激光焊接技術(shù)及其特點(diǎn)

周明召

[摘要]激光焊接是一種新型的特殊焊接方法，能夠?qū)崿F(xiàn)很多種材料的連接，而且激光焊接具有傳統(tǒng)焊接工藝無(wú)法比擬的優(yōu)越性。本文主要介紹了激光焊接技術(shù)的發(fā)展歷程、原理及其工藝特點(diǎn)。

[關(guān)鍵詞]激光焊；發(fā)展；原理；特點(diǎn)

前言

自1960年第一臺(tái)激光器問世以來(lái)，人們對(duì)激光應(yīng)用技術(shù)不斷的進(jìn)行探索研究。由于激光具有非常好的單色性、相干性、方向性以及高能量密度等不可比擬的優(yōu)越性，激光加工技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于汽車、航空航天、船G、醫(yī)療、通訊設(shè)備等領(lǐng)域，促進(jìn)了相關(guān)領(lǐng)域的快速發(fā)展。

激光d接技術(shù)是激光工業(yè)應(yīng)用的一個(gè)重要方面，在激光器出現(xiàn)不久就有學(xué)者開始了激光d接技術(shù)的研究，激光d接技術(shù)逐漸得以實(shí)現(xiàn)并受到人們的重視。激光d接是一種新型的特殊d接方法，它所需要的功率密度達(dá)105—107W/cm2。

早期的激光d接研究大多采用紅寶石脈沖激光器，由于激光器很低的工作效率和發(fā)光物質(zhì)的受激性差，致使激光平均輸出功率很低，只能進(jìn)行小型薄壁件的傳導(dǎo)d接。隨著高功率C02激光器和Nd：YAG激光器的*生，開辟了激光d接的新領(lǐng)域，激光d接得到了迅速的發(fā)展。Nd：YAG激光器的波長(zhǎng)比C02激光波長(zhǎng)小一個(gè)數(shù)量級(jí)，因而其光束與金屬的合效率高、加工性能良好，成為激光點(diǎn)d和激光縫d的優(yōu)選設(shè)備。激光d接的厚度已從零點(diǎn)幾毫米提高到50ram，目前在世界各國(guó)激光加工的應(yīng)用領(lǐng)域中，激光d接的應(yīng)用僅次于激光切割的應(yīng)用，約占20.9%。激光d接能夠?qū)崿F(xiàn)很多類型材料的連接，而且激光d接具有傳統(tǒng)d接工藝無(wú)法比擬的優(yōu)越性，尤其是航空與汽車工業(yè)中同種或異種難d的薄板合金材料的激光d接，使d接結(jié)構(gòu)變形小、d接接頭質(zhì)量高、重現(xiàn)性好。

1激光焊接原理

激光d接可分為傳熱d和深Od，傳熱d接時(shí)產(chǎn)生的熱量通過熱傳遞擴(kuò)散至工件內(nèi)部，使d縫表面?；静划a(chǎn)生汽化現(xiàn)象，常用于低速薄壁材料的d接；深Od還使材料汽化，形成大量等離子體，由于熱量較大，o$前端會(huì)出現(xiàn)小一現(xiàn)象。深Od能夠徹底d透工件，且輸入能量大、d接速度快，是目前使用最廣泛的激光d接模式。

（1）激光傳熱d接機(jī)理。當(dāng)激光功率密度小于105W/cm2時(shí)，金屬表面溫度迅速加熱到。點(diǎn)和z點(diǎn)之間而?；?，通過熱傳導(dǎo)把熱能向金屬內(nèi)部傳遞，使o$逐漸擴(kuò)大，冷卻凝固時(shí)結(jié)b形成d點(diǎn)或者d縫，d縫類似為%球形。激光與材料的相互作用過程中，很大一部分激光束被金屬表面反射，激光的吸收率較低，沒有&汽壓的作用，激光光斑功率密度也會(huì)變得較低，不產(chǎn)生小一效應(yīng)。因此，傳熱d接時(shí)。深淺，速度較慢，主要應(yīng)用于薄板等材料的d接。

（2）激光深Od接機(jī)理。當(dāng)照射到金屬表面的激光功率密度大于106W/cm2時(shí)，金屬表面溫度可在極短的時(shí)間內(nèi)（10-6～10-5s）使加熱區(qū)域的金屬0化及汽化，產(chǎn)生金屬液體和金屬&汽，氣態(tài)金屬產(chǎn)生的&汽壓力很高，足以克服液態(tài)金屬的表面張力，把?；慕饘傧蛩闹躆散，形成小一。隨著金屬&汽的出，在工件上方及小一內(nèi)部形成等離子體，較厚的等離子體會(huì)對(duì)入射激光具有一定屏蔽作用。激光束在小一內(nèi)產(chǎn)生多重的反射，小-幾乎可以吸收全部的激光能量，使小-進(jìn)一步加深，當(dāng)激光束在小-產(chǎn)生的金屬&汽壓力與液態(tài)金屬的表面張力和重力平衡后，小-不再加深而形成一個(gè)穩(wěn)定深度的小-，這就是小-效應(yīng)。

當(dāng)工件以一定的速度相對(duì)于激光束移動(dòng)時(shí)，小-前方的金屬不斷?；推簯B(tài)金屬流向小一后方，逐漸凝固形成d縫，這種d接機(jī)制叫深Od，是激光d接中最常用的d接模式。

在激光深Od時(shí)，材料對(duì)激光束的吸收決定于小一和等離子體效應(yīng)。一般來(lái)說，工件表面的等離子體云吸收部分激光，使激光有效的能量較低，并使光束波前T變導(dǎo)致焦光斑擴(kuò)散，使表面。化區(qū)擴(kuò)大，因此等離子體云對(duì)d接過程有害。常采用以下兩種預(yù)防措施：一是使用保護(hù)氣體M散激光與工件作用點(diǎn)反沖出的金屬&汽；第二種是使用保護(hù)氣體，抑制金屬&汽電離，阻止等離子體云的產(chǎn)生。

2激光焊接特點(diǎn)

激光d接技術(shù)經(jīng)歷了從脈沖激光d接到連續(xù)激光d接，低功率d接到高功率d接，薄板d接到厚板d接，低速d接到高速d接的過程。與傳統(tǒng)的d接方法相比，激光d接技術(shù)具有很多獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

（1）能量密度高。功率密度達(dá)106-108W/cm2，比電4 d高出幾個(gè)數(shù)量級(jí)；深寬比大；d縫b h細(xì)小致密。

（2）激光d接速度快、o深大。由于能量密度大，激光d接過程中，在金屬材料上產(chǎn)生G一，激光能量通過小一往工件d接方向傳導(dǎo)，而橫向傳導(dǎo)較少，因而在d接時(shí)，能量較集中，o深大，d接速度快。

（3）激光d接熱輸入量小，熱影響區(qū)小，d接變形小。由于激光d接功率密度高，所以很小的熱輸入量就可以實(shí)現(xiàn)良好的d接，從而熱影響區(qū)及d接變形很小。

（4）能在室溫或者特殊條件下進(jìn)行d接。激光在真空、空氣及某種氣體環(huán)境中均能d接，并能通過OP或?qū)馐该鞯牟牧线M(jìn)行d接。

（5）可以d接一般d接方法難以d接的材料，以及同種或異種難d材料。如高。點(diǎn)金屬等，甚至可用于非金屬材料的d接，如n N等。

（6）可實(shí)施非接觸遠(yuǎn)距離d接。沒有工具損耗和工具調(diào)換等問題。

（7）d接系統(tǒng)具有高度的＼性。與CAD/CAM或機(jī)器人聯(lián)合組成的d接系統(tǒng)可形成多功能的激光加工系統(tǒng)，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。

但是，激光d接與傳統(tǒng)的d接方法相比，也存在一定的局限性。

（1）對(duì)d接工件加工、組裝、定位要求較高。

（2）激光器及d接系統(tǒng)成本較高，一次性投資較大。

（3）受。深的限制，激光d接不適宜d接厚度較大的材料。endprint