激光焊接PPT推荐.ppt

1、,2022年10月6日星期四,3、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。,2022年10月6日星期四,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

2、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（105106Wcm2），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（106107Wcm2），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

3、应选用深熔焊。,2022年10月6日星期四,4、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Q YAG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,2022年10月6日星期四,一、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。,2022年10月6日星期四,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

4、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：,2022年10月6日星期四,金属热学参量,2022年10月6日星期四,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FmFFc,在厚板（板厚大于0.50mm）焊接中，激光功率密度范围为FmFFv,2022年10月6日星期四,二、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，

5、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6098%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。,2022年10月6日星期四,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

6、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。,2022年10月6日星期四,三、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t

7、p等于气化时间。,此时的激光功率密度：,最大熔深：,由气化时间,2022年10月6日星期四,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。,2022年10月6日星期四,四、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

8、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50200us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。,2022年10月6日星期四,深熔焊：激光功率密度高（106107Wcm2

9、），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）。,5.激光深熔焊接,1）激光深熔焊接介绍,2022年10月6日星期四,1）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

10、高，一次投资大。,2）激光深熔焊接优点：,2022年10月6日星期四,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,2022年10月6日星期四,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5l

11、mm。,2022年10月6日星期四,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

12、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：ArN2CO2He，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,2022年10月6日星期四,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

13、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。,2022年10月6日星期四,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156kW范围。而YAG激

14、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