一、激光焊接的主要特性 激光焊接是激光材料加工技術(shù)應(yīng)用的重要方面之一。20世紀(jì)70年代主要用于焊接薄壁材料和低速焊接，焊接過程屬熱傳導(dǎo)型，即激光輻射加熱工件表面，表面熱量通過熱傳導(dǎo)向內(nèi)部擴(kuò)散，通過控制激光脈沖的寬度、能量、峰值功率和重復(fù)頻率等參數(shù)，使工件熔化，形成特定的熔池。由于其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，已成功應(yīng)用于微、小型零件的精密焊接中。 高功率CO2及高功率YAG激光器的出現(xiàn)，開辟了激光焊接的新領(lǐng)域。獲得了以小孔效應(yīng)為理論基礎(chǔ)的深熔焊接，在機(jī)械、汽車、鋼鐵等工業(yè)領(lǐng)域獲得了日益廣泛的應(yīng)用。 與其它焊接技術(shù)相比，激光焊接的主要優(yōu)點(diǎn)是： 1、速度快、深度大、變形? ? 2、能在室溫或特殊條件下進(jìn)行焊接，焊接設(shè)備裝置簡單。例如，激光通過電磁場，光束不會偏移；激光在真空、空氣及某種氣體環(huán)境中均能施焊，并能通過玻璃或?qū)馐该鞯牟牧线M(jìn)行焊接。 3、可焊接難熔材料如鈦、石英等，并能對異性材料施焊，效果良好。 4、激光聚焦后，功率密度高，在高功率器件焊接時(shí)，深寬比可達(dá)5：1，最高可達(dá)10：1。 5、可進(jìn)行微型焊接。激光束經(jīng)聚焦后可獲得很小的光斑，且能精確定位，可應(yīng)用于大批量自動化生產(chǎn)的微、小型工件的組焊中。 6、可焊接難以接近的部位，施行非接觸遠(yuǎn)距離焊接，具有很大的靈活性。尤其是近幾年來， 在YAG激光加工技術(shù)中采用了光纖傳輸技術(shù)，使激光焊接技術(shù)獲得了更為廣泛的推廣和應(yīng)用。 7、激光束易實(shí)現(xiàn)光束按時(shí)間與空間分光，能進(jìn)行多光束同時(shí)加工及多工位加工，為更精密的焊接提供了條件。 但是，激光焊接也存在著一定的局限性： 1、要求焊件裝配精度高，且要求光束在工件上的位置不能有顯著偏移。這是因?yàn)榧す饩劢购蠊獍叱哂甏缧?，焊縫窄，為加填充金屬材料。若工件裝配精度或光束定位精度達(dá)不到要求，很容易造成焊接缺憾。 2、激光器及其相關(guān)系統(tǒng)的成本較高，一次性投資較大。 二、激光焊接熱傳導(dǎo) 激光焊接是將高強(qiáng)度的激光束輻射至金屬表面，通過激光與金屬的相互作用，使金屬熔化形成焊接。在激光與金屬的相互作用過程中，金屬熔化僅為其中一種物理現(xiàn)象。有時(shí)光能并非主要轉(zhuǎn)化為金屬熔化，而以其它形式表現(xiàn)出來，如汽化、等離子體形成等。然而，要實(shí)現(xiàn)良好的熔融焊接，必須使金屬熔化成為能量轉(zhuǎn)換的主要形式。為此，必須了解激光與金屬相互作用中所產(chǎn)生的各種物理現(xiàn)象以及這些物理現(xiàn)象與激光參數(shù)的關(guān)系，從而通過控制激光參數(shù)，使激光能量絕大部分轉(zhuǎn)化為金屬熔化的能量，達(dá)到焊接的目的。 三、激光焊接的工藝參數(shù)。 1、功率密度。 功率密度是激光加工中最關(guān)鍵的參數(shù)之一。采用較高的功率密度，在微秒時(shí)間范圍內(nèi)，表層即可加熱至沸點(diǎn)，產(chǎn)生大量汽化。因此，高功率密度對于材料去除加工，如打孔、切割、雕刻有利。對于較低功率密度，表層溫度達(dá)到沸點(diǎn)需要經(jīng)歷數(shù)毫秒，在表層汽化前，底層達(dá)到熔點(diǎn)，易形成良好的熔融焊接。因此，在傳導(dǎo)型激光焊接中，功率密度在范圍在104~106W/CM2。 2、激光脈沖波形。 激光脈沖波形在激光焊接中是一個重要問題，尤其對于薄片焊接更為重要。當(dāng)高強(qiáng)度激光束射至材料表面，金屬表面將會有60~98%的激光能量反射而損失掉，且反射率隨表面溫度變化。在一個激光脈沖作用期間內(nèi)，金屬反射率的變化很大。 3、激光脈沖寬度。 脈寬是脈沖激光焊接的重要參數(shù)之一，它既是區(qū)別于材料去除和材料熔化的重要參數(shù)，也是決定加工設(shè)備造價(jià)及體積的關(guān)鍵參數(shù)。 4、離焦量對焊接質(zhì)量的影響。 激光焊接通常需要一定的離做文章一，因?yàn)榧す饨裹c(diǎn)處光斑中心的功率密度過高，容易蒸發(fā)成孔。離開激光焦點(diǎn)的各平面上，功率密度分布相對均勻。 離焦方式有兩種：正離焦與負(fù)離焦。焦平面位于工件上方為正離焦，反之為負(fù)離焦。按幾何光學(xué)理論，當(dāng)正負(fù)離做文章一相等時(shí)，所對應(yīng)平面上功率密度近似相同，但實(shí)際上所獲得的熔池形狀不同。負(fù)離焦時(shí)，可獲得更大的熔深，這與熔池的形成過程有關(guān)。實(shí)驗(yàn)表明，激光加熱50~200us材料開始熔化，形成液相金屬并出現(xiàn)問分汽化，形成市壓蒸汽，并以極高的速度噴射，發(fā)出耀眼的白光。與此同時(shí)，高濃度汽體使液相金屬運(yùn)動至熔池邊緣，在熔池中心形成凹陷。當(dāng)負(fù)離焦時(shí)，材料內(nèi)部功率密度比表面還高，易形成更強(qiáng)的熔化、汽化，使光能向材料更深處傳遞。所以在實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)要求熔深較大時(shí)，采用負(fù)離焦；焊接薄材料時(shí)，宜用正離焦。 四、激光焊接工藝方法。 1、片與片間的焊接。 包括對焊、端焊、中心穿透熔化焊、中心穿孔熔化焊等4種工藝方法。 2、絲與絲的焊接。 包括絲與絲對焊、交叉焊、平行搭接焊、T型焊等4種工藝方法。 3、金屬絲與塊狀元件的焊接。 采用激光焊接可以成功的實(shí)現(xiàn)金屬絲與塊狀元件的連接，塊狀元件的尺寸可以任意。在焊接中應(yīng)注意絲狀元件的幾何尺寸。 4、不同金屬的焊接。 焊接不同類型的金屬要解決可焊性與可焊參數(shù)范圍。不同材料之間的激光焊接只有某些特定的材料組合才有可能。 五、激光釬焊。 有些元件的連接不宜采用激光熔焊，但可利用激光作為熱源，施行軟釬焊與硬釬焊，同樣具有激光熔焊的優(yōu)點(diǎn)。采用釬焊的方式有多種，其中，激光軟釬焊主要用于印刷電路板的焊接，尤其實(shí)用于片狀元件組裝技術(shù)。采用激光軟釬焊與其它方式相比有以下優(yōu)點(diǎn)： 1、由于是局部加熱，元件不易產(chǎn)生熱損傷，熱影響區(qū)小，因此可在熱敏元件附近施行軟釬焊。 2、用非接觸加熱，熔化帶寬，不需要任何輔助工具，可在雙面印刷電路板上雙面元件裝備后加工。 3、重復(fù)操作穩(wěn)定性好。焊劑對焊接工具污染小，且激光照射時(shí)間和輸出功率易于控制，激光釬焊成品率高。 4、激光束易于實(shí)現(xiàn)分光，可用半透鏡、反射鏡、棱鏡、掃描鏡等光學(xué)元件進(jìn)行時(shí)間與空間分割，能實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)同時(shí)對稱焊。 5、激光釬焊多用波長1.06um的激光作為熱源，可用光纖傳輸，因此可在常規(guī)方式不易焊接的部位進(jìn)行加工，靈活性好。 6、聚焦性好，易于實(shí)現(xiàn)多工位裝置的自動化。 六、激光深熔焊。 1、冶金過程及工藝?yán)碚摗? 激光深熔焊冶金物理過程與電子束焊極為相似，即能量轉(zhuǎn)換機(jī)制是通過“小孔”結(jié)構(gòu)來完成的。在足夠高的功率密度光束照射下，材料產(chǎn)生蒸發(fā)形成小孔。這個充滿蒸汽的小孔猶如一個黑體，幾乎全部吸收入射光線的能量，孔腔內(nèi)平衡溫度達(dá)25000度左右。熱量從這個高溫孔腔外壁傳遞出來，使包圍著這個孔腔的金屬熔化。小孔內(nèi)充滿在光束照射下壁體材料連續(xù)蒸發(fā)產(chǎn)生的高溫蒸汽，小孔四壁包圍著熔融金屬，液態(tài)金屬四周即圍著固體材料?？妆谕庖后w流動和壁層表面張力與孔腔內(nèi)連續(xù)產(chǎn)生的蒸汽壓力相持并保持著動態(tài)平衡。光束不斷進(jìn)入小孔，小孔外材料在連續(xù)流動，隨著光束移動，小孔始終處于流動的穩(wěn)定態(tài)。就是說，小孔和圍著孔壁的熔融金屬隨著前導(dǎo)光束前進(jìn)速度向前移動，熔融金屬填充著小孔移開后留下的空隙并隨之冷凝，焊縫于是形成。 2、影響因素。 對激光深熔焊產(chǎn)生影響的因素包括：激光功率，激光束直徑，材料吸收率，焊接速度，保護(hù)氣體，透鏡焦長，焦點(diǎn)位置，激光束位置，焊接起始和終止點(diǎn)的激光功率漸升、漸降控制。 3、激光深熔焊的特征及優(yōu)點(diǎn)。 特征：（1）高的深寬比。因?yàn)槿廴诮饘賴鴪A柱形高溫蒸汽腔體形成并延伸向工件，焊縫就變得深而窄。（2）最小熱輸入。因?yàn)樵辞粶囟群芨撸刍^程發(fā)生得極快，輸入工件熱量極低，熱變形和熱影響區(qū)很? ＃?）高致密性。因?yàn)槌錆M高溫蒸汽的小孔有利于熔接熔池?cái)嚢韬蜌怏w逸出，導(dǎo)致生成無氣孔熔透焊接。焊后高的冷卻速度又易使焊縫組織微細(xì)化。（4）強(qiáng)固焊縫。（5）精確控制。（6）非接觸，大氣焊接過程。 優(yōu)點(diǎn)：（1）由于聚焦激光束比常規(guī)方法具有高得多的功率密度，導(dǎo)致焊接速度快，熱影響區(qū)和變形都較小，還可以焊接鈦、石英等難焊材料。（2）因?yàn)楣馐菀讉鬏敽涂刂?，又不需要?jīng)常更換焊炬、噴嘴，顯著減少停機(jī)輔助時(shí)間，所以有荷系數(shù)和生產(chǎn)效率都高。（3）由于純化作用和高的冷卻速度，焊縫強(qiáng)，綜合性能高。（4）由于平衡熱輸入低，加工精度高，可減少再加工費(fèi)用。另外，激光焊接的動轉(zhuǎn)費(fèi)用也比較低，可以降低生產(chǎn)成本。（5）容易實(shí)現(xiàn)自動化，對光束強(qiáng)度與精細(xì)定位能進(jìn)行有效的控制。 4、激光深熔焊設(shè)備。 激光深熔焊通常選用連續(xù)波CO2激光器，這類激光器能維持足夠高的輸出功率，產(chǎn)生“小孔”效應(yīng)，熔透整個工件截面，形成強(qiáng)韌的焊接接頭。 就激光器本身而言，它只是一個能產(chǎn)生可作為熱源、方向性好的平行光束的裝置。如果把它導(dǎo)向和有效處理后射向工件，其輸入功率就具有強(qiáng)的相容性，使之能更好的適應(yīng)自動化過程。 為了有效實(shí)施焊接，激光器和其他一些必要的光學(xué)、機(jī)械以及控制部件一起共同組成一個大的焊接系統(tǒng)。這個系統(tǒng)包括激光器、光束傳輸組件、工件的裝卸和移動裝置，還有控制裝置。這個系統(tǒng)可以是僅由操作者簡單地手工搬運(yùn)和固定工件，也可以是包括工件能自動的裝、卸、固定、焊接、檢驗(yàn)。這個系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)施的總要求是可獲得滿意的焊接質(zhì)量和高的生產(chǎn)效率。 七、鋼鐵材料的激光焊接。 1、碳鋼及普通合金鋼的激光焊接。 總的說，碳鋼激光焊接效果良好，其焊接質(zhì)量取決于雜質(zhì)含量。就象其它焊接工藝一樣，硫和磷是產(chǎn)生焊接裂紋的敏感因素。 為了獲得滿意的焊接質(zhì)量，碳含量超過0.25%時(shí)需要預(yù)熱。當(dāng)不同含碳量的鋼相互焊接時(shí)，焊炬可稍偏向低碳材料一邊，以確保接頭質(zhì)量。 低碳沸騰鋼由于硫、磷的含量高，并不適合激光焊接。低碳鎮(zhèn)靜鋼由于低的雜質(zhì)含量，焊接效果就很好。 中、高碳鋼和普通合金鋼都可以進(jìn)行良好的激光焊接，但需要預(yù)熱和焊后處理，以消除應(yīng)力，避免裂紋形成。 2、不銹鋼的激光焊接。 一般的情況下，不銹鋼激光焊接比常規(guī)焊接更易于獲得優(yōu)質(zhì)接頭。由于高的焊接速度熱影響區(qū)很小，敏化不成為重要問題。與碳鋼相比，不銹鋼低的熱導(dǎo)系數(shù)更易于獲得深熔窄焊縫。 3、不同金屬之間的激光焊接。 激光焊接極高的冷卻速度和很小的熱影響區(qū)，為許多不同金屬焊接融化后有不同結(jié)構(gòu)的材料相容創(chuàng)造了有利條件。現(xiàn)已證明以下金屬可以順利進(jìn)行激光深熔焊接：不銹鋼~低碳鋼，416不銹鋼~310不銹鋼，347不銹鋼~HASTALLY鎳合金，鎳電極~冷鍛鋼，不同鎳含量的雙金屬帶。