激光焊接技术...ppt

激光焊接技术及其应用,过控郑健201100160250,激光焊接作为一种新型的焊接技术已被广泛的应用于IT、医疗、电子、汽车、机械和航天等行业，为优质、高效、无污染和低成本的现代加工生产开辟了广阔的前景。由于具有很高的适应性、很强的加工能力以及更加先进的质量检测手段，激光焊接在许多行业已经逐步取代了一些传统的焊接技术。在最近的课程中我们学习的主要是常用的焊接方法机器加工工艺，包括手工电弧焊，埋弧自动焊，气体保护电弧焊，电渣焊，窄间隙焊等，另外老师还为我们扩展了一些其他的焊接方法。我在课下也搜集一些关于激光焊的资料，现介绍如下。,激光焊接机理,激光是辐射的受激发射光放大的简称，是一种电磁波，是通过人工增幅产生的。其产生的基本条件包括泵浦源、激光介质和谐振腔等，激光具有高的单色性、方向性、相干性和亮度性，激光是一种新型热源。激光焊接属于熔融焊，以激光束作为焊接热源，其焊接原理是:通过特定的方法激励活性介质，使其在谐振腔中往返振荡，进而转化成受激辐射光束，当光束与工件相互接触时，其能量则被工件吸收，当温度高达材料的熔点时即可进行焊接图1为激光器原理示意图，图2为激光焊接示意图。,按焊接熔池形成的机理划分，激光焊接有两种基本的焊接机理:热传导焊接和深熔(小孔)焊接热传导焊接时产生的热量通过热传递扩散至工件内部，使焊缝表面熔化，基本不产生汽化现象，常用于低速薄壁构件的焊接!深熔焊使材料汽化，形成大量等离子体，由于热量较大，熔池前端会出现小孔现象。深熔焊能彻底焊透工件，且输入能量大、焊接速度快，是目前使用最广泛的激光焊接模式。,激光焊接特点,激光焊接经历了由脉冲激光焊接到连续激光焊接，低功率焊接到高功率焊接，薄板焊接到厚板焊接，低速焊接到高速焊接的过程。与传统焊接相比，其主要优势集中在以下几个方面:(1)能量密度高。功率密度达106108W/cm2,深宽比大，最高可达10:1，焊缝晶粒细小致密(2)激光焊接速度快、熔深大.由于能量密度大，激光焊接过程中，在金属材料上产生匙孔，激光能量通过小孔往工件焊接方向传导，而横向传导较少，因而在焊接时，能量较集中，熔深大，焊接速度快。(3)激光焊接热输入量小，热影响区小，焊接变形小由于激光焊接功率密度高，所以很小的热输入量就可以实现良好的焊接，从而热影响区及焊接变形很小。(4)激光焊缝力学性能好，力学性能强于母材焊缝强度高、焊接速度快、焊缝窄且表面状态好，免去焊后清理等工作。(5)能在室温或特殊条件下进行焊接。激光在真空、空气及某种气体环境中均能焊接，并能通过玻璃或对光束透明的材料进行焊接。(6)可以焊接一般焊接方法难以焊接的材料，以及同种或异种难焊材料。如高熔点金属等，甚至可用于非金属材料的焊接，如陶瓷等。,(7)可实施非接触远距离焊接。没有工具损耗或工具调换等问题。(8)激光焊接属非接触加工，与接触焊工艺相比，无电极、工具等的磨损消耗，无加工噪声，对环境无污染。(9)焊接系统具有高度的柔性化。与CADCAM或机器人联合组成的焊接系统可形成多功能的激光加工系统，易于实现自动化。,但是，激光焊接与传统焊接方法相比，也存在一定的局限性，主要集中在以下几个方面:(1)对焊接工件加工、装配精度、定位精度要求较高，且要求光束在工件上的位置不能有显著偏移，这是因为激光聚焦后光斑尺寸小，焊缝窄。如工件装配精度或光束定位精度达不到要求，很容易造成焊接缺陷(2)激光器及焊接系统各配件的价格较为昂贵，一次性投资大，初期投资及维护成本比传统焊接工艺高，经济效益较差(3)受熔深的限制，激光焊接不适宜焊接厚度较大的材料。(4)由于固体材料对激光的吸收率较低，特别是在出现等离子体后，因此激光焊接的转化效率普遍较低(通常为5%30%).(5)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。,激光焊接技术的分类,根据激光束的输出方式的不同，可以把激光焊接分为脉冲激光焊和连续激光焊。根据激光焊接焊缝的形成特点，又可以把激光焊分为热导焊和深熔焊。热导焊使用激光功率低，熔池形成时问长，且熔深浅，多用于小型零件的焊接;深熔焊使用的激光功率密度高，激光辐射区金属熔化速度快，在金属熔化的同时伴随着强烈的汽化，能获得熔深较大的焊缝，焊缝的深宽比较大。随着多种新型激光器的出现，使得激光焊接设备的智能化及加工的柔性化显著提高，激光成本也明显降低。在传统激光焊接的基础上又发展出了许多现代激光焊接技术，主要包括:激光填丝焊、激光一电弧复合热源焊接、双光束激光焊接、激光钎焊和激光电焊等。,影响激光焊接质量的因素,1.被焊工件的影响被焊工件材料对激光的吸收决定了激光焊接的效率，影响材料对激光的吸收率的因素有两个方面:一是材料电阻系数，经过对不同材料抛光表面的吸收率测量发现，材料对激光的吸收率与电阻系数的平方根成正比，而电阻系数又随温度的变化而变化;材料吸收光束能量后的效应取决于材料的热特性，包括热导率、热扩散率、熔点、汽化温度、比热和潜热。二是材料的表面状态对光束吸收率有较重要的影响，因而对焊接效果产生明显作用。此外，激光焊接要求被焊工件的边缘加工、装配精度很高，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为焊接热变形而变化。,2.焊接工艺参数的影响对于激光焊接而言，影响其焊接质量的因素主要有激光功率、脉冲宽度、焊接速度和离焦量。激光功率是影响激光焊接质量最关键的因素，它是指激光器的输出功率，没有考虑导光和聚焦系统所引起的损失。激光焊接的熔深与激光输出功率密度密切相关。对一定的光斑直径，在其他条件不变的情况下，焊接熔深随着激光功率的增加而增大。采用较高的功率密度，在儿微秒时问内，可迅速将金属加热至熔点，形成良好的熔融焊接。激光功率太高，在高能量密度下，材料的挥发又可能会引起气孔、咬边、吃溅和下塌等缺陷。由此可见，要想得到良好的焊接效果，必须适当的控制激光功率。脉冲宽度是影响激光焊接质量的一个重要因素。脉宽的大小首先影响到熔池的形状，它的改变同时影响到熔深和熔宽，但二者的影响比例不同。脉宽短，所需热功率密度高，激光可焊范围窄，但热效率高;增加脉宽，所需热功率密度低，激光可焊范围宽，所需热功率密度低;过量增加脉宽后，焊件上的热功率密度太低，熔深反而减小。另外，脉冲持续时问越长，则热影响区越大。所以，对于一些对焊缝宽度有要求的焊接，应在保证影响区所允许的情况下选择合适的脉宽。因此，对于不同的材料各存在一个最佳的脉冲宽度，此时的焊接熔深最大。,焊接速度是指激光束相对于被焊工件的移动速度，它决定了焊接表面质量、熔深、热影响区等。随着焊接速度的增加，熔池流动方式和尺寸将会改变。焊接速度较低时，熔池形状大而宽，且容易形成下塌缺陷。此时，金属熔化的量较大，金属熔池的重力太大，表面张力难以维持住处于焊缝中的熔池，从焊缝中问滴落或下沉，在表面形成凹坑。焊接速度太高时，匙孔尾部原朝向焊缝中心强烈的流动的液态金属由于来不及重新分布，便在焊缝两侧凝固，形成咬边缺陷。,激光焊接技术概况,激光焊接技术是把激光束经过聚焦后形成高能量密度的激光脉冲对材料进行微小区域内的局部加热，将材料熔化后形成特定熔池，从而达到焊接的目的。20世纪70年代以前，由于高功率连续波(CW)激光器尚未开发出来，激光焊接研究试验大多数是利用红宝石脉冲激光器，当时虽然能够获得较高的脉冲能量，但这些激光器的平均输出功率却相当低，激光焊接的应用也受到了一定的限制。20世纪70年代初期，随着千瓦级连续波CO2激光器焊接试验的成功，激光焊接的研究与应用情况发生了变化。此后，日本、德国、英国和前苏联等国的科研人员也相继报道了高功率CO2激光焊接技术的发展及其优化，激光焊接技术得到了空前的发展。当Nd:YAG激光器出现后，由于金属对其的反射率大大低于对CO2激光器的反射率，且其有较高的平均功率，可以通过光纤进行柔性传输，很快就成为点焊和缝焊的优选焊接方法。目前，已有报道功率上千瓦的Nd:YAG激光焊接的试验数据。,结语,经过几十年的