激光焊接技术PPT课件

第3章激光焊接技术 3 1概述3 2激光焊接原理3 3激光焊接技术参数的作用与实验选择3 4激光焊接实用举例3 5激光焊接技术的发展前景 3 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 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3 1激光焊接的零件 3 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 3 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 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3 2YAG激光头照片 3 2 2激光深熔焊接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 图3 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 图3 4CO2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3 5大功率CO2激光器内部结构及外形 3 3激光焊接技术参数的作用与实验选择 3 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 图3 6激光焊接头的实物照片 3 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3 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 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 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 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3 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 为了使激光光波形前缘出现高幅值尖峰 将仿真线第一网孔L1C1组合中的电感L1减小或去掉 C1用低感或无感电容 使激光光波形前缘陡峭 有利于迅速降低反射率 加强对光能的吸收 同时对仿真线最后一组或两组的电感L4或L5的电感量适当增大 延缓放电速度 使激光波形有个拖尾 在焊接过程中 对于熔融部份的金属得到减缓凝固的作用 对于铝合金等材料的焊接 有很明显的改进作用 图3 9氙灯放电波形 当焊接工件以一定速度移动时 激光熔斑相互重叠 重叠率由工件移动速度和激光重复频率来决定 这种焊接状态与单脉冲点焊不同 当一个激光脉冲聚焦的光斑照射到焊缝处时 前一个激光脉冲已将该处金属材料加热 且前一个光斑照射的部份金属已呈熔融状态 尚未来得及凝固或者说未能完全凝固 因而这个激光脉冲到来时 焊缝处的温度升高 金属的反射率降低 并不需要前置尖峰脉冲的激光波形 一般可以通过重复的熔斑对工件实现密封焊接 这是国内外目前使用最多的激光脉冲波形 图3 11重复脉冲激光放电波形 传统的电子电路与微处理机结合 实现了以前电子电路无法实现的功能 有效地提高了整机的性能和水准 通过单晶片微处理机使激光脉冲可任意设置的激光器 就是当前的较先进的一项技术 提高了激光焊接机的功能 本来不能焊接或焊不好的材料也可以焊得很好了 图3 12可任意设置的激光脉冲波形 四 激光脉冲重复频率热传导焊接中 激光器发出重复频率激光脉冲 每个激光脉冲形成一个熔斑 焊件与激光光束相对移动速度决定了熔斑的重叠率 一系列的熔斑形成鱼鳞纹似的漂亮焊缝 如仪器 仪表 电池 继电器外壳的密封 板材 管件或需要连接的电子零件 机械零件的焊接等大都使用这种方法 为了实现激光密封焊接 对于激光光斑的重复频率有一定要求 一般要重叠70 以上 因为每一个熔斑都是材料表面吸收了激光的能量通过热传导向四周扩散的 所以熔斑断面形状为半球形 如图3 14所示 为了达到一定厚度的熔深 只有在高重复频率下才能达到密封焊接 图3 14重复激光脉冲的焊接效果 航空仪表外壳激光密封焊接后 要求漏气率小于10 8 10 10Pa L s 这是很高的指标 只有用氦质谱仪才能检测 五 离焦量的选择对于能够正常焊接的激光功率 或是脉冲能量 在焦平面处的激光功率密度往往已经超过激光焊接所需的功率密度 在焦点位置焊接 可能会出现金属汽化 熔渣飞溅或是打孔现象 正确焊接技术是使焦平面离开工件表面一小段距离 这个距离称为离焦量 如图3 15所示 以工件表面为准 焦平面深入工件内部称为负离焦 焦平面在工件之外称为正离焦 图3 15焦平面示意 一般对熔深要求不高时最好用正离焦 这样很容易获得牢固美观的焊缝 实际焊接过程中经常是激光器各项参数设置完毕后 最后经由微调离焦量 来达到完美的焊接效果 离焦量的选择和聚焦镜的焦距数值大小有关 焦平面处的光斑尺寸D与聚焦镜的焦距F和激光光束的发散角 有关 即D F 焊接0 5 1mm厚钢板时 聚焦镜焦距通常是100 200mm 对光斑尺寸要求并非十分严格 因而离焦量的选取也有较大的范围 激光焊接金属膜片时 要求熔斑直径小 聚焦镜的焦距也小 在这种情况下离焦量的选择要谨慎 离焦量不宜太大 六 保护气体在一些对焊接技术要求严格的场合 如要求焊缝美观 密封 无氧化痕迹的产品 或是易于氧化难于焊接的铝合金材料 在焊接过程中就必须施加保护气体 氮气室上部有透光平板玻璃 允许波长为1064nm的激光光束射入到焊件的焊缝上 氮气室内充满氮气 这样被焊接金属零件在加热熔化过程中就不会氧化 如焊接钢类零件或不锈钢类零件时 得到的焊缝是闪亮的 密封效果也好 图3 16氮气室示意 在要求高度密封 漏气率很低的工件焊接时 最好使用氩气 焊接效果会更好 一次焊接密封成功率高 而且焊缝美观 保护气体除防止熔化金属被氧化之外 还有一个作用就是吹掉焊接过程中产生的电浆火焰 电浆火焰本身对激光能量有吸收 散射作用 影响焊接效果 减少熔接深度 激光深熔时 在一定压力流速下的保护气体能够迅速清除熔化区的空气 避免金属氧化 同时保护气体能够将电浆火焰保持在熔池小孔内部 熔池内部热量增多 使焊缝的熔深加大 图3 17带保护气体喷嘴的激光焊接头 3 4激光焊接实用举例 3 4 1新型电池的激光焊接航空飞行器上改用锂离子电池后 比能量是镉镍电池的2 3倍 是氢镍电池的1 5 2倍 用在摄录影机上 用在行动电话上 用在笔记本电脑上 都使这些移动电子产品体积大为缩小 待机时间倍增 锂离子电池一经问世 产销量便迅速增加 2000年年产量达4 5亿支以上 近年来产量还在不断增加 而且又将成为正在研制的电动汽车的首选电源 锂离子电池 有几道程序如极耳焊接 安全阀焊接 负极焊接 外壳密封焊接等 均以激光焊接为最佳技术 表3 1各种蓄电池主要性能对比 一 极耳安全阀的自动焊接新型电池内部装有防爆装置 称为安全阀 锂离子电池有内部膨胀爆炸危险 因而电池必须装有安全阀 作为安全保障 安全阀结构巧妙 为用激光焊接牢固的 一定形状的两个铝质金属片 由激光熔斑形成的抗拉强度 需在设计值范围之内 即通过激光熔斑使电池内部形成通路 但当内部压力升高到一定值时 激光熔斑被撕开 起到保护作用 图3 18电池安全阀结构示意 图3 19激光焊接安全阀的自动装置示意 极耳的激光焊接技术比较复杂 由于是大量生产 焊接过程必须自动化 高生产率才能满足市场需求 图3 20是激光自动焊接极耳的装置示意 作为电池正极片的极耳与安全阀的孔板焊在一起 图示装置的核心结构是一个有36个V形槽的圆形转盘 V形槽用来确定电池的位置 在电池极耳下面有放置安全阀的圆坑 安全阀与电池主体可以依图示装置自动上料 也可以手工上料 图3 20激光自动焊接极耳装置示意 二 方形电池外壳的激光顶焊密封技术手机电池外形尺寸希望越小越好 现在流行的长方形截面的手机电池 也称口香糖电池 其封口一般是在电池顶部有一个长方形盖板 板上带有正极引出端 将盖板塞入外壳与口平齐 然后用激光将盖板与外壳之间的长方形缝隙 以重复脉冲方式焊好密封即可 图3 22新型电池专用YAG激光焊接机 图3 23激光顶焊方形电池的方法示意 三 方形电池外壳的激光侧焊密封技术1 方形电池中心旋转式激光自动焊接机脉冲YAG激光焊接机的激光平均功率多为300 700W 脉冲重复频率1 100Hz 激光脉冲宽度1 10ms 单脉冲最大能量约30J 石英光纤传输 光纤长度10 50m 在光纤出口 由聚焦系统组成激光焊接头 焊接头和被焊接电池之间的相对运动由微处理机控制 激光焊接过程自动进行 更换电池的动作是人工操作 图3 24电池中心旋转式激光侧焊密封技术 激光焊接过程中焊缝熔化阶段会产生电浆火焰 该火焰对于入射激光光束有遮挡作用 对激光光束产生吸收和散射 使焊接品质下降 图3 25表示的方法 使激光光束倾斜一个角度入射 这样产生的电浆火焰就会反射到另一个方向 不再遮挡入射激光光束 图3 25激光倾斜入射示意 2 侧边旋转式激光侧焊密封方形电池外壳技术激光焊接过程中 靠工作台的移动和转动就完成了全部焊接过程 激光不必中断 稜角焊接效果也好 如果通过程序设计 使激光焊接到稜角位置时 激光重复频率自动降低 转到直线焊缝时 再恢复到预置重复频率 焊接效果会更好 焊缝美观 密封成功率高 生产率也高于前一种方案 图3 26侧边旋转式电池焊接方案示意 3 履带式激光自动焊接侧边密封电池为了保证激光头到焊缝的距离稳定不变 电池上下两面在激光焊接位置 均有定位压紧装置 激光头L1焊完一边焊缝之后 传送带推动电池前移过程中 设有电池转向机构 自动使电池翻身 焊过的一面倒向下面 未焊的一面向上 继续前进时 便进入第二个激光头L2 开始焊接第二面的焊缝 所有附属机构与激光头L1焊接位置一样 传送带向下运转的时候 电池自动跌入下料仓 完成了电池两边的焊接程序 图3 27履带式激光自动焊接方形电池外壳设备 4 双路对焊式自动激光焊接电池激光光束也是由同一台激光器输出 四束激光均进入石英光纤 L3和L4与L1 L2也是同时出光 将还未焊过的两条焊缝同时焊好 至此 电池的四条焊缝经两次焊接即已完成 电池随即进入下料仓 图3 28双路对焊方形电池 图3 29所示为激光经过分束装置被分别耦合到六根光纤里 然后传输到需要焊接的地方 图3 29激光分光装置 3 4 2精密仪表零件的激光焊接一 压力膜片的激光焊接自动化压力传感监测系统的压力敏感元件 是一个厚度仅有0 06mm的不锈钢膜片 一般口径有 40 60mm左右 将膜片固定在一个不锈钢框架上 组成压力仪表的一个零件 最好的固定方法就是采用激光焊接 曾经用过特种胶水粘接 或氩弧焊的方法焊接 相比之下激光焊接还是具有明显的优点 不仅焊缝美观 而且密封效果好 被焊框架和膜片用压圈固定好以后 在膜片上方很小的密闭气室内可以充满具有压力的氮气 氮气的作用有两个 其一 是保护激光焊接过程中熔化金属不被氧化 使熔道组成的焊缝整齐美观 其二 是通过足够大的压力 迫使膜片与框架紧密接触 以保证激光焊接过程中达到充分的热传导效果 图3 30带有氮气室的压力膜片激光焊接装置 氮气室需要密不漏气 每次更换焊件 夹具又必须反覆开启 因而带有氮气室的夹具 在结构设计上稍显复杂 图3 31所示为一种用机械方法固定膜片的夹具 这种夹具无需氮气室 而是用一个金字塔形的金属块压紧膜片内部 膜片外缘用一个压圈压平 只露出焊缝部份承受激光光束的照射 焊接效果很好 图3 31压力膜片的机械固定装置 二 精密仪表的激光焊接挠性接头是挠性陀螺的最关键零件 内 外两层接头形状复杂 容易损坏 不能受到冲击 稍有碰撞便不能使用 总之要轻拿轻放 内 外两层接头要求转过 焊成一体才能使用 激光焊接挠性接头 由于零件很小 能够承受的热量不大 加到零件上的激光能量过大时 会使工件整体升温 引起机械连接处产生塑性变形 使之失去弹性 造成零件损坏 图3 32 a 中的焊缝可以垂直工件表面焊接 图3 32 b 中的焊缝工件有台阶结构 所以将激光光束调整到左右角度 倾斜入射 焊接效果更好 一般选用瞬时功率在105 107W cm2 激光平均功率在50 80W之间 重复频率10 35Hz 脉冲宽度在3 7ms之间 焊接速度在5mm s 焊缝品质较好 焊接时不需要添加任何焊剂和焊料 焊接完成后工件变形小 热影响区也小 一般熔深在0 3 0 5mm左右 焊缝的金相组织为麻田散体 测试硬度 抗拉强度均达到标准要求 图3 32激光焊接挠性陀螺接头示意 为了使激光焊接效果好 当密封程序选择了激光焊接技术时 焊缝处的结构形状最好要有适当的修改 以适应激光焊接的需要 首先焊缝处两个部份工件的对接处间隙要小 如果是圆柱形工件 配合部份要选稍紧的滑动配合 否则焊后难密封 如图3 33 a 所示为两部份工件简单对接 对接部份因机械加工精度误差会造成对接间隙 焊接过程激光引起的火花 可能会喷进仪表内部造成电路损伤 最好焊接部份要有止口结构 而且承受激光处的形状设计为图3 33 b 所示的结构 焊缝两边各有一条凹槽 其作用是限制激光热量向两边传导 强迫激光热量向焊缝深处传导 这样焊接效果更好 焊后激光熔道平整光滑 止口得到了保护仪表内部零件 不会被激光火花所伤害的作用 图3 33焊接处止口结构 为了达到激光焊接后密封良好的效果 还应注意考虑以下因素 焊缝处零件表面清洁 不能存在油污 棉絮等有机物 甚至焊缝处材料的杂质也会造成局部漏气 激光焊接性能稳定可靠 激光参数能够大范围的调节 聚焦透镜焦距的选择和离焦量的选择都有关系 保护气体的种类和吹气压力 流量也需注意 工件的机械加工精度 设计上的尺寸 公差的选择 零件焊接前的清洁方法都是与密封效果有关的因素 类似要求激光密封焊接的仪表零件有小型继电器 石英振子 心脏起搏器 助听器 各类传感器等 图3 34光纤通讯元件的激光焊接装置 三 仪表电器外壳密封焊接太空航空系统广泛使用的陀螺仪表 继电器 石英振子 半导体元件 加速度计 核燃料盒等 密封焊接之后 大多要求内部为真空状态 漏气率小于 Pa L s 漏气率需用质谱仪检测 除了用YAG激光焊接之外 任何传统方法都不能达到上述要求 脉冲宽度和脉冲形状对激光焊接陀螺仪表是一项重要参数 未经成形的激光脉冲 不适合于特殊焊接 单脉冲能量大小也是一项重要参数 对于一台激光焊接机而言 单脉冲能量与激光脉冲重复频率有关系 一般对仪表零件密封焊接时 单脉冲能量需要大于3J 否则熔化区较浅 如果熔深小于0 2mm 尽管焊缝外观平整 气密性也不好 一般常用激光脉冲能量在5 6J时 熔深0 3 0 5mm 焊接效果比较好 激光脉冲重复频率一方面决定生产率即焊接速度 实际重点考虑的还是焊接品质 一般常用15 35Hz 还要求激光焊接的平均功率大小 当脉冲频率高时 需要的脉冲能量可以减少 两脉冲之间的时间间隔短 前一个脉冲能量产生热量导致的温升还没降低 后面脉冲能量又作用上去 使得材料熔化所需的能量会适当降低 在一定重复频率之下 只有降低重叠率才能有更高的焊接速度 每一个激光脉冲在焊缝处都产生一个半球形熔斑 只有光斑重叠率在60 70 时气密封性才好 离焦量的大小在于控制激光功率密度 一般需在104 106W cm2 使激光作用于金属表面适合于焊接 主要引起焊缝处熔化 而不是汽化 实现密封焊接还需选用恰当的保护气体 惰性气体可以防止熔道表面氧化变黑 焊接陀螺仪表常用氩气或氮气 氩气效果好 使焊缝白亮 但价格高 3 4 3激光焊接在汽车制造业中的应用激光焊接是在汽车制造业中 使用最多的激光加工技术 最早用在汽车变速箱齿轮组的焊接 采用2 3kW的连续CO2激光器 再配备必要的清洗 压紧 转动台 激光器 水冷系统 导光系统 保护气体系统以及在线检测设备 整套设备运转起来加工速度很快 汽车制造业大量采用激光搭焊薄钢板和不等厚钢板 充分利用激光焊缝性能优良的特性 焊接后再冲压成型 不会开裂 图3 35是汽车侧门不等厚钢材搭焊的例子 由最佳组合的几块板材焊接而成 经一次冲压后成为车门零件 一方面提高了车身的精度 与老技术相比 使多个冲片一体化减少了许多冲模 所以不仅使车身重量减轻 而且使成本下降 图3 35激光拼焊车门板材 图3 36采用多个YAG棒组合的激光器 一辆汽车的车身 底盘共由300种以上的零件组成 采用搭焊技术后能使零件数减少66 局部采用厚板就可以去掉加强杆 一次冲压成型 例如 汽车内门板过去用0 8mm的钢板冲压成型 为安装反光镜 在安装基座部位必须焊上加强件 现在将2mm坯板和0 8mm坯板用激光焊在一起 然后冲压成型 这样每扇门可以减轻1 35kg 不仅简化了制程 而且降低了成本 图3 37部份采用激光焊接技术的冲压成型件 采用激光焊接技术 把形状弯曲复杂的冲压件 改为激光搭焊件 如图3 38所示 如果依照零件形状直接冲裁 图示阴影部份废料得不到利用 将零件改成两块 冲裁后 再用激光焊接 材料利用可提高10 图3 38马自达公司应用激光焊接实例 图3 40示出的是日本电装株式会社定子固定的技术发展过程 可以看出 激光焊接的焊缝整齐美观 效果最好 而氩弧焊的焊缝又宽又粗糙 图3 40汽车电机定子的固定方法 通用汽车公司用3kW的连续Nd YAG激光器焊接OldsmobileAurora的车顶配件 焊缝总长2 4