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1、第二单元 激光焊,2.1 激光焊概述 2.2 激光焊设备与工艺2.3 典型材料的激光焊 2.4 激光安全与防护,综合知识模块,2.1 激光焊概述,激光焊原理及特点 激光焊的分类 激光焊的应用,2.1 激光焊概述,激光焊（Laser 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焊接方法。与传统焊接方法相比，激光焊具有能量密度高、穿透深、精度高、适应性强等优点。,激光焊原理及特点,一、激光焊的原理二、激光焊的特点,激光焊原理及特点,激光是指激光活性物质（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。经透射或反射镜聚焦后可获得直径小
2、于0.01 mm、功率密度高达106l0l2W/cm2的能束，可用作焊接、切割及材料表面处理的热源。,激光焊原理及特点,激光焊 实质上是激光与非透明物质相互作用的过程，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。激光焊时，激光照射到被焊接件的表面，与其发生作用，一部分被反射，一部分进入焊件内部。,激光焊原理及特点,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。金属对激光的吸收率，主要与激光波长、金属的性质、温度、表面状况以及激光功率密度等因素有关。,激光焊原理及特点,材料的加热:吸收了光子而处于高能级的电子将在与其他电子的碰撞以及与晶格的互相作用中
3、进行能量的传递，光子的能量最终转化为晶格的热振动能，引起材料温度升高，改变材料表面及内部温度。,激光焊原理及特点,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。当功率密度大于106 W/cm2时，被焊材料会产生急剧的蒸发。,激光焊原理及特点,在连续激光深熔焊接时，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”。“小孔”类似于“黑洞”，有助于对光束能量的吸收。壁聚焦效应:激光束射入小孔中时，由于激光束聚焦后不是平行光束
4、，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，如图所示。,激光焊原理及特点,焊缝的形成:随着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,小孔和熔融金属流动的示意图,得到加速，在“小孔”后面的近表面处形成如图所示的熔流。“小孔”后方液态金属由于散热的结果，温度迅速降低，凝固，形成连续的焊缝。,激光焊原理及特点,激光焊的优点：聚焦后的激光束功率密度可达105 107Wcm2，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。,激光焊原理及特点,可获得深宽比大的焊缝，激光焊的
5、深宽比目前已超过12:1，焊接厚件时可不开坡口一次成型。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差异悬殊、尺寸和体积悬殊的工件间焊接；也可用于非金属材料的焊接，如陶瓷、有机玻璃等。,激光焊原理及特点,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激光和半导体激光可通过光导纤维传输，可达性好，适合于微型零件和远距离的焊接。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铍合金等剧毒材料。,激光焊原理及特点,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。,激光焊原理及特点,激光焊的缺点：激光焊难以焊接反射率较高的金属
6、；对焊件加工、组装、定位要求相对较高；设备一次性投资大。,激光焊的分类,按激光对工件的作用方式：脉冲激光焊和连续激光焊。,传热焊：功率密度小于105 W/cm2深熔焊：小孔焊，功率密度大于106 W/cm2,a）传热焊 b）深熔焊1-等离子云 2-熔化材料 3-小孔 4-熔深,激光焊的应用,激光焊的应用,2.2 激光焊设备与焊接工艺,激光焊设备激光焊工艺,激光焊设备,激光焊设备主要由激光器、光学系统、光速检测器、焊枪、工作台、电源及控制系统、气源、水源、操作盘、数控装置等组成。,激光焊设备,激光器激光器中工作物质的形态分有固体、流体和气体激光器。,激光焊设备,气体激光器：焊接和切割所用气体激光
7、器大多是CO2激光器，其工作气体主要成分是CO2、N2和He气体。CO2激光器的特点：输出功率范围大。能量转换功率大大高于固体激光器。CO2激光波长为10.6um，属于红外光，它可在空气中传播很远而衰减很小。,激光焊设备,CO2激光器的分类：根据结构形式可将热加工应用的CO2激光器分为以下四种：密闭式、横流式、轴流式和板条式。,激光焊设备,密闭式CO2激光器：其主体结构由玻璃管制成，放电管中充以CO2、N2和He的混合气体，在电极间加上直流高压电，通过混合气体辉光放电，激励CO2 分子产生激光，从窗口输出。,激光焊设备,横流式CO2激光器：其混合气体通过放电区流动，气体直接与换热器进行热交换，
8、因而冷却效果好，允许输入大的电功率，每米放电管的输出功率 可达23kW。,激光焊设备,快速轴流式CO2激光器：其主要特点是气体的流动方向和放电方向与激光束同轴。气体在放电管中以接近声速的速度流动，速度约为150m/s，每米放电管长度上可输 出5002000W 的激光功率。,激光焊设备,板条式CO2激光器：其主要特点是光束质量好，消耗气体少，运行可靠，免维护，运行费用低，目前板条式CO2激光器的输出功率已达3.5 kW。,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。,激光焊设备,激光焊设备,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
9、制系统对功率或能量进行控制。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。为了保证激光器稳定运行，一般采用快响应、恒稳性高的电子控制电源。,激光焊设备,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。,激光焊设备,激光焊设备的选用：微型件、精密件的焊接可选用小功率焊机；点焊可选用脉冲激光焊机，直径0.5mm以下金属丝与丝、丝与板（或薄膜）之间的点焊，特别是微米级细丝、箔膜的点焊
10、等则应选择小功率脉冲激光焊机。连续激光焊机特别是高功率连续激光焊机大多是CO2激光焊机，主要用于形成连续焊缝以及厚板的深熔焊。,激光焊工艺,一、激光焊的能源特性 功率密度 吸收率离焦量,一、激光焊的能源特性,功率密度：激光能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。功率密度较低时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；功率密度提高时，可产生热传导型熔化加热，用于薄板高速焊及精密点焊；功率密度进一步提高时，则产生熔孔型熔化，用于深熔焊。只须调节激光的功率密度，即能实现不同加工工艺的要求。,调整功率密度的主要方法有：调节输入激光器的能量；调节光斑尺寸，即激光束与金
11、属固体表面交叉面积的大小；改变光模形式，即改变光斑中能量的分布；改变脉冲宽度及前沿的梯度等。,一、激光焊的能源特性,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。金属的吸收率又与温度密切相关。光亮的金属表面对激光有很强的反射作用。,一、激光焊的能源特性,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，而且影响光束的入射方向，因而对熔深和焊缝形状有较大的影响。,一、激光焊的能源特性,二、脉冲激光焊工艺,脉冲激光焊时，每个激光脉冲在金属上形成一个焊点。焊件是由点焊或由点焊搭接成的
12、缝焊方式实现连接。加热斑点很小，因而主要用于微型、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），因而用于薄片（厚度小于0.1mm）、薄膜（几微米至几十微米）和金属丝（直径可小至0.02mm）的焊接。使焊点重合，还可以进行一些零件的封装焊。,脉冲激光焊的接头形式,2脉冲激光焊工艺参数,（1）脉冲能量和脉冲宽度 脉冲激光焊时，脉冲能量主要影响金属的熔化量，脉冲宽度则影响熔深。（2）功率密度Pd 激光焊接时焊点的直径和熔深由热传导所决定,三、连续CO2激光焊工艺,1.接头形式及装配要求 装配的精度要求很高。在实际应用中，CO2激光焊最常采用的接头形式是对接和搭
13、接。,（2）焊接速度 焊接速度影响焊缝的熔深和熔宽。,焊接速度（m/min）0.50.60.750.91.251.52.0,2连续激光焊的工艺参数,2连续激光焊的工艺参数,（1）激光功率激光功率是指激光器的输出功率，没有考虑导光和聚焦系统所引起的损失。连续工作的低功率激光器可在薄板上以低速产生有限传热焊缝。激光功率主要影响熔深。,（3）光斑直径 在入射功率一定的情况下，光斑尺寸决定了功率密度的大小。减小光斑直径比增加激光功率的效果更明显。,2连续激光焊的工艺参数,（4）离焦量 离焦量是工件表面至激光焦点的距离，以F 表示。,2连续激光焊的工艺参数,（5）保护气体,深熔焊时，保护气体有两个作用：
14、一是保护焊缝金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。,四、激光复合焊,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，其优点是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。,1激光电弧焊,激光焊接复合技术中应用较多的是激光-电弧复合焊接技术（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TIG复合焊接示意图,激光MIG复合焊接示意图,（1）有效利用激光能量母材处于固态时对激光的吸收率
15、很低，而熔化后对激光的吸收率可高达50%以上。采用复合焊接方法时，TIG或MIG电弧先将母材熔化，紧接着用激光照射，从而提高母材对激光的吸收率。,（2）增加熔深在电弧的作用下，母材熔化形成熔池，而激光则作用在已形成的熔池底部，加之液态金属对激光束的吸收率高，因而复合焊接较单纯激光焊接的熔深大。,（3）稳定电弧单独采用电弧焊时，焊接电弧有时不稳定，特别是在小电流情况下，当焊接速度提高到一定值时会引起电弧飘移，使焊接过程无法进行；而采用激光一电弧复合焊时，激光产生的等离子体有助于稳定电弧。,2激光高频焊,该方法是在高频焊管的同时，采用激光对熔焊处进行加热，使待焊件在整个焊缝厚度上的加热更均匀，有利
16、于进一步提高焊管的质量和生产率。,3激光压焊,该方法是将聚焦的激光束照射到被连接焊件的接合面上，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材料的连接。这样构成的焊接件不仅焊缝强度高，焊接速度也得到大幅度提高。,近年来，通过激光一电弧相互复合而诞生的复合焊接技术获得了长足的发展，在航空、军工等部分复杂构件上的应用日益受到重视。目前，激光与不同电弧的复合焊接技术已成为激光焊接领域发展的热点之一。,2.3 典型材料的激光焊,任何传统焊接方法能够焊接的材料也都能采用激光焊，而且在多数情况下，激
17、光焊接的质量更好、效率更高。许多黑色和有色金属的异种材料焊接可采用激光焊实现。,2.3 典型材料的激光焊,钢的激光焊有色金属的激光焊异种材料的激光焊,钢的激光焊,一、碳素钢和低合金钢的焊接 二、不锈钢的焊接 三、硅钢的焊接,一、碳素钢和低合金钢的焊接,1碳当量较低的钢激光焊接性较好（1）激光焊焊缝组织细小、热影响区窄。（2）从接头的硬度和显微组织的分布来看，激光焊有较高的硬度和较陡的硬度梯度，这表明可能有较大的应力集中出现。（3）激光焊热影响区的组织主要为低碳马氏体，由于焊接速度高、热输入小所造成的。（4）低合金钢激光焊时，焊缝中的有害杂质元素大大减少，产生了净化效应，提高了接头的韧性。,2碳
18、当量超过0.3%时，焊接的难度就会增加，冷裂敏感性增大，材料在疲劳和低温条件下的脆断倾向也随之增加。（1）预热或后热；（2）采用双光束焊接，一束聚焦，另一束散焦；（3）在保证熔深的条件下，尽量采用较低的功率和焊接速度。,3当高碳材料和低碳材料焊接时，采用偏置焊缝形势有利于限制马氏体的转变，减少裂纹的产生。4镇静钢和半镇静钢的激光焊接性能较好，因为材料在浇注前加入了硅、铝等脱氧剂，使钢中的含氧量降到很低程度。5硫、磷含量超过0.04%的钢激光焊接时易产生热裂纹。6对于搭接结构的镀锌钢，一般很难采用激光焊接。,二、不锈钢的焊接,不锈钢的激光焊接性能较好。奥氏体不锈钢的导热系数只有碳钢的1/3，吸收
19、率比碳钢略高。因此，奥氏体不锈钢能获得比普通碳钢稍微深一点的熔深（约深5%10%左右）。Cr-Ni系不锈钢激光焊时，材料具有很高的能量吸收率和熔化效率。,激光焊焊接铁素体不锈钢时，焊缝塑性和韧性比采用其他焊接方法时要高。不锈钢的激光焊，可用于核电站中不锈钢管、核燃料包等的焊接，也可用于化工等其他工业部门。,三、硅钢的焊接,硅钢片是一种应用广泛的电磁材料。硅钢的主要特点是含硅量高，焊接的主要问题是脆化。其产生原因是硅钢属于铁素体钢，用常规TIG焊时焊缝会生成粗大的铁素体柱状晶，而且热影响区晶粒长大也十分严重。焊缝和热影响区的粗晶脆化常常造成焊接接头在后序加工中断裂。,用CO2激光焊焊接硅钢薄板中
20、焊接性最差的Q112B高硅取向变压器钢（板厚0.35mm），能获得满意的结果。与TIG焊比较，激光焊接头的反复弯曲次数远大于TIG焊的次数。激光焊焊接接头的延性、韧性好的主要原因是由于焊接速度快、线能量小，因而焊缝和热影响区的晶粒比钨极氩弧焊细得多，从而防止了粗晶脆化的产生，且焊后不经过热处理即可满足生产上对其接头韧性的要求。,有色金属的激光焊,一、铝合金的激光焊 二、钛合金的激光焊 三、高温合金的激光焊,一、铝合金的激光焊,铝合金激光焊常采用深熔焊方式，焊接时的主要困难是它对激光束的高反射率和自身的高导热性。铝及铝合金激光焊时，随温度的升高，氢在铝中的溶解度急剧升高，焊缝中多存在气孔，深熔焊
21、时根部可能出现空洞，焊道成形较差。,采用激光焊接铝及铝合金时，除了能量密度的问题，还有三个很重要的问题需要解决：气孔、热裂纹和严重的焊缝不规则性。铝合金对激光的强烈反射作用，使焊接十分困难，必须采用高功率的激光器才能进行焊接。,二、钛合金的激光焊,钛合金具有高的比强度，良好的塑性及韧性，较高的抗腐蚀性，是一种优良的结构材料。钛元素化学性质活泼，对氧化很敏感，对由氧气、氢气、氮气和碳原子所引起的间隙脆化也很敏感，所以要特别注意接头的清洁和气体保护问题。,在进行钛合金激光焊时，接头正反面都必须施加惰性气体保护，气体保护范围须扩大到温度在400500的区域。,三、高温合金的激光焊,激光焊可以焊接各类
22、高温合金，包括电弧焊难以焊接的A1、Ti含量高的时效处理合金，而且都可获得性能良好的接头。用于高温合金焊接的激光发生器一般为脉冲激光器或连续CO2激光器，功率为150kW。激光焊用的保护气体，推荐采用氦气或氦气与少量氢的混合气体。,异种材料的激光焊,铜-镍、镍-钛、钛-铝、低碳钢-铜等异种金属在一定条件下均可进行激光焊接。激光还可以焊接陶瓷、玻璃、复合材料等。焊接陶瓷时需要预热以防止裂纹产生，一般预热到1500，然后在空气中进行焊接，通常采用长焦距的聚焦透镜；为了提高接头强度，也可填加焊丝。焊接金属基复合材料时，易产生脆性相，这些脆性相会导致裂纹以及降低接头强度。,2.4 激光安全与防护,激光
23、的危害激光的安全防护,激光的危害,焊接和切割中所用激光器输出功率或能量非常高，激光设备中又有数千伏至数万伏的高压激励电源，能对人体造成伤害。激光安全防护的重点对象是眼睛和皮肤。此外，也应注意防止火灾和电击等，否则将导致人身伤亡或其他一些危害极大的事故。,一、对眼睛的伤害,1受激光直接照射，会由于激光的加热效应引起烧伤，可瞬间使人致盲，危险最大，后果最严重。即使是数毫瓦的He-Ne激光，虽然功率小，但由于人眼的光学聚焦作用，也会引起眼底组织的损伤。,2在激光加工时由于工件表面对激光的反射，也会造成伤害。强反射的危险程度与直接照射相差无几，而漫反射光会对眼睛造成慢性损伤，造成视力下降的结果。因此在
24、激光加工时，人眼是应该重点保护的对象。,二、对皮肤的伤害,皮肤受到激光的直射会造成烧伤，特别是聚焦后激光功率密度十分大，伤害力更大，会造成严重烧伤。长时间受紫外、红外光漫反射的影响，可能导致皮肤老化、炎症和皮癌等病变。,三、其他方面,激光束直接照射或强反射会引起可燃物的燃烧导致火灾。激光焊时，材料受激烈加热而蒸发、汽化，产生各种有毒的金属烟尘。高功率激光加热时形成的等离子云会产生臭氧，对人体也有一定损害。长时间在激光环境中工作，会产生疲劳的感觉等。同时激光器中还存在着数千至数万伏特的高压，存在着电击的危险。,一、一般防护,1在激光加工设备上应设有明显的危险警告标志和信号，如“激光危险”、“高压危险”等。设备应有各种安全保护装置。2激光光路系统应尽可能全封闭。例如让激光在金属管中传递，以防直接照射的发生。激光光路如不能全封闭，则要求激光从人的高度以上通过，使光束避开眼，头等重要器官。激光加工工作台应用玻璃等屏蔽，防止反射光。3激光加工场地也应设有安全标志，并采用预防栅栏、隔墙，屏风等，防止无关人员误入危险区。,二、人身防护,1激光器现场操作和加工工作人员必须配备激光防护眼镜，穿白色工作服，以减少漫反射的影响；2只允许有经验的工作人员对激光器进行操作和进行激光加工。3焊接区应配备有效的通风或排风装置。,
