激光焊接技術(shù)原理及工藝分析

摘 要：介紹激光焊接的原理以及主要特點(diǎn);激光焊接的主要工藝參數(shù)包括焊接速度、離焦量和激光功率。

關(guān)鍵詞：激光焊接;工藝參數(shù);激光功率

中圖分類號(hào)：TG456.7 ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

doi：10.14031/j.cnki.njwx.2019.06.045

作者簡(jiǎn)介：趙昕（1987-），女，遼寧省大連市，工程師，研究方向：風(fēng)電齒輪箱、齒輪潤(rùn)滑、齒輪修形、激光焊接，E-mail：zhaoxin881@126.com。

0 引言

激光焊接是利用高能量密度的激光束作為熱源的一種高效精密焊接方法。

1 激光焊接的原理

激光是由激光發(fā)生器發(fā)出的單色光，通過(guò)光纖傳導(dǎo)到特制透鏡上進(jìn)行聚焦，使光束聚焦在一點(diǎn)，并且集中對(duì)該點(diǎn)輸入熱量。由于激光束的這種特性，單位照射面積能量能夠達(dá)到107 W/cm2以上。在這種規(guī)模的熱輸入情況下，受熱金屬會(huì)因?yàn)闇囟人查g超過(guò)熔點(diǎn)而氣化，這些金屬蒸氣會(huì)在熔化的金屬中產(chǎn)生一個(gè)小孔，我們稱其為匙孔。由于匙孔的形狀呈細(xì)長(zhǎng)，所以在其形成之后，激光束會(huì)在匙孔內(nèi)壁發(fā)生多次反射，并被吸收，因而使得熔深增加。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，如果激光發(fā)生器發(fā)出的激光束波長(zhǎng)單一，沒(méi)有雜光，那么能量密度在4×106 W/cm2左右時(shí)就能產(chǎn)生這種匙孔[1]。激光焊接過(guò)程中，起加熱作用的激光光斑對(duì)試件進(jìn)行集中加熱，可以使工件在受最少熱輻射量的情況下就能達(dá)到焊接條件;可以避免由于焊件過(guò)度加熱而導(dǎo)致的變形。另外，激光焊接的加熱源是光斑，所以本質(zhì)上激光設(shè)備未與工件發(fā)生實(shí)質(zhì)性的接觸，因此在焊接的過(guò)程中就不存在電極污染、機(jī)具損耗等問(wèn)題。激光焊接過(guò)程中，由于激光的能量密度很高，所以金屬受激光照射到金屬發(fā)生熔化和氣化幾乎是在瞬時(shí)完成的，以至于由焊縫中心向周圍母材傳遞熱量的時(shí)間也很少，并且激光光斑尺寸也很小，從而使焊后熱影響區(qū)尺寸變小。經(jīng)研究表明，汽車車身板材的激光焊接熱影響區(qū)一般為1～2 mm[2]。

2 激光焊接的工藝參數(shù)

在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中激光焊接有以下幾個(gè)焊接工藝參數(shù)：

（1）焊接速度。焊接速度決定了激光焊接過(guò)程中，激光光斑在焊件上的停留時(shí)間，光斑行走速度小，每秒輻射能量大，將導(dǎo)致板材被穿透;光斑行走速度大，則會(huì)使熔深變淺，焊得不充分。因此，在實(shí)際使用過(guò)程中應(yīng)找到一個(gè)合理的焊接速度范圍。

（2）離焦量。在激光焊接中，離焦量是一個(gè)獨(dú)有且重要的參數(shù)，因?yàn)榧す馐峭ㄟ^(guò)透鏡將單色光進(jìn)行聚焦而獲得高能光斑的，所以激光有一個(gè)焦點(diǎn)，在焦點(diǎn)處，功率密度最大。然而實(shí)際應(yīng)用時(shí)會(huì)根據(jù)不同的條件，可以將待焊工件沿透鏡光軸方向偏移一段距離，偏移后工件在光軸方向與焦點(diǎn)的距離即為離焦量。經(jīng)研究表明，離焦量決定著匙孔的初始直徑、熔池的擴(kuò)展速度、焊點(diǎn)尺寸的大小[3]。

（3）激光功率。即激光的強(qiáng)度，它決定著待焊工件被加熱的速度，功率越大，被加熱速度越快，是一個(gè)比較重要的焊接熱輸入量參數(shù)。目前，大功率的激光設(shè)備在切割、打孔等加工中應(yīng)用的較多。

3 激光焊接的特點(diǎn)

（1）激光能在瞬間達(dá)到預(yù)定的能量密度，在焊接過(guò)程中能有效節(jié)約作業(yè)時(shí)間，提高了工件加工生產(chǎn)效率。其可集中加熱的特點(diǎn)使焊縫的熱影響區(qū)變得很小，適合焊接一些對(duì)溫度敏感的特殊材料;同時(shí)搭配惰性氣體保護(hù)裝置，可防止金屬氧化，從而獲得組織性能良好的焊縫。

（2）利用激光可反射和偏轉(zhuǎn)的特性，通過(guò)使用棱鏡或反射鏡將發(fā)射出來(lái)的激光束進(jìn)行偏轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)激光束在任何角度上的聚焦，利用光纖傳導(dǎo)，可以使激光到達(dá)普通焊接裝置難以到達(dá)的位置，這對(duì)加工過(guò)程中裝配環(huán)節(jié)的意義很大。

（3）激光束通過(guò)聚焦會(huì)獲得一個(gè)尺寸特別小的光斑，結(jié)合焊接機(jī)械手臂精準(zhǔn)的移動(dòng)定位，可以加工尺寸微小的精密工件，并且相對(duì)于傳統(tǒng)加工方法，生產(chǎn)效率有很大的提高。

（4）激光束可以同時(shí)分成多束次級(jí)激光，這些激光束可以同時(shí)對(duì)一個(gè)工件的各個(gè)部位進(jìn)行焊接加工，對(duì)焊接時(shí)的精度有很好的把控，為精密焊接創(chuàng)造了有力的條件和技術(shù)支持。

（5）激光焊接擁有很多明顯的優(yōu)勢(shì)，但也有自身的局限性，目前整套激光焊接設(shè)備的投資費(fèi)用較高，并且由于激光系統(tǒng)結(jié)構(gòu)很精密，所以日常維護(hù)費(fèi)用也比較高;在焊接時(shí)對(duì)裝配精度也有著一定的要求;其中焊接的最大厚度有限，也是目前激光焊接設(shè)備的一大短板。

參考文獻(xiàn)：

[1] 湯超. 不銹鋼車體激光焊接工藝研究[D]. 武漢：華中科技大學(xué)， 2012.

[2] 徐長(zhǎng)敏. 汽車用激光拼焊板成形性能研究[D]. 天津：天津大學(xué)， 2016.

[3] 許亞麗. 激光焊接技術(shù)[J]. 科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)， 2016（22）：59-60.