属 熔化极电弧焊 诸如手弧焊 埋弧焊 气体保护电弧焊 管状焊丝电弧焊等 不熔化极电弧焊 诸如钨极氩弧焊 等离子弧焊等 电弧焊 埋弧焊 埋弧焊 含埋弧堆焊及电渣堆焊等 是一种电弧在焊剂层下燃烧进行焊接的方法 焊接质量稳定 焊接生产率高 无弧光及烟尘很少等优点 使其成为压力容器 管段制造 箱型梁柱等重要钢结构制作中的主要焊接方法 电弧焊 等离子焊 等离子弧焊是利用等离子弧作为热源的焊接方法 气体由电弧加热产生电离 在高速通过水冷喷嘴时受到压缩 增大能量密度和电离度 形成等离子弧 稳定性 发热量和温度都高于一般电弧 具有较大的熔透力和焊接速度 形成等离子弧的气体和它周围的保护气体一般用氩 电弧焊 熔化极气体保护焊 采用可熔化的焊丝与焊件之间的电弧作为热源来熔化焊丝与母材金属 并向焊接区输送保护气体 使电弧 熔化的焊丝 熔池及附近的母材金属免受周围空气的有害作用 熔化极气体保护电弧焊通常用的保护气体有 氩气 氦气 CO2气或这些气体的混合气 2 电阻焊 电阻焊一般是使工件处在一定电极压力作用下并利用电流通过工件时所产生的电阻热将两工件之间的接触表面熔化而实现连接的焊接方法 焊接电流大 通电时间短 设备昂贵 复杂 生产率高 因此适于大批量生产 主要用于焊接厚度小于3mm的薄板组件 3 钎焊 钎焊是指用比母材熔点低的金属材料作为钎料 用液态钎料润湿母材和填充工件接口间隙并使其与母材相互扩散的焊接方法 钎焊变形小 接头光滑美观 适合于焊接精密 复杂和由不同材料组成的构件 如硬质合金刀具和印刷电路板等 钎焊前对工件必须进行细致加工和严格清洗 除去油污和过厚的氧化膜 保证接口装配间隙 一般要求在0 01 0 1毫米之间 4 高能束焊 电子束焊 电子束焊接的基本原理是电子枪中的阴极由于直接或间接加热而发射电子 该电子在高压静电场的加速下再通过电磁场的聚焦就可以形成能量密度极高的电子束 用此电子束去轰击工件 巨大的动能转化为热能 使焊接处工件熔化 形成熔池 从而实现对工件的焊接 电子束焊接具有不用焊条 不易氧化 工艺重复性好及热变形量小的优点 焊接准备时间 主要是抽真空时间 较长 工件尺寸受真空室大小限制 电子束焊与电弧焊相比 主要的特点是焊缝熔深大 熔宽小 焊缝金属纯度高 4 高能束焊 激光焊接 激光焊是利用大功率相干单色光子流聚焦而成的激光束为热源进行的焊接 这种焊接方法通常有连续功率激光焊和脉冲功率激光焊 激光焊优点是不需要在真空中进行 缺点则是穿透力不如电子束焊强 激光焊时能进行精确的能量控制 因而可以实现精密微型器件的焊接 它能应用于很多金属 特别是能解决一些难焊金属及异种金属的焊接 激光焊接原理 引言 激光焊接从上世纪60年代激光器诞生不久就开始了研究 从开始的薄小零件或器件的焊接到目前大功率激光焊接在工业生产中的大量的应用 经历了近40年的发展 由于激光焊接具有能量密度高 变形小 热影响区窄 焊接速度高 易实现自动控制 无后续加工的优点 近年来正成为金属材料加工与制造的重要手段 越来越广泛地应用在汽车 航空航天 国防工业 造船 海洋工程 核电设备等领域 所涉及的材料涵盖了几乎所有的金属材料 虽然与传统的焊接方法相比 激光焊接尚存在设备昂贵 一次性投资大 技术要求高的问题 使得激光焊接在我国的工业应用还相当有限 但激光焊接生产效率高和易实现自动控制的特点使其非常适于大规模生产线和柔性制造 激光的产生原理及特性 说明为什么可以用于焊接 三要素 激励源 介质 谐振腔 介质受到激发至高能量状态 由于受激吸收跃迁光在两端镜间来回反射 将光波放大 并获得足够能量而开始发射出激光 激光的四性 单色性 相干性 方向性 高亮度因而高度集中的激光可以提供焊接 切割及热处理等功能 激光加工技术概述 激光加工技术概述 为什么要采用激光 激光加工技术概述 激光加工技术概述 激光加工技术概述 激光加工技术概述 表面改性处理 激光表面涂敷处理 激光加工技术概述 激光表面雕刻 激光加工技术概述 激光表面雕刻技术 激光表面雕刻技术 各种激光加工方法应用比例 激光焊接的特点 激光焊接的主要优点 1 可将入热量降到最低的需要量 热影响区金相变化范围小 且因热传导所导致的变形亦最低 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 机具的耗损及变形接可降至最低 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 经抽真空或内部气体环境在控制下 6 激光束可聚焦在很小的区域 可焊接小型且间隔相近的部件 激光焊接的主要优点 7 可焊材质种类范围大 亦可相互接合各种异质材料 8 易于以自动化进行高速焊接 亦可以数位或电脑控制 9 焊接薄材或细径线材时 不会像电弧焊接般易有回熔的困扰 10 不受磁场所影响 电弧焊接及电子束焊接则容易 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 激光焊接的主要缺点 1 焊件位置需非常精确 务必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 最大可焊厚度受到限制渗透厚度远超过19mm的工件 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 激光焊接的分类 热导焊 采用的激光光斑功率密度小于10W cm2时 激光将金属表面加热到熔点与沸点之间 焊接时 金属材料表面将所吸收的激光能转变为热能 使金属表面温度升高而熔化 然后通过热传导方式把热能传向金属内部 使熔化区逐渐扩大 凝固后形成焊点或焊缝 其熔深轮廓近似为半球形 这种焊接机理称为传热焊 深熔焊 当激光光斑上的功率密度足够大时 金属在激光的照射下被迅速加热 其表面温度在极短的时间内 升高到沸点 使金属熔化和气化 当金属气化时 所产生的金属蒸气以一定的速度离开熔池 金属蒸气的逸出对熔化的液态金属产生一个附加压力 使熔池金属表面向下凹陷 在激光光斑下产生一个深度稳定的孔而进行的焊接 小孔效应焊 穿透焊 激光焊的应用 激光焊接应用 汽车制造 汽车制造业发展趋势 激光焊在汽车制造中应用形式 激光拼焊 汽车传动零部件激光焊接 汽车传动零部件激光焊接 用激光可以焊接一些要求强度高 变形小 用传统方法无法焊接的特种材料的汽车零部件 激光加工技术在汽车中的应用 激光加工应用 船舶制造 造船采用高功率激光焊接的优点 焊接生产率大大提高 这是由于 激光焊接速度快 激光焊接熔深大 可单道焊或减少焊道数焊后矫形工作量大大减少船坞焊接工作量大大减少船舶的精度制造成为可能一些特殊结构 如三明治结构焊接成为可能有利于结构优化设计 减轻结构重量有利于船舶的模块化设计制造 三明治船板激光复合焊 三明治结构板激光焊接形式 激光加工应用 航空航天 火箭燃料箱激光焊接 空客380铝合金壳体的激光焊接 飞机铝合金箱体零部件激光焊接 激光加工的应用 钢铁生产 激光焊接在钢铁生产中的应用 轧辊激光堆焊或激光熔焊 连续冷轧钢带的激光在线焊接 导电辊哈氏合金筒体的激光焊接 哈氏合金导电辊制造过程 激光焊设备 激光的产生 激光器 激光器是利用受激辐射原理使光在某些受激发的物质中放大或振荡发射的器件 固体激光器 晶体和玻璃 这类激光器所采用的工作物质 是通过把能够产生受激辐射作用的金属离子掺入晶体或玻璃基质中构成发光中心而制成的 气体激光器 它们所采用的工作物质是气体 并且根据气体中真正产生受激发射作用之工作粒子性质的不同 而进一步区分为原子气体激光器 离子气体激光器 分子气体激光器 准分子气体激光器等 CO2激光器中 主要的工作物质由CO2 氮气 氦气三种气体组成 其中CO2是产生激光辐射的气体 氮气及氦气为辅助性气体 常用激光器的种类 CO2激光器的分类 CO2激光器的分类 CO2激光器的分类 CO2激光器的分类 CO2激光器的分类 激光器的比较 激光焊接的工艺参数 激光焊接主要工艺参数 激光焊接的工艺参数 1 功率密度 功率密度是激光加工中最关键的参数之一 采用较高的功率密度 在微秒时间范围内 表层即可加热至沸点 产生大量汽化 因此 高功率密度对于材料去除加工 如打孔 切割 雕刻有利 对于较低功率密度 表层温度达到沸点需要经历数毫秒 在表层汽化前 底层达到熔点 易形成良好的熔融焊接 因此 在传导型激光焊接中 功率密度在范围在104 106W CM2 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 尤其对于薄片焊接更为重要 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 且反射率随表面温度变化 在一个激光脉冲作用期间内 金属反射率的变化很大 激光焊接的工艺参数 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 对焊接质量的影响 激光焊接通常需要一定的离做文章一 因为激光焦点处光斑中心的功率密度过高 容易蒸发成孔 离开激光焦点的各平面上 功率密度分布相对均匀 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 当正负离焦平面与焊接平面距离相等时 所对应平面上功率密度近似相同 但实际上所获得的熔池形状不同 负离焦时 可获得更大的熔深 这与熔池的形成过程有关 实验表明 激光加热50 200us材料开始熔化 形成液相金属并出现问分汽化 形成市压蒸汽 并以极高的速度喷射 发出耀眼的白光 与此同时 高浓度汽体使液相金属运动至熔池边缘 在熔池中心形成凹陷 当负离焦时 材料内部功率密度比表面还高 易形成更强的熔化 汽化 使光能向材料更深处传递 所以在实际应用中 当要求熔深较大时 采用负离焦 焊接薄材料时 宜用正离焦 激光焊接的工艺参数 对于激光深熔焊接的主要工艺参数 1 激光功率 激光焊接中存在一个激光能量密度阈值 低于此值 熔深很浅 一旦达到或超过此值 熔深会大幅度提高 只有当工件上的激光功率密度超过阈值 与材料有关 等离子体才会产生 这标志着稳定深熔焊的进行 2 光束焦斑 光束斑点大小是激光焊接的最重要变量之一 因为它决定功率密度 3 材料吸收值 材料对激光的吸收取决于材料的一些重要性能 如吸收率 反射率 热导率 熔化温度 蒸发温度等 其中最重要的是吸收率 4 焊接速度 焊接速度对熔深影响较大 提高速度会使熔深变浅 但速度过低又会导致材料过度熔化 工件焊穿 所以 对一定激光功率和一定厚度的某特定材料有一个合适的焊接速度范围 并在其中相应速度值时可获得最大熔深 激光焊接的工艺参数 5 保护气体 激光焊接过程常使用惰性气体来保护熔池 大多数应用场合则常使用氦 氩 氮等气体作保护 使工件在焊接过程中免受氧化 6 透镜焦距 焊接时通常采用聚焦方式会聚激光 一般选用63 254mm 2 5 10 焦距的透镜 7 焦点位置 焊接时 为了保持足够功率密度 焦点位置至关重要 焦点与工件表面相对位置的变化直接影响焊缝宽度与深度 8 激光束位置 对不同的材料进行激光焊接时 激光束位置控制着焊缝的最终质量 特别是对接接头的情况比搭接结头的情况对此更为敏感 9 焊接起始 终止点的激光功率渐升 渐降控制 激光深熔焊接时 不管焊缝深浅 小孔现象始终存在 当焊接过程终止 关闭功率开关时 焊缝尾端将出现凹坑 另外 当激光焊层覆盖原先焊缝时 会出现对激光束过度吸收 导致焊件过热或产生气孔 焊接速度 焊缝深度与激光功率关系 焊接速度 焊缝深度与焦距关系 焦点半径 焊接速度对焊缝截面影响 激光焊接基本接头形式 激光焊接的发展 激光焊接技术 激光焊接的发展 激光填丝焊接 激光填丝焊接是指在焊缝中预先填入特定焊接材料后用激光照射熔化或在激光照射的同时填入焊接材料以形成焊接接头的方法 激光填丝焊接与非填丝焊接相比 具有如下优点 1 解决了对工件加工装配要求严格的问题 2 可实现较小功率焊接较厚较大零件 3 通过调节填丝成分 可控制焊缝区域组织性能 激光焊接的发展 激光电弧复合焊接 这种复合焊接主要指激光与TIG或MIG电弧复合焊接 在这种工艺中 激光和电弧相互作用 取长补短 例如 激光焊接的能量利用率低的重要原因是焊接过程中产生的等离子体云对激光的吸收和散射 且等离子体对激光的吸收与正负离子密度的乘积成正比 如果在激光束附近外加电弧 电子密度显著降低 等离子体云得到稀释 对激光的消耗减小 工件对激光的吸收率提高 而且由于工件对激光的吸收率随温度的升高而增大 电弧对焊接母材接口进行预热 使接口开始被激光照射时的温度升高 也使激光的吸收率进一步提高 这种效果尤其对于激光反射率高 导热系数高的材料更加显著 激光焊接的发展 激光电弧复合焊接 TIG焊 惰性气体钨极保护焊 钨极氩弧焊具有下列优点 1 氩气能有效地隔绝周围空气 它本身又不溶于金属 不和金属反应 钨极氩弧焊过程中电弧还有自动清除工件表面氧化膜的作用 因此 可成功地焊接易氧化 氮化 化学活泼性强的有色金属 不锈钢和各种合金 2 钨极电弧稳定 即使在很小的焊接电流 10A 下仍可稳定燃烧 特别适用于薄板 超薄板材料焊接 3 热源和填充焊丝可分别控制 因而热输入容易调节 可进行各种位置的焊接 也是实现单面焊双面盛开的理想方法 4 由于填充焊丝不通过电弧 故不会产生飞溅 焊缝成形美观 激光焊接的发展 激光电弧复合焊接 不足之处是 1 熔深浅 熔敷速度小 生产率较低 2 钨极承载电流的能力较差 过大的电流会引起钨极熔化和蒸发 其微粒有可能进入熔池 渣成污染 夹钨 3 隋性气体 氩气 氦气 较贵 和其它电弧焊方法 如手工电弧焊 埋弧焊 CO2气体保护焊等 比较 生产成本较高 激光与TIG复合焊接的特点是 1 利用电弧增强激光的作用 可用小功率激光器代替大功率激光器焊接金属材料 2 可高速焊接薄件 3 可改善焊缝成型 获得优质焊接接头 4 可缓和母材