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激光焊接原理
时间:2020-06-03 08:37:05 点击次数:176

激光焊接可以采用连续或脉冲激光束加以实现,激光焊接的原理可分为热传导型焊接和激光深熔焊接。功率密度小于104~105 W/cm2为热传导焊,此时熔深浅、焊接速度慢;功率密度大于105~107 W/cm2时,金属表面受热作用下凹成“孔穴”,形成深熔焊,具有焊接速度快、深宽比大的特点。
  其中热传导型激光焊接原理为:激光辐射加热待加工表面,表面热量通过热传导向内部扩散,通过控制激光脉冲的宽度、能量、峰功率和重复频率等激光参数,使工件熔化,形成特定的熔池。

一、激光焊接的原理

    激光是由激光发生器发出的单色光,通过光纤传导到特制透镜上进行聚焦,使光束聚焦在一点,并且集中对该点输人热量。由于激光束的这种特性,单位照射面积能量能够达到107 W/c扩以上。在这种规模的热输入情况下,受热金属会因为温度瞬间超过熔点而气化,这些金属蒸气会在熔化的金属中产生一个小孔,我们称其为匙孔。由于匙孔的形状呈细长,所以在其形成之后,激光束会在匙孔内壁发生多次反射,并被吸收,因而使得熔深增加。经研究发现,如果激光发生器发出的激光束波长单一,没有杂光,那么能量密度在4 x 106 W/c时左右时就能产生这种匙孔。激光焊接过程中,起加热作用的激光光斑对试件进行集中加热,可以使工件在受最少热辐射量的情况下就能达到焊接条件;可以避免由于焊件过度加热而导致的变形。另外,激光焊接的加热源是光斑,所以本质上激光设备未与工件发生实质性的接触,因此在焊接的过程中就不存在电极污染、机具损耗等问题。激光焊接过程中,由于激光的能量密度很高,所以金属受激光照射到金属发生熔化和气化几乎是在瞬时完成的,以至于由焊缝中心向周围母材传递热量的时间也很少,并且激光光斑尺寸也很小,从而使焊后热影响区尺寸变小。经研究表明,汽车车身板材的激光焊接热影响区一般为1~2 mm。
 
二、激光焊接的工艺参数
    在实际生产过程中激光焊接有以下几个焊接工艺参数:
    (1)焊接速度。焊接速度决定了激光焊接过程中,激光光斑在焊件上的停留时间,光斑行走速度小,每秒辐射能量大,将导致板材被穿透;光斑行走速度大,则会使熔深变浅,焊得不充分。因此,在实际使用过程中应找到一个合理的焊接速度范围。
    (2)离焦量。在激光焊接中,离焦量是一个独有且重要的参数,因为激光是通过透镜将单色光进行聚焦而获得高能光斑的,所以激光有一个焦点,在焦点处,功率密度最大。然而实际应用时会根据不同的条件,可以将待焊工件沿透镜光轴方向偏移一段距离,偏移后工件在光轴方向与焦点的距离即为离焦量。经研究表明,离焦量决定着匙孔的初始直径、熔池的扩展速度、焊点尺寸的大小。
    (3)激光功率。即激光的强度,它决定着待焊工件被加热的速度,功率越大,被加热速度越快,是一个比较重要的焊接热输入量参数。目前,大功率的激光设备在切割、打孔等加工中应用的较多。
 
三、激光焊接的特点
    (1)激光能在瞬间达到预定的能量密度,在焊接过程中能有效节约作业时间,提高了工件加工生产效率。其可集中加热的特点使焊缝的热影响区变得很小,适合焊接一些对温度敏感的特殊材料;同时搭配惰性气体保护装置,可防止金属氧化,从而获得组织性能良好的焊缝。
    (2)利用激光可反射和偏转的特性,通过使用棱镜或反射镜将发射出来的激光束进行偏转,从而实现激光束在任何角度上的聚焦,利用光纤传导,可以使激光到达普通焊接装置难以到达的位置,这对加工过程中装配环节的意义很大。
    (3)激光束通过聚焦会获得一个尺寸特别小的光斑,结合焊接机械手臂精准的移动定位,可以加工尺寸微小的精密工件,并且相对于传统加工方法,生产效率有很大的提高。
    (4)激光束可以同时分成多束次级激光,这些激光束可以同时对一个工件的各个部位进行焊接加工,对焊接时的精度有很好的把控,为精密焊接创造了有力的条件和技术支持。
    (5)激光焊接拥有很多明显的优势,但也有自身的局限性,目前整套激光焊接设备的投资费用较高,并且由于激光系统结构很精密,所以日常维护费用也比较高;在焊接时对装配精度也有着一定的要求;其中焊接的最大厚度有限,也是目前激光焊接设备的一大短板。


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