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1、第二章 激光焊,教学目标： 1. 了解电子束焊接的原理、工艺特点、分类及应用范围； 2. 能够制定焊接工艺，熟悉基本操作方法与安全防护。,第一节 激光焊概述,激光焊（Laser Beam Welding，LBW）-是利用能量密度极高的激光束作为热源的一种高效精密的焊接方法。,与传统的焊接方法相比，激光焊具有能量密度高、穿透力强、精度高、适应性强等优点。作为现代高科技产物的激光焊，已成为现代工业发展必不可少的加工工艺。随着航空航天、电子、汽车制造、医疗及核工业的迅猛发展，产品零件结构形状越来越复杂，对材料性能的要求不断提高，对加工精度和接头质量的要求日益严格，同时企业对加工方法的生产效率、工作环
2、境的要求也越来越高，传统的焊接方法难以满足要求，以激光束为代表的高能束流焊接方法，日益得到重视并获得了广泛的应用。,一、激光焊原理及特点 （一）激光焊的原理,激光-指激光活性物质或称工作物质受到激励，产生辐射，通过光放大而产生一种单色性好、方向性强、光亮度高的光束。,激光经透射或反射镜聚焦后可获得直径小于 0.01mm 、功率密度高达1061012wcm2的能束，可用作焊接、切割及材料表面处理的热源。 激光焊实质上是激光与非透明物质相互作用的过程，这个过程极其复杂，微观上是一个量子过程，宏观上则表现为反射、吸收、加热、熔化、汽化等现象。,1.激光的反射与吸收,被反射,金属自由电子密度越大，即电
3、导率越大，对激光的反射率越高，金、银、铜、铝及其合金对激光的反射比其他金属材料要大得多。光亮的金属表面对激光有很强的反射作用。,被焊件吸收,激光焊的热效应取决于焊件吸收光束能量的程度，常用吸收率来表征。,影响激光吸收率的因素：,金属的性质、温度,金属对激光的吸收率随着温度的上升而增大，随着电阻率的增加而增大。室温时材料对激光的吸收率仅为10以下，而在熔点以上吸收率将急剧提高。,金属表面状态,金属表面状态（氧化膜、表面粗糙度、表面涂层等）对入射激光的吸收影响较大。金属表面存在氧化膜可显著增大对波长为10.6m激光的吸收率。金属表面越粗糙，对激光的吸收率越高。为增大激光吸收率，可对金属表面进行喷砂
4、处理，应用机械或化学方法对金属表面进行涂层，都可有效增大金属对激光的吸收率。,激光的波长,激光器辐射波长越短，金属的反射系数就越小，所吸收的光能就越多。,激光的功率密度,激光焊时，激光光斑的功率密度超过阈值（大于106Wcm2），光子轰击金属表面导致汽化，金属对激光的吸收率就会发生变化。当材料没有发生汽化时，不论处于固相还是液相，其对激光的吸收仅随表面温度的升高而有较慢的变化；一旦材料出现汽化，蒸发的金属形成等离子体，可防止剩余能量被金属反射掉。如果被焊金属具有良好的导热性能，则会得到较大的熔深，形成小孔，从而大幅度提高激光吸收率。,2材料的加热,激光光子,入射,金属晶体,光子与电子发生非弹性
5、碰撞,电子获得能量,电子由低能级跃迁到高能级,与其他电子碰撞以及与晶格的互相作用,光子的能量转化为晶格的热振动能,材料温度升高，材料表面及内部温度改变。,金属内部电子间互相碰撞时，每个电子两次碰撞间的平均时间间隔为 10-13s的数量级。,3材料的熔化及汽化 激光加工时，材料吸收的光能向热能的转换是在极短的时间（约为10-9s）内完成的。在这个时间内，热能仅仅局限于材料的激光辐射区，而后通过热传导，热量由高温区传向低温区。激光焊时，材料达到熔点所需的时间为微秒级。脉冲激光焊时，当材料表面吸收的功率密度为105wcm2时，达到沸点的时间为几毫秒。当功率密度大于106wcm2时，被焊材料会产生急剧
6、的蒸发。,在连续激光深熔焊接时，正是由于蒸发，蒸气压力和蒸气反作用力等能克服熔化金属表面张力以及液体金属静压力而形成“小孔”。形成的“小孔”类似于“黑洞”，它有助于对光束能量的吸收。另外，激光束射入小孔中时，显示出“壁聚焦效应”。由于激光束聚焦后不是平行光束，与孔壁间形成一定的入射角，激光束照射到孔壁上后，经多次反射而达到孔底，最终被完全吸收。,4焊缝的形成 激光焊过程中，工件和光束做相对运动，由于剧烈蒸发产生的表面张力使“小孔” 前沿的熔化金属沿某一角度得到加速，在“小孔”后面的近表面处形成如图22所示的熔流。此后，“小孔” 后方液态金属由于散热的结果，温度迅速降低，液态金属很快凝固，形成连
7、续的焊缝。,（二）激光焊的特点,1.优点,焊缝深宽比大,可获得深宽比大的焊缝，激光焊的深宽比目前已超过12：1，焊接厚件时可不开坡口一次成形。,可焊材料多,适宜于常规焊接方法难以焊接的材料，如难熔金属、热敏感性强的材料以及热物理性能、尺寸和体积差能殊的工件间焊接；也可用于非金属材料的焊接，如陶瓷、有机玻璃等。,功率密度高,聚焦后的激光束功率密度可达 105107w/cm2，甚至更高，加热速度快，热影响区窄，焊接应力和变形小，易于实现深熔焊和高速焊，特别适于精密焊接和微细焊接。,可达性好,可借助反射镜使光束达到一般焊接方法无法施焊的部位。YAG激光（钇铝石榴石固体激光器）和半导体激光可通过光导纤
8、维传输，可达性好，特别适合于微型零件和远距离的焊接。,不要求与焊缝区直接接触,可穿过透明介质对密闭容器内的工件进行焊接，如可焊接置于玻璃密封容器内的被铍合金等剧毒材料。,激光束不受电磁干扰，不存在X射线防护问题，也不需要真空保护。,2.激光焊的缺点： 1）激光焊难以焊接反射率较高的金属。 2）对焊件加工、组装、定位要求相对较高。 3）设备一次性投资大。,激光焊接的有力竞争对象是电子束焊接。与电子束焊相比，激光焊不需真空室，工件尺寸和形状等可以不受限制并易于实现加工自动化，不产生X射线，观察及对中方便。但电子束焊接比激光焊接能够获得更大的熔深，显然电子束焊对于厚板焊接更为有利。近年来，现代激光焊
9、接技术开始向厚大板、高适应性、高效率和低成本的方向发展。随着新材料、新结构的出现，激光焊接技术将逐步取代一些传统的焊接工艺，在工业生产中占据重要地位。,二、激光焊的分类,按激光对工件的作用方式,脉冲激光焊,连续激光焊,输入到工件上的能量是断续的、脉动的，每个激光脉冲在焊接过程中形成一个圆形焊点。,在焊接过程中形成一条连续的焊缝。,根据实际作用在工件上的功率密度,传热焊,深熔焊,功率密度小于 105wcm2,小孔焊，功率密度大于 106wcm2,根据实际作用在工件上的功率密度,传热焊,深熔焊,激光光斑的功率密度小于 105wcm2，焊接时，焊件表面将所吸收的激光能转变为热能后，其表面温度升高而熔
10、化，然后通过热传导方式把热能传向金属内部，使熔化区迅速扩大，随后冷却凝固形成焊点或焊缝，其熔池形状近似为半球形。这种焊接机理称为传热焊，焊接过程类似于钨极氩弧焊.传热焊的特点：激光光斑的功率密度小，很大一部分激光被金属表面所反射，激光的吸收率较低，熔深浅，焊点小，主要用于厚度小于1mm的薄板，小零件的精密焊接加工。,激光光斑的功率密度大于106wcm2，激光束照射金属表面其温度在极短的时间内（10-610-8s）升高到沸点，使金属熔化和汽化，金属蒸气对熔池的液态金属产生一个附加压力，在激光光斑下产生一个小凹坑。激光束在小孔底部继续加热，使小坑进一步加深，最后形成小孔；另一方面，向坑外逸出的蒸气
11、将熔化的金属挤向熔池四周。当光束能量所产生的金属蒸气的反冲压力与液态金属的表面张力和重力平衡后，小孔不再继续加深，形成一个深度稳定的孔而实现焊接，因此称之为激光深熔焊。,光斑功率密度很大时，所产生的小孔将贯穿整个板厚，形成深穿透焊缝（或焊点）。在连续激光焊时，小孔随着光束相对于工件而沿焊接方向前进。金属在小孔前方熔化，随后绕过小孔流向后方，冷却凝固形成焊缝。 深熔焊的激光束可深入到焊件内部，形成深宽比较大的焊缝。如果激光功率足够大而材料相对较薄，激光焊形成的小孔贯穿整个板厚且背面可以接收到部分激光，这种方法被称为激光小孔效应焊，即穿透焊。为了焊透，需要一定的激光功率，通常每焊透1mm的板厚，需
12、要激光功率 1kw。,三、激光焊的应用,近年来，多种新型高功率激光器在工业生产中陆续出现，使激光焊接技术对传统焊接工艺带来了巨大的冲击，激光焊接技术也开始朝着更加多样化、实用化及高效化的方向发展。如激光一钎焊、激光一电弧复合焊、激光一压焊等，进一步拓宽了激光焊的应用范围。,激光焊接技术在汽车行业的运用,激光焊接在汽车工业中最主要就是应用在汽车车身的焊 接和拼接坯板焊接上 。 拼接坯板大大降低了模具数量，增加了材料利用率，而且可以在强度要求不同的部位采用不同厚度的坯板，可以一次冲压成型，减轻了重量，提高了精度，还使得抗腐蚀性和安全性能都有大幅度提高，车身结构也大大简化。 采用激光焊接工艺使车身的
13、抗冲击性和抗疲劳性都可以得到显著改善，提高汽车的品质。 采用激光焊接几乎可以把所有不分厚度、牌号、种类、等级的材料焊接在一起，制成各种形状的零件，大大提高汽车设计的灵,奥迪A8的激光焊接,第二节 激光焊设备与焊接工艺,一、激光焊设备,激光器,光束传输,聚焦系统,焊枪,工作台,电源控制装置,气源,水源,操作盘,数控装置,（一）激光器,激光器是产生受激辐射光并将其放大的装置，是激光焊接设备的核心部分。,根据激光器中工作物质的形态不同：,固体激光器,液体激光器,气体激光器,由激光工作物质（红宝石、YAG或钛玻璃棒）、聚光器、谐振（全反射镜和输出窗口）、泵灯、电源及控制装置组成。,常用的是染料激光器，
14、采用有机染料为工作物质，利用不同的染料可以获得不同波长的激光（在可见光范围内）,He-Ne、CO2、Ar 激光器等，焊接和切割所用气体激光器大多是CO2激光器，其工作气体主要成分是CO2、N2和He气体。,半导体激光器,常用的有砷化钾激光器,YAG（钇铝石榴石）,焊接与切割用的激光器主要是固体激光器和 CO2气体激光器。极有发展前途的高功率半导体二极管激光器，随着其可靠性和使用寿命的提高及价格的降低，在某些焊接领域将替代YAG（钇铝石榴石）固体激光器和CO2气体激光器。,（二）光束传输及聚焦系统 光束传输及聚焦系统又称为外部光学系统，用于把激光束传输并聚焦到工件上。,反射镜用于改变光束的方向，
15、球面反射镜或透镜用来聚焦。在固体激光器中，常用光学玻璃制造反射镜和透镜。而对于 CO2激光焊设备，由于激光波长较长，常用钢或反射率高的金属制造反射镜，用GaAs（砷化镓）或ZnSe(硒化锌)制造透镜。透射式聚焦用于中、小功率的激光加工设备，而反射式聚焦用于大功率激光加工设备。,(三）光束检测器 光束检测器主要用于检测激光器的输出功率或输出能量，并通过控制系统对功率或能量进行控制。 （四）气源和电源 目前的CO2激光器采用CO2、N2、He(或Ar)混合气体作为工作介质，其体积配比为7：33：60。He、N2均为辅助气体，混合后的气体可提高输出功率510倍。但He气价格昂贵，选用时应考虑其成本。
16、为了保证激光器稳定运行，一般采用响应快、恒稳性高的电子控制电源。 （五）工作台和控制系统 伺服电动机驱动的工作台可供安放工件实现激光焊接或切割。激光焊的控制系统多采用数控系统。,二、激光焊工艺,（一）激光焊的能源特性 激光焊接是将光能转化为热能达到熔化工件实现焊接的。为了更好地应用激光焊，首先应掌握激光的能源特性。,功率密度,吸收率,离焦量,1功率密度,激光作用于固态金属表面时，按功率密度不同可产生三种不同加热状态。,无熔化加热,热传导型熔化加热,熔孔型熔化,功率密度较低，仅对表面产生无熔化的加热，这种状态用于表面热处理或钎焊,功率密度提高，可产生热传导型熔化加热，用于薄板高速焊及精密点焊,功
17、率密度进一步提高，产生熔孔型熔化，激光热源中心加热温度达到金属的沸点而形成等离子蒸气，用于深熔焊,调整功率密度的主要方法有： 1）调节输入激光器的能量。 2）调节光斑尺寸，即激光束与金属固体表面交叉面积的大小。 3）改变光模形式，即改变光斑中能量的分布。 4）改变脉冲宽度及前沿的梯度等。,2吸收率 激光焊接的热效应取决于工件吸收光束能量的程度，常用吸收率来表征。,影响金属的吸收率的因素：,温度,材料表面状态,活性气体的使用,室温时材料对激光能的吸收率最高为20，温度提高时，反射率降低。在熔点以上，金属汽化，形成小孔以后，对光束的吸收率将急剧增加。不同金属达到其沸点所需的功率密度也不同，如钨达到
18、沸点时所需功率密度为 1010wm2，铝则为 109wm2，碳素结构钢和不锈钢需超过 108wm2。,光亮的金属表面对激光有很强的反射作用，增加表面粗糙度或形成高吸收率薄膜可减少激光反射损失，如纯铝原始表面的吸收率为7，电解抛光后降为5，喷砂后升为20，表面有氧化层时为22。,使用活性气体也能增加材料对激光的吸收率，实验表明，在保护气体He中添加 10的氧，可使熔深增加一倍。,此外材料的热导率、激光波长、入射角等对吸收率均有一定影响。,3离焦量 离焦量是工件表面离激光焦点的距离。,工件表面在焦点以内时为负离焦，与焦点的距离为负离焦量；反之为正离焦。离焦量不仅影响工件表面激光光斑的大小，而且影响
19、光束的入射方向，因而对熔深和焊缝形状有较大的影响。,（二）脉冲激光焊工艺,脉冲激光焊时，每个激光脉冲在焊件上形成一个焊点。焊件是由点焊或由点焊搭接成的缝焊方式实现连接的。由于其加热斑点很小，主要用于微型、精密元件和一些微电子元件的焊接。,1接头形式 脉冲激光焊加热斑点微小，约微米数量级，因而用于厚度小至0.1mm的薄片、几微米至几十微米的薄膜和直径可小至0.02mm金属丝的焊接。如果使焊点重合，还可以进行零件的封装焊。,2.脉冲激光焊工艺参数,脉冲能量和脉冲宽度,功率密度Pd,脉冲能量主要影响金属的熔化量，脉冲宽度则影响熔深。脉冲能量一定时，脉冲加宽，熔深逐渐 增加，当脉冲宽度超过某一临界值时
20、，熔深反而 下降，即不同材料各有一个最佳脉冲宽度使焊接时 熔深最大。,激光焊接时焊点的直径和熔深由热传导所决定，当功率密度达到106wcm2，焊接过程中将产生小孔效应，形成深宽比大于1的深熔焊点，这时金属虽有少量蒸发，并不影响焊点的形成。但功率密度过大后，金属蒸发剧烈，导致汽化金属过多，在焊点中形成一个不能被液态金属填满的小孔，不能形成牢固焊点。通常板厚一定时，焊接所需功率密度也一定，功率密度随着焊接厚度增加而增加。,由于脉冲激光焊加热过程通常以毫秒计，光斑直径仅数十至数百微米，焊点定位误差不超过数十微米，焊接热影响区仅数十微米，因此，脉冲激光焊时，焊缝周围几乎没有温升，焊接变形极小，特别适合
21、于微电子元器件及仪器仪表制造业。,其中卷边角接头的刚性最好，焊接时，如工艺参数适当，熔化金属正好填满间隙，内角外缘双面成形。这种接头既省工又省料，在家用电器金属壳体的制造中常用。而叉形接头因熔池正好在焊件两边吻合处形成，并成小夹角以便更好的汇集激光能量，施焊中需稍加压力，但装配必须良好。,为了获得成形良好的焊缝，焊前必须将焊件装配良好。尽管焊接变形较小，但为了确保焊接过程中焊件间的相对位置不变，最好采用适当的方式装夹定位。,2.连续激光焊工艺参数,激光功率,焊接速度,激光功率主要影响熔深。当光斑直径一定时，熔深随着激光功率的提高而增加。,焊接速度影响焊缝的熔深和熔宽。深熔焊时，熔深与焊接速度成
22、反比。在给定材料、给定功率条件下对一定厚度范围的焊件进行焊接时，有一最佳的焊接速度范围与其对应。如果焊速过高，会导致焊不透；但若焊接速度过低，又会使材料过度熔化，熔宽急剧增大，甚至导致烧损和焊穿。,光斑直径,功率一定时，光斑尺寸决定了功率密度的大小。深熔焊时，激光焦点上的功率密度必须大于106wcm2。提高功率密度途径：一是提高激光功率；二是减小光斑直径。由于功率密度与激光功率之间是线性关系，但与光斑直径的平方成反比，因此减小光斑直径比增加激光功率的效果更明显,离焦量,调节离焦量F可以在光束的某一截面选择一光斑直径使其能量密度适合于焊接。,保护气体,深熔焊时，保护气体有两个作用：一是保护焊缝金
23、属免受有害气体的侵袭，防止氧化污染；二是抑制等离子体的负面效应。保护气体多用氩或氦气。,（四）激光复合焊,激光一电弧复合焊,（也称为电弧辅助激光焊接技术），主要目的是有效地利用电弧能量，在较小的激光功率条件下获得较大的熔深，同时提高激光焊接对接头间隙的适应性，降低激光焊的装配精度，实现高效率、高质量的焊接过程。,激光复合焊接技术是指将激光与其他焊接方法组合起来的集约式焊接技术，能充分发挥每种焊接方法的优点并克服某些不足，从而形成一种高效的热源。例如，由于高功率激光焊设备的价格较昂贵，当对厚板进行深熔、高速焊接时，可将小功率的激光器与常规的气体保护焊结合起来进行复合焊接，如激光一TIG和激光一MIG等。,激光一高频复合焊,在高频焊管的同时，采用激光对接合处进行加热，使待焊件在整个焊缝厚度上的加热更均匀，有利于进一步提高焊管的质量和生产率。,激光一压力复合焊,将聚焦的激光束照射到被焊件的接合面上，利用材料表面对垂直偏振光的高反射将激光导向焊接区，由于接头特定的几何形状，激光能量在焊接区被完全吸收，使焊件表层的金属加热或熔化，然后在压力的作用下实现焊接。采用激光一压力复合焊。不仅接头强度高，焊接速度决，生产效率也得到大幅度提高。,
