激光焊接技术.ppt

第3章激光焊接技术3.1概述图3.1激光焊接的零件3.2激光焊接原理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