激光焊接的特征

唱麗麗 王虹 杭爭翔 常云龍 邢飛

摘 要：本文首先對(duì)光的波長和用途，特別是對(duì)激光的波長和用途作了較詳細(xì)的說明。在激光焊接方面，以激光焊接熱源—激光器，以及其輸出特性—光束質(zhì)量入手，來闡述不同種類的激光在不同輸出功率下輸出的光束質(zhì)量的特性，緊接著結(jié)合實(shí)例對(duì)激光焊接的幾大接特性以及激光焊接時(shí)容易出現(xiàn)的問題及解決方法進(jìn)行了論述。最后闡述了激光焊接的發(fā)展前景。激光焊接特性和激光焊接工藝有緊密的聯(lián)系，掌握了激光焊接特性、制定了良好的激光焊接工藝過程才能夠?qū)崿F(xiàn)良好的焊接質(zhì)量，所以對(duì)激光焊接特性的研究有很重要的意義。

關(guān)鍵詞：激光焊接特性；光纖激光器；半導(dǎo)體激光器；碟片激光器

Characteristics of Laser Welding

XU Guojian1 WANG Hong1 CHANG Lili1 HANG Zhengxiang1 CHANG Yunlong1 XING Fei2

1School of Materials Science and Engineering， Shenyang University of Technology， No.111， Shenliao West Road，

Economic & Technological Development Zone， Shenyang 110178， CHINA， xuguojian1959@hotmail.com

2Shenyang Siasun Robot & Automation CO.， LTD.， NO.16 JinHui Street， HunNan New District， ShenYang 110168， P.P.China， xingfei@siasun.com

Abstract： In the first place， the article illustrated the wavelength and application of light ，especially illustrated the wavelength and application of laser in details. In the laser welding， firstly introduced laser welding heat—Laser， and its characteristics of output—BPP（Beam Parameter Product）. Secondly， expounded the different kinds characteristics of output—BPP under the different output power. Then based on the several examples of laser welding， elabrated the characteristics of laser welding technology， the problems which is easy to appear during the laser welding and its solving methods. Finally， briefly summarize its development potential.There is a closed relationship between the characteristics of Laser welding and its procedure，therefore， mastered the characteristics of laser welding， established good laser welding process， we could achieve a good welding quality。

Key words： laser welding characteristics； fiber laser； diode laser； disc laser

項(xiàng)目名稱：遼寧增材制造產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院建設(shè)

項(xiàng)目編號(hào)：17-500-8-05

1.前言

激光是一種電磁波，由于它具有許多自身特殊的性質(zhì)，所以在工業(yè)領(lǐng)域正在被廣泛地應(yīng)用。根據(jù)電磁波的波長、名稱、激光種類和特征用途，大致歸納總結(jié)如表1所示[1]。

激光是通過人工增幅產(chǎn)生的，不是在自然界中自然形成的，它是由美國的C.H. Townes及T. H. Maiman等科學(xué)家在1960年開發(fā)出來的[2]。因此，激光的語源是英語的LASER，即Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation （受激輻射的光放大）的縮寫。

從T. H. Maiman科學(xué)家們?cè)?960年發(fā)明了紅寶石激光及A. Javan科學(xué)家們發(fā)明了He-Ne激光以來，經(jīng)過10多年后，先進(jìn)工業(yè)國家從70年代開始出現(xiàn)了利用激光加工技術(shù)的“光產(chǎn)業(yè)工業(yè)”，并隨著時(shí)代的發(fā)展大約經(jīng)歷了45年的時(shí)間其規(guī)模越來越大。例如美國GM公司在1971年利用CO2激光切割點(diǎn)火線圈用絕緣紙。在日本，1983年光產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域的生產(chǎn)額約4667億日元，1989年光產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域的生產(chǎn)額達(dá)到了約2兆860億日元，2005年光產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域的生產(chǎn)額超過了10兆日元，在經(jīng)濟(jì)泡沫的不好時(shí)期仍然保持著正增長的趨勢。

隨著激光技術(shù)的不斷發(fā)展，激光作為一種新型的能源在焊接方面也被廣泛的應(yīng)用。許多過去認(rèn)為不可能實(shí)現(xiàn)的任務(wù)，激光能夠很好的做到。激光焊接之所以能夠在各個(gè)行業(yè)如火如荼地發(fā)展起來，是因?yàn)樗哂幸幌盗衅渌附臃椒ú豢商娲奶匦訹2-16]。

2.激光焊接特性

隨著激光焊接技術(shù)日益成熟，其應(yīng)用范圍也越來越廣。以最為代表性的汽車行業(yè)而言，汽車車身的遠(yuǎn)程激光焊接、汽車零部件的激光—電弧復(fù)合焊接、激光釬焊等已經(jīng)正在替代傳統(tǒng)的焊接技術(shù)。激光焊接技術(shù)之所以被人們認(rèn)可，是因?yàn)榧す夂附优c電弧焊、電阻焊等這些的焊接熱源比較具有很多特性。

2.1激光束的聚焦直徑小、能量密度高、焊接精度以及焊接效率非常高、能夠?qū)崿F(xiàn)高熔點(diǎn)材料的焊接

用于激光焊接和切割的能量密度高。普通電弧及等離子弧的熱源能量密度為0.2～1.0 kW/mm2，YAG激光的能量密度為14～16 kW/mm2、半導(dǎo)體激光為32 kW/mm2、碟片激光為96 kW/mm2、光纖激光為159 kW/mm2，激光的能量密度遠(yuǎn)高于電弧及等離子弧熱源的能量密度。另外，額定功率300 W單模的FBL激光能達(dá)到了4，718 kW/mm2的超高能量密度，在如此高的能量密度下，可以想象完全改變了以往加工特性的理念[6]。

一般情況下，10 kW的光纖激光接合速度相當(dāng)于60 kW的電子束焊接的接合速度，達(dá)到了極高加工能力。這是因?yàn)楣饫w激光的光束質(zhì)量好而使焦點(diǎn)處的光束直徑比電子束直徑還小?？梢灶A(yù)見在將來的焊接領(lǐng)域，將會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)大激光焊接的應(yīng)用范圍。到2008年底，日本約有100臺(tái)以上的高輸出光纖激光器用于生產(chǎn)及科研等領(lǐng)域[7]。

2.2 激光可以用光纖傳導(dǎo)、容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化

除CO2激光外，YAG激光、光纖激光、半導(dǎo)體激光及碟片激光等是可以用光纖傳導(dǎo)的。用光纖傳導(dǎo)激光束的特點(diǎn)是，在傳送的過程中激光的能量損失很小，并能傳送到很遠(yuǎn)的地方。所以，在加工的時(shí)候，可以將激光器放置于與焊接工位有一定距離地場所，容易實(shí)現(xiàn)焊接的自動(dòng)化和柔性加工。與電弧焊和電阻焊相比較，更易于控制、實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化及容易應(yīng)用于自動(dòng)生產(chǎn)線中。

2.3 熱輸入小、冷卻速度及凝固速度快， 從小部件到大部件都可以焊接

由于激光焊接熱輸入小、冷卻速度及凝固速度快，所以焊接熱影響區(qū)小，顯微組織微細(xì)化。

焊接條件為激光輸出功率300 W及焊接速度40 m/min。在上述的焊接條件下，獲得了焊縫寬度極窄（50～60μm）且成型美觀的焊縫。

通過激光種類的選擇、激光輸出功率的調(diào)節(jié)及激光加工頭研發(fā)等，能夠?qū)崿F(xiàn)從小部件的微細(xì)焊接到大型結(jié)構(gòu)件的拼裝焊接。使用光纖直徑14μm的單模光纖激光，在激光輸出功率200W， 焊接速度80m/min的條件下，對(duì)板厚為100μm的3枚銅合金進(jìn)行搭接激光焊接，在超高焊接速度的條件下仍能獲得美觀的焊縫成型[9-10]。

2.4激光的吸收特性與材質(zhì)、光波長及溫度的關(guān)系

對(duì)于所有材料而言，波長越長則吸收率越低，而反射率越高；波長越短則吸收率越高，而反射率越低。另外，母材的溫度越高對(duì)光的吸收率也越高[11-12]。

2.5 等離子體的對(duì)激光焊接的影響

在激光焊接過程中，由于激光束的能量密度高，所以金屬蒸氣和周圍氣體極易被電離而產(chǎn)生等離子體，其溫度大約為8000～15000 K。等離子體中電子吸收激光束能量后將被加速，進(jìn)一步增強(qiáng)與原子和分子的撞擊能量，使等離子體產(chǎn)生量進(jìn)一步增加，也使等離子體溫度進(jìn)一步上升。由于等離子吸收激光束能量，所以大量產(chǎn)生等離子體時(shí)，勢必影響熔深。所以對(duì)等離子體必須采用有效措施進(jìn)行消除。另外，由于等離子體產(chǎn)生于工件的表面，所以等離子體主要加熱母材的表面，容易使焊縫表面寬度增加[13]。

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