激光焊接PPT课件.ppt

2020 3 27 第三章激光加工技术 3 激光表面改性技术 2 激光焊接 1 激光打孔和切割 4 激光清洗技术 1 2020 3 27 焊接技术发明至今已有百余年历史 现在全世界所有大工业的产业 像航天航空 造船 通讯 家用电器 大型电站 冶金 微电子 武器装备及核能工业中产品的生产制造都离不开焊接技术 焊接是其最主要的工艺 焊接热源 已非常丰富 如火焰 电弧 电阻 超声 摩擦 等离子 电子束 激光束 微波等等 焊接的基本原理 就是采用施加外部能量的办法 促使分离材料的原子接近 形成原子键的结合 在这个同时 又能去除掉一切阻碍原子键结合的一切表面膜和吸附层 以形成一个优质的焊接接头 焊接是一个安全要求非常高的一种先进工艺 如果焊接质量要出现问题 所造成的危害是毁灭性的 四川重庆的綦虹桥 突然断裂 是焊接质量问题 韩国的汉江大桥突然断裂 也是焊接质量问题 现代焊接技术简介 2 2020 3 27 发达国家 它每年钢产量的50 到60 需要进行焊接加工 中国2001年 钢产量达到1 3亿吨 在这个1 3亿吨生产出来的钢材中 据初步统计 四千万吨需要焊接 因此焊接已经成为一门独立的学科 一项高科技 同时又是一个非常重要的产业 激光焊是最近这些年发展起来的一种高能量的焊接方法 它是用激光来加热 所以它可以穿透透明介质 能够焊到透明介质容器的里边去 这是其他焊接方法难以做到的 这种方法也被利用到医学里边 比方视网膜脱落 视网膜是在眼球的后面 视网膜脱落以后眼睛就会失明 现在就用激光的办法 透过眼球焊到眼球后面 把这个视网膜和眼球焊起来 这个已经是很成功的手术了 第二个它的优点是不需要真空保护 因此 现在得到了非常广泛的应用 3 2020 3 27 3 激光焊接技术概述 激光焊接是以高功率聚焦激光束为热源 熔化材料形成焊接接头的高精度高效率焊接方法 激光焊接的应用始于1964年 但早期仅限于用小功率脉冲固体激光器进行薄小零件的焊接 70年代以来 随着千瓦级大功率CO2激光器的出现 激光深熔焊得到了迅速的发展 激光焊接的厚度已从零点几毫米提高到50mm 已应用于汽车 钢铁 航空 原子能 电气电子等重要工l部门 目前在世界各国激光加工的应用领域中 激光焊接的应用仅次于激光切割 约占20 9 4 2020 3 27 激光焊接可在大气中进行 无环境污染 2 激光焊接与常规焊接方法相比具有如下特点 激光功率密度高 可以对高熔点 难熔金屑或两种不同金屑材料进行焊接 对钨丝进行有效焊接 聚焦光斑小 加热速度快 作用时间短 热影响区小 热变形可忽略 脉冲激光焊接属于非接触焊接 无机械应力和机械形变 激光焊接装置容易与计算机联机 能精确定位 实现自动焊接 而且激光可通过玻璃在真空中焊接 1 激光焊接基本模式 热导焊和深熔焊 热导焊 激光功率密度较低 105 106W cm2 依靠热传导向工件内部传递热量形成熔池 这种焊接模式熔深浅 深宽比较小 深熔焊 激光功率密度高 106 107W cm2 工件迅速熔化乃至气化形成小孔 这种焊接模式熔深大 深宽比也大 在机械制造领域 除了那些微薄零件之外 一般应选用深熔焊 5 2020 3 27 4 脉冲激光焊接 热传导焊接 1 常用脉冲激光器 Nd YAG激光器 调QYAG激光器 脉冲CO2激光器 2 焊接接头形式 对接焊 搭接焊 交叉焊和平行焊 3 影响焊接质量的工艺参数 功率密度 脉冲宽度 脉冲波型和离焦量 6 2020 3 27 一 激光功率密度对焊接质量影响 激光功率密度是激光焊接的一个关键参数 激光功率密度不同时材料达到熔点和沸点的时间不同 两种功率密度下金属表层及底层的温度与时间的关系 7 2020 3 27 材料达到熔化所需的激光功率密度 材料达到沸点所需的激光功率密度 临界激光功率密度 当材料表面出现强烈气化时 材料加热过程中将出现两种波向材料内部传播 即热波和气化波 当激光功率密度较低时 热波的速度高于气化速度 当达到某 临界功率密度时 这两种波的速度相等 可得气化时的临界激光功率密度 对多数材料 8 2020 3 27 金属热学参量 9 2020 3 27 说明 激光功率密度需根据材料本身的特性及焊接技术要求来选取 在薄板 板厚为0 01 0 10mm 焊接中 激光功率密度范围为Fm F Fc 在厚板 板厚大于 0 50mm 焊接中 激光功率密度范围为Fm F Fv 10 2020 3 27 二 脉冲波形对焊接质量影响 分析 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 曲线1为铜的反射率变化 曲线2为钢的反射率变化 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 11 2020 3 27 利用带有前置尖峰的激光波形 在开始出现的尖峰 迅速改变金属表面状况 使其温度上升至熔点 从而在脉冲时刻到来时 表面反射率较低 使光脉冲的能量利用率大大提高 解决方法 适用范围 大多数金属的脉冲焊接 注意 这种脉冲波型在高重复率缝焊时不宜采用 因为重复率很高时 重叠区可能仍处于熔融状态 若使用这种波形 初期尖峰可使表面出现高速气化 伴随着剧烈的体积膨胀 金属蒸气以超声速向外扩张 给工件很大的反冲力 使金屑产生飞溅 在熔斑中形成不规则的孔洞 这在气密性要求高的缝焊中尤其要避免 故缝焊中宜采用矩形波或缓衰减波形 12 2020 3 27 三 脉冲宽度对焊接质量影响 激光脉宽是脉冲激光焊接的重要参数之一 它是决定材料是否熔化的重要参数 为了保证激光焊接过程中材料表面不出现强烈气化 一般假定在脉冲终止时材料表面温度达到沸点 1 最大熔深与脉宽关系 设脉冲终止时材料表面温度达到沸点 即脉冲宽度tp等于气化时间 此时的激光功率密度 最大熔深 由气化时间 13 2020 3 27 最大熔深 对于铝材料 熔点660 沸点2450 k 1 03cm2 s 采用脉宽tp 1ms的激光 熔深不到0 1mm 结论 最大的熔深正比于脉宽的平方根 脉宽越长 熔深越深 熔点 沸点相差较大的金属 如钼 铂 钨等 则熔深较深 热扩散率越大的金属 如金 铜 银等 熔深越深 14 2020 3 27 四 离焦量对焊接质量影响 激光焊接通常需要一定的离焦量 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 按几何光学理论 当正负离焦量相等时 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汽化 形成蒸汽 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 15 2020 3 27 深熔焊 激光功率密度高 106 107W cm2 工件吸收激光后迅速熔化乃至气化 熔化的金属在蒸汽压力作用下形成小孔激光束可直照孔底 使小孔不断延伸 直至小孔内的蒸气压力与液体金属的表面张力和重力平衡为止 小孔随着激光束沿焊接方向移动时 小孔前方熔化的金属绕过小孔流向后方 凝固后形成焊缝 图1 这种焊接模式熔深大 深宽比也大 在机械制造领域 除了那些微薄零件之外 一般应选用深熔焊 5 激光深熔焊接 1 激光深熔焊接介绍 16 2020 3 27 1 熔深大 速度高 单位时间熔合面积大 是高效焊接方法 2 热影响区小 焊件变形小 适合精密 热敏感部件的焊接 3 一般不填充金属 专用气体保护 补焊部位不会氧化发蓝 4 易于实现自动化 激光深熔焊接不足 1 焊件要求有高的装配精度 因为光斑小 焊缝窄 2 焊接系统的成本高 一次投资大 2 激光深熔焊接优点 17 2020 3 27 激光深熔焊接本质特征为存在小孔效应的焊接 在激光功率密度足够高时 材料蒸发产生小孔充满蒸汽的小孔犹如一个黑体 几乎全部吸收入射的激光能量 孔腔里的温度较高 25000 热量从孔壁传出去 使孔周围的金属熔化 3 激光深熔焊接原理 深熔焊形成的小孔 18 2020 3 27 小孔内激光的吸收过程 由上述机理可知 激光深熔焊接 小孔效应 与热传导焊接相比有本质区别 前者激光功率密度大于106W cm2 可以在材料中产生小孔效应 在小孔内激光束可以直接通过小孔壁进入孔底 见图 得到很大的激光焊接深度 目前最大焊接深度已超过5lmm 19 2020 3 27 等离子体对激光有吸收 折射和散射作用 因此一般来说熔池上方的等离子体会削弱到达工件的激光能量 并影响光束的聚焦效果 对焊接不利 通常可辅助侧吹气驱除或削弱等离子体 4 等离子体的影响 不同辅助气体抑制等离子体的效果与气体的电离势 导热性和离解能等有关 当辅助气体流量低于临界流量时 气体电离势起主导作用 在上述四种气体中He的电离势最高 相应顺序为He 24 5eV Ar 15 68eV N2 14 6eV 和CO2 13 8eV 故认为He抑制等离子体效果最好 但随着辅助吹气流量的进一步增加 由于气体的流动使热辐射对流作用增加 相对电离势而言 气体的导热性和离解能起主要作用 从导热性方面看 四种气体排列顺序为 Ar N2 CO2 He 即Ar具有最低导热率 其等离子体维持阈值低 故容易被加热而屏蔽 而He的热导率最大 其等离子体维持阈值最高 故容易扩散 综上分析 He是抑制等离子体较理想的气体 用作辅助气体的有Ar He N2和CO2等 20 2020 3 27 保护气体激光焊接过程常使用惰性气体来保护熔池 对大多数场合则常采用氦 氩 氮等气体作保护 使工件在焊接过程巾免受氧化 氦气不易电离 电高温度较高 可让激光束顺利通过 光束能量不受阻地直达工件表面 是激光焊接时使用最有效的保护气体 氩气较便宜 出于其密度较大 所以保护较好 但易受高温金属离子体电离 屏蔽了部分光束 减少了焊接时的有效功率 也损害焊接速度和熔深 使用氩保护时表面光滑 氮气作为保护气体最便宜 但对某些类型不锈钢焊接时并不适用 21 2020 3 27 激光焊接机由激光开关电源 数控系统 光学传统系统 含摄像系统及气体保护系统 闭合循环水冷系统 工作台 计算机及操作系统组成 5 激光焊接机的系统组成 激光器 用于激光焊接的激光器主要有CO2气体激光器和YAG固体激光器两种 激光器最重要的性能是输出功率和光束质量 从这两方向考虑 CO2激光器比YAG激光器具有很大优势 是目前深熔焊接主要采用的激光器 生产上应用大多数还处在15 6kW范围 而YAG激光器在过去相当长一段时间内提高功率有困难 一般功率小于1kW 用于薄小零件的微联接 但是 近几年来 国外在研制和生产大功率YAG激光器方面取得了突破性的进展 最大功率已达5kW 并已投人市场 由于其波长短 仅为CO2 激光的1 10 有利于金属表面吸收 可以用光纤传输 使导光系统大为简化 可以预料 大功率YAG激光焊接技术在今后一段时间内将获得迅速发展 成为CO2激光焊接强有力的竞争对手 导光和聚焦系统导光聚焦系统由圆偏振镜 扩束镜 反射镜或光纤 聚焦镜等组成 实现改变光束偏振状态 方向 传输光束和聚焦的功能 这些光学零件的状况对激光焊接质量有极其重要的影响 在大功率激光作用下 光学部件 尤其是透镜性能会劣化使透过率下降 会产生热透镜效应 透镜受热膨胀焦距缩短 表面污染也会增加传输损耗 所以光学部件的质量 维护和工作状态监测对保证焊接质量至关重要 22 2020 3 27 6 影响激光焊接质量的因素 1焊接设备对激光器的质量要求最主要的是光束模式和输出功率及其稳定性 光束模式是光束质量的主要指标 光束模式阶数越低 光束聚焦性能越好 光斑越小 相同激光功率下功率密度越高 焊缝深宽越大 但从国外情况来看 激光器的光束质量和输出功率稳定性已相当高 不会成为激光焊接的问题 光学系统中影响焊接质量最大的因素是聚焦镜 所用焦距一般在127mm 5in 到200mm 7 9in 之间 焦距小对减小聚焦光束腰斑直径有好处 但过小容易在焊接过程中受污染和飞溅损伤 2 工件状况激光焊接要求对工件的边缘进行加工 装配有很高的精度 光斑与焊缝严格对中 而且工件原始装配精度和光斑对中情况在焊接过程中不能因焊接热变形而变化 这是因为激光光斑小 焊缝窄 一般不加填充金属 如装配不严间隙过大 光束能穿过间隙不能熔化母材 或者引起明显的咬边 凹陷 如光斑对缝的偏差稍大就有可能造成未熔合或未焊透 所以 一般板材对接装配间隙和光斑对缝偏差均不应大于0 1mm 错边不应大于0 2mm 当焊缝较长时 焊前的准备难度很大 普通剪床F料一般不能满足要求 必须经过机械加工或用高精度剪床剪切 还必须根据具体工件情况设计合适的精密胎夹具 实际生产中 有时因不能满足这些要求 而无法采用激光焊接技术 23 2020 3 27 3 焊接参数 1 激光功率密度 对激光焊接模式和焊缝成形稳定件的影响焊接参数中最主要的是激光光斑的功率密度 它对焊接模式和焊缝成形稳定性影响如下 随激光光斑功率密度由小变大依次为稳定热导焊 模式不稳定焊和稳定深熔焊 2 光束焦点位置 是焊接参数中对焊接质量影响极大而又最难监测和控制的一个因素 目前在生产中需靠人工调节和反复工艺试验的方法确定合适的焦点位置 以获得理想的熔深 但在焊接过程中由于工件变形 热透镜效应或者空间曲线的多维焊接 焦点位置会发生变化而可能超出允许的范围 24 2020 3 27 7 几种激光焊接机的技术参数 25 2020 3 27 6 激光焊接的应用 在工业发达国家 激光焊接已在许多工业部门得到应用 而汽车是其中最重要的部门 最典型的例子是车身覆盖件剪裁激光拼焊 用激光将不同厚度 不同材质 不同性能的多块小坯料拼焊起来 再冲压成形 材料利用率由40 60 提高到70 80 而且减轻了重量 提高了综合性能 在这里只有采用激光焊接才能保证拼焊后表面平整 无翘曲和变形 确保冲压后的质量 世界著名的汽车公司都采用了这种方法 我国激光焊接技术经过十余年的研究 已开始应用 包括电机中的定子转子 金刚石锯片 多联齿轮 热轧硅钢片 显像管阴极 食品罐头盒罐身等 例如用激光焊接技术焊接了装核燃料棒的核供热堆锆元件盒 外形尺寸为166 5mm 166 5mm 2384mm 采用2mm厚高活性锆合金板焊接而成 最后在锆盒全长范围内 各面及相互间的平面度 平行度 垂直度和尺寸公差均达到在0 2 0 3mm范围内 正反面焊缝表面不平度小于0 15mm 充分体现了激光焊接的先进性 26 2020 3 27 1985年 德国大众 激光拼焊用于Audi车型底盘的焊接 1986年 日本丰田 添丝激光焊用于车身侧面框架的焊接 1993年 北美 应用激光拼焊技术日本汽车的竞争力 目前为止 采用了激光拼焊技术 所涉及的汽车结构件包括车身侧框架 车门内板 挡风玻璃窗框 轮罩板 底板 中间支柱等 世界上几乎所有的著名汽车制造商 采用激光焊接技术 中国的奇瑞汽车 目前 27 2020 3 27 汽车车身的激光焊接 28 2020 3 27 内容提要 第三章激光辐照下的热效应及应用3 4激光焊接应用 1 激光焊接的机理 2 脉冲激光光斑焊接 3 高功率激光深穿透焊接 4 激光焊接的典型应用 5 激光复合焊接 29 2020 3 27 1 激光焊接的物理机制 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 使材料材料熔融并连接 这点与激光打孔 切割的蒸发不同 形成优良焊接接头的工艺过程 激光焊接可分为脉冲激光焊接和连续激光焊接 按其热力学机制又可分为激光热传导焊接和激光深熔焊接 或称激光深穿透焊接 30 2020 3 27 2 脉冲激光斑焊接 1 焊接接头 2 工艺参数影响a 激光功率密度b 脉冲宽度c 脉冲波形d 离焦量 31 2020 3 27 激光光斑焊接的几种方式 在脉冲激光光斑焊接子中 丝对丝 片对片 丝对片等焊接类型 同时也可以分为对焊接 搭接焊 交叉焊和平行焊等方式 32 2020 3 27 a 激光功率密度 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 33 2020 3 27 熔点 沸点 气化的临界功率密度 在给定激光脉宽的情况下 可推导出材料达到熔化所需的激光功率密度Fm Fm随材料熔点温度和热导率的增加而增加 随热扩散率和脉宽的增加而减少材料达到沸点所需的功率密度Fv 34 2020 3 27 当材料表面出现强烈汽化时 材料加热过程中将出现两种波向材料内部传播 即热波和汽化波 当激光功率密度较低时 热波的速度高于汽化速度 当达到某一临界功率密度时 这两种波的速度相等 对于大多数材料 热波速度Vh k tp 1 2 汽化波速度Vc Fc Lv 其中Lv是汽化潜热 当Vh Vc时 可得汽化时的临界激光功率密度 35 2020 3 27 对大多数材料有Fm Fc Fv在实际应用中 激光功率密度的选取需根据材料本身的特性及焊接技术要求 在薄板焊接中 板厚为0 01 0 10mm 材料表面的汽化均会使焊点成孔 所以这类焊接的表面不能有汽化穿孔现象 故薄板焊接的激光功率密度范围为Fm F Fc 在焊接较厚板 板厚大于0 5mm 时 焊接需维持在熔点和沸点之间 为达到一定熔深 脉宽应较宽 表层允许出现少量汽化 故功率密度范围为Fm F Fv 36 2020 3 27 b 脉冲波形 高强度激光束入射至材料表面时 部分能量被吸收 部分能量被反射 且反射率随表面温度不同而变化 在一个激光脉冲作用期间内金属反射率的变化 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 曲线1和曲线2分别代表铜和钢在一个脉冲时间内相对反射率的变化 37 2020 3 27 利用开始出现的尖峰 迅速改变金属表面状况 使其温度上升至熔点 从而在脉冲时刻到来时 表面反射率较低 使光脉冲的能量利用率大大提高 38 2020 3 27 焊接裂纹 脉冲激光出现裂纹的原因 是由于熔池内金属塑性变形能力小于焊缝金属凝固时出现的收缩应力则会产生裂纹 焊接中产生龟裂的原因是由于熔池凝固时产生热应力和相变时产生相变应力共同作用的结果 通过合理调整激光功率和脉冲波形 使金属表面接近沸点而不要大大超过沸点 这对消除裂纹有利 在有些焊接中可以对焊接作预热和保温处理 39 2020 3 27 c 脉冲宽度 激光脉宽是脉冲激光焊接的重要参数之一 它是决定材料是否熔化的重要参数 tm 到达熔点的时间 Tm 到达熔点的温度 K热导率 k K pc 热扩散率 F 激光功率密度 到达熔点的时间 到达沸点的时间 40 2020 3 27 令tv tp 可知 最大的熔深正比于脉宽的1 2次方 激光功率密度 材料中的温度与F成正比与脉宽的1 2次方成比例 因而在给定的激光能量下 要达到特定的温度 缩短脉宽比延长脉宽更有效 为了达到某一温度 能量的输入速率也是相当重要的 对同一种金属而言 焊接同样厚度的材料 脉宽越短 所需激光功率密度越高 热效率越高 激光参数可焊范围越窄 在要求热影响区很窄的焊接中 脉宽应尽量窄些 代入公式 激光焊接时的温度分布 41 2020 3 27 热扩散率越大的金属 如金 铜 银等 则熔深愈深 激光脉宽愈长 则熔深愈深 熔点 沸点相差较大的金属 如钼 铂 钨等 则熔深较深 对于不同金属片的焊接 在选择激光焊接工艺参数时 此时温度范围要控制在A熔 B沸之间 如果一种金属的熔点比另一种金属的沸点还高得多 则这种金属形成率固焊接工艺参数范围很窄 甚至不能进行焊接 42 2020 3 27 3 高功率激光深穿透焊接 a 激光焊 b电弧焊 激光焊和电弧焊焊缝截面形状比 43 2020 3 27 两种焊接机制 a 热导焊基本原理 b 激光深熔焊原理 激光焊接主要有热导焊和深熔焊两种 热导焊采用的激光功率为105w cm2左右 是靠热传导进行焊接的 焊缝深度小于2 5mm 焊缝的深宽比最大为3 1 深熔焊采用的功率密度在106 107w cm2之间 焊缝的深宽比最大可达12 1 44 2020 3 27 激光焊接原理图 a 原理图 b 激光焊接齿轮 45 2020 3 27 功率密度大于106W cm2 金属材料表面熔化和蒸化 蒸汽压力足够克服液态金属表面张力和液体重力 排开部分液态金属 熔池下凹 形成小坑 光束直接作用在小坑底部 继续小孔过程 小孔加深 形成类似锁眼的小孔 当蒸汽压力与表面张力和重力达到平衡后 小孔不继续加深而形成一个稳定深度的小孔 这就是所谓 小孔效应 在小孔内激光束可以直接通过小孔壁进入孔底 可得到很大的激光焊接深度 目前最大焊接深度已超过51mm 机理 46 2020 3 27 壁聚焦效应 当小孔形成后 进入小孔的激光束与小孔的壁面相互作用时 因不能被壁面完全吸收 故必有部分激光被壁面反射至小孔深处的某处重新会聚起来 这一现象被称为壁聚焦效应 光在孔内每反射和聚焦一次 其能量就减少一部分 直到激光能量在小孔深处基本衰减完 小孔深度也不再加深 思考 小孔的深度有哪些因素影响 47 2020 3 27 净化效应 金属内部往往存在着有害杂质或夹杂物 如P S O N以及非金属夹杂物等 它们或者固溶在金属基体中 或者独立存在金属基体中 当这些元素或夹杂物存在时 波长为10 6um的CO2激光对非金属的吸收率远远大于对金属的吸收率 当非金属杂质和金属同时受到激光照射时 由于非金属吸收率大 它将吸收较多的激光能量 使其温度迅速上升而汽化 逸出熔池 当杂质元素固溶在金属基体中时 由于这些非金属杂质元素的沸点低 蒸汽压高 故也很容易从熔池中逸出 上述两种作用的结果使焊缝中的有害元素的杂质减少了 这时金属性能 特别是对其朔性和韧性的改善是很有利的 激光对焊缝金属的这种净化现象称为净化效应 48 2020 3 27 2 激光深穿透焊接光致等离子体的形成及控制 A 等离子体屏蔽效应激光作用后 金属蒸汽在后继激光的作用下 会产生光致等离子体 云 在高功率激光焊接过程中 会不断产生红色金属蒸汽和蓝色等离子体 保护气体 如Ar 在强激光照射下产生等离子体 加强等离子云 等离子体对激光有强烈的吸收 散射和折射作用 从而屏蔽后继激光 导致激光熔池中的激光能量减少 严重时还会导致熔池中不能产生小孔效应 从而使焊接熔池减小 这就是所谓等离子体屏蔽效应 49 2020 3 27 在激光深穿透焊接中 低密度等离子体即激光维持燃烧波 LSC 有利于材料表面对激光的吸收 而致密的等离子体即激光爆轰波 LSD 对激光有吸收 散射等屏蔽作用 等离子体对激光的吸收主要为逆韧致辐射吸收 逆韧致辐射吸收即电子在运动过程中吸收一个光子而加速的过程 韧致辐射 带电粒子与原子或原子核发生碰撞时突然减速发出的辐射 Rockstroh等研究了氩气氛下 连续CO2激光作用铝靶时等离子体对激光的吸收率 激光功率为5KW 当靶移动速度为0 3m min时 等离子体对激光的吸收为20 6 当激光功率为7KW时 吸收率为31 5 50 2020 3 27 等离子体对激光的散射 等离子体对激光产生散射 等离子体对激光散射的机理较复杂 研究者认为散射是由于等离子体形成时金属蒸汽原子凝聚后形成的超细微粒子 UFP 离子的平均尺寸低于入射激光波长 且对同样尺寸下的超细微粒子 激光波长越短 越容易被散射 所以YAG激光中等离子体对激光散射比对CO2激光要强 51 2020 3 27 等离子体对激光的折射 等离子体对激光能量减弱时 第三个原因是等离子体对激光的折射 高功率CO2激光穿透焊接中 等离子体除了吸收和散射部分激光能量外 还会对激光产生折射使入射激光束聚焦状态发生变化 将对焊接过程产生重要影响 52 2020 3 27 2 等离子体的观察与检测 在激光深穿透焊接中 当不用辅助气体时 强烈的等离子体以一个周期间隔地沿垂直表面方向喷射出来 实验中观察到两种类型的等离子体 一种为天蓝色 靠近熔池表面 另一种为粉红色 离样品较远 通常等离子体的激光维持的燃烧波 LSC 的直观特征信号表现为天蓝色光辐射及高咝咝声 而激光维持的爆发波 LSD 表现为强烈的蓝色和声音冲击波 其检测方法多采用各种声音传感器和声光检测方法 53 2020 3 27 等离子体的抑制 辅助气体 a 同轴吹气同轴吹气具有保护透镜 保护焊缝外 其另一个重要作用是抑制焊接熔池上方的等离子体 通过吹气提高电子 离子和中性原子之间的碰撞达到增加复合速率 降低电子密度 从而达到降低等离子体浓度的目的 b 侧吹气体目前比较实用有效的吹气方法是采用侧吹辅助气体 使焊接熔池小孔中等离子体压缩并吹除 喷嘴结构 气体成分 流量 压力都有影响 54 2020 3 27 55 2020 3 27 LSSW方法 当激光束处于原始位置时 由于此时只有少量等离子体 故很易在样品上打孔 当激光束以一个与工作台相同的速度向后方移动时 光束相对与样品是静止的 并很快熔化孔的前壁的材料 随着光束在样品上打孔 等离子体相继产生 并不断地增加 在大量产生等离子体之前 激光束在样品上已打了很深的孔 为了避免产生大量等离子体 紧接着激光束相对它的原始位置很快地向后移动 于是激光束又在样品上重新打孔 连续 脉冲和LSSW三种方式焊接的小孔形状 其中脉冲焊接的脉宽与LSSW方式焊接的脉宽相同 脉冲焊接的孔比连续焊的孔深 而LSSW方式焊的孔最深 而且稳定 其孔的形状正好是前面两种方法的综合 上部是碗形 像连续焊 下部是楔形 脉冲焊 56 2020 3 27 4 激光焊接的典型应用 1 激光焊接金刚石工具设备与工艺 57 2020 3 27 激光焊接金刚石钻头 58 2020 3 27 激光加工国家工程研究中心推出金刚石工具三工位激光焊接系统 59 2020 3 27 三工位系统的结构图 60 2020 3 27 聚焦系统 比较一下反射式聚焦系统与透射式聚焦系统的优缺点 61 2020 3 27 德国飞羽公司的LSM212自动焊接机 62 2020 3 27 德国飞羽公司的LSM240自动焊接机 63 2020 3 27 64 2020 3 27 金刚石锯片焊接工艺 由于金刚石锯片基体与刀头材料不同 厚度不等 为了保证锯片出刃对称 减少变形 必须选择合理的激光焊接工艺参数 对单面焊接双面成型以及双面焊接工艺进行研究 包括激光功率 焊接速度 偏移量 离焦量 激光入射角度等工艺参数 65 2020 3 27 由于刀头比基体厚 且为粉末冶金材料 焊接时极易产生气孔 所以激光必须偏向基体一侧并带有一定角度 以产生角焊效果 如图4所示 偏移量太大 焊缝外观很漂亮 但刀头未焊上或焊得很少 实为假焊 偏移量太小 气孔多 影响外观质量 降低焊缝强度 研究结果表明 激光的入射角选在4 11 左右 偏移量约为0 2mm 0 25mm 焦点距基体表面的距离约为板厚的1 3时 可获得最好的角焊效果 角焊缝工艺 66 2020 3 27 a 0 5mm b 0mm c 0 25mm d 0 5mm 光束偏向刀头0 5mm时 熔深最浅 光束偏向基体0mm时虽然熔深最大 但由于光束离粉末冶金刀头太近 产生较多气孔 光束偏向基体0 5mm时焊缝金属不能很好的浸润粉末冶金刀头 不能形成高强度焊缝 光束偏向基体0 25mm时有最少的气孔和相对大的融合深度 因此激光光束的合适偏移量为偏向基体0 0 4mm 67 2020 3 27 a 2500w b 2000w c 1500w 68 2020 3 27 a 2 5m min b 2 0m min c 1 5m min d 1 0m min 69 2020 3 27 焊接参数范围图1 焊透焊逢宽区2 焊透合适区3 未焊透合适区4 未焊透气孔夹杂区 70 2020 3 27 汽车安全气囊激光焊接设备与工艺 71 2020 3 27 72 2020 3 27 其他激光焊接样品 不锈钢毛细管 激光焊接 微型声纳传感器 激光焊接 微型喷嘴 激光焊接 钛管 激光焊接 73 2020 3 27 激光焊接样品 汽车不等厚板 激光焊接 厚3mm 钢板制管 激光焊接 74 2020 3 27 5 激光复合焊接 单一焊接技术的局限性单一激光焊接局限性 工件装配要求高 高反射金属焊接困难 接头中容易产生气孔 裂纹 咬边等缺陷 填丝焊带来的焊接过程稳定性 能量利用率低 单一电弧焊接局限性 速度慢 生产效率低 焊接深宽比小 焊接变形大 75 2020 3 27 材料 A 36 焊接速度 1m min a 气保焊 能量830J mmb YAG