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激光焊接技術培訓教程NWE技術研發程剛2003.031課程目录1.前言2.激光的特點3.激光焊设备4.激光焊原理及过程5.脉冲激光焊6.激光深熔焊接7.激光焊接的安全防护2前言激光焊是70年代发展起来的焊接新技术它以高能量密度的激光作为热源对金属进行熔化形成焊接接头与一般焊接方法相比激光焊有下面的特点1.聚焦后的激光具有很高的功率密度2.由于激光加热范围小在同功率各焊接厚度条件下焊接速度高3.激光焊残余应力和变形小4.可以焊接一般焊接方法难以焊接的材料如高熔点的材料以及非金属材料5.一台激光器可以供多个工作台进行不同的工作既可以用于焊接又可以用于切割合金化和热处理一机多用。3与电子束焊相比激光焊最大的特点是不需要真空室不产生X射线。它的不足之处在于焊接厚度比电子束焊小焊接一些高反射率的金属还比较困难。根据所用激光器及其工作方式的不同激光焊分为连续激光焊和脉冲激光焊两种。前者形成一条连续焊缝后者焊接时开成一个个圆形焊点。4尤其是对YAG激光，由于可用光纤传输，给加工带来了极大的方便。其主要特点是：一机多用。采用一台激光机可进行多工位（可达6个）加工。光纤长度最长可达60m。开放式的控制接口。具有远距离诊断功能。5激光的特点1.亮度高激光是世界上最亮的光2.方向性好接近于理想的平行光3.单色性好激光为单色光6激光焊设备126485793整套的激光焊设备主要包括激光器光学偏转聚焦系统光束检测器工件台和控制系统。激光焊接設備的組成1.激光器2.光學系統3.激光加工機4.輻射參數傳感器5.工藝介質輸送系統6.工藝參數傳感器7.控製系統8.準直用He-Ne激光器9.工件7激光器1.固体激光器2.气体激光器A.封闭式或半封闭式CO2激光器B.横流式CO2激光器C.快速轴流式CO2激光器83.激光模式激光器输出光束的模式是指光束横断面上的能量分布情况。模式与光束的聚焦特性密切相关。模式越低聚集后的光点愈小功率密度越大。对切割和焊接要求激光器输出基模或低阶模。9光束偏转及聚焦系统如图是两种激光偏转和聚焦系统的示意图。反射镜用于改变光束的方向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向镜和透镜。而对于C02激光焊机由于激光波长长常用铜或反向率高的金属制造反射镜.透射式聚焦用于中小功率的激光加工机。而反射式聚焦用于大功率激光加工设备。10光束检测器光束检测器有两个作用一是可随时监测激光器的输出功率二是可以检测激光束横断面上的能量分布以确定激光器的输出模式。大多数光束检测器只有第一个作用所称为激光功率计。11光束检测器工作原理电机带动旋转反射针高速旋转当激光束通过反射针的旋转轨迹时一部分激光被针上的反射面所反射通过锗透镜衰减后聚焦落在红外激光探头上探头将光信号转变为电信号由信号放大电路放大通过数字毫伏表读数。由于探头给出的电信号与所检测到的激光能量成正比因此数字毫伏表的读数与激光功率成比例它所显示的电压大小就与激光功率的大小一一对应。121.)材料的性质温度和激光波长金属对激光的吸收率随波长的增加而减少随温度的上升而增加随电阻率的增加而增加。CO2激光由于波长较大所以焊接一些高电导率材料如Cu,Hg和Au时比较困難。影响金属材料对激光吸收的因素13激光焊原理及过程一、金属材料对激光的吸收1.吸收过程激光焊接时激光照射到金属表面与金属发生相互作用这个过程可用下面的描述金属中的自由电子吸收光子导子温度升高然后通过振动将能量传递给金属离子金属温度升高光能变为热能整个过程在10-9s内完成。14材料的表面状态原始表面电解拋喷 砂阳极氧化纯铝7%5%20%22%5456铝 合金5-11%4%22%27%上表是铝及铝合金表面状况对CO2激光吸收率的影响。为了提高焊接效率希望材料表面对激光有较大的吸收率这可以通过改变材料的表面状况实现。如喷砂氧化等。15非金属材料的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见图标通常采用长焦距的聚焦透镜。为了提高接头强度也可添加焊丝。16陶瓷激光焊接示意圖17激光焊原理激光焊随激光器输出能量方式不同分为脉冲激光点焊和連续激光焊。据聚焦后光斑上的功率密度的不同激光又可分为熔化焊和小孔焊两种。1.熔化焊在激光光斑上的功率密度不高的情况下金属材料的表面在加不会超过其沸点。所收的激光能转变为热能后通过热传导将工件熔化其熔深轮廓近似为半球形。这种传热熔化焊过程类似于非熔化极电弧焊。18小孔焊1.当激光光斑上的功率足够大时金属在激光的照射下被迅速加热其表面温度在极短的时间内升高到沸点金属发生气化。金属蒸气以一定的速度离开熔池表面。产生一个附加压力反作用于熔化的金属使其向下凹陷在激光光斑下产生一个小凹坑。随着加热过程的进行激光可直接射入坑底形成一个细长的”小孔”。19当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深入。光斑功率密度很大进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是随着光束相对于工件而沿焊接方向前进的。金属在小孔前方熔化绕过小孔流向后方后重新凝固形成焊缝。202024/1/31 周三21激光焊过程中的等离子云激光是光又是一种电磁波在加热金属时产生两种现象第一金属被激光加热气化后在熔池上方形成高温金属蒸气云当激光功率密度很大时高温金属蒸气将在电磁场的作用下发生离解形成等离子體。二是焊接时施加的保护气在高功率密度激光的作用下也能离解形成等离子云。因此等离子云的产生有关。而且與被焊金屬的性質及保護氣有關。22等离子云对焊接过程的影响激光焊接时产生的等离子云对焊接过程产生不利影响位于熔池上方的等离子云对激光的吸收系数很大它相当于一种屏蔽吸收部分激光使金属表面得到的激光能量减少焊接熔深减小焊缝表面增宽形成”图钉”状焊缝而且焊接过程不稳定。23抑制等离子云的方法为了获得成形良好的焊缝和增加焊接熔深激光焊接过程中必须采取措施抑制等离子云。焊接中克服等离子云影响的最常规方法是通过喷嘴对熔池表面喷吹惰性气体。可以利用气体的机械吹力驱除等离子云使其偏离熔池上方。还可以利用较低温度的气体降低熔池上方高温气体的温度抑制产生等离子云的高温条件。24其它方法还有下面几种采用高频脉冲焊使每个激光脉冲的加热时间少于等离子云形成的时间(约0.5mm)则等离子云未生成焊接加热已结束采用高速焊或较短波长的激光进行焊接对减轻等离子云对焊接过程的干扰也有一定作用。25脉冲激光焊脉冲激光焊类似点焊每一激光脉冲在金属上形成一个焊点主要用于微型精密组件和一些微电子组件的焊接。26激光焊接工艺1.接头型式及装配要求傳統焊接方法中的絕大部分的接頭形式都適合激光焊接所不同的是由於聚焦後的光束直徑很小因而對裝配的精度要求高。在實際應用中激光焊最常采用的接頭形式是對接和搭接。27對接時裝配間隙應小於材料厚度的15零件間的錯位和不平度大於25如圖。另外由於激光焊接時一般不加填料所以對接間隙還直接影響著焊縫的凹陷程度。搭接時裝配間隙應小於板材厚度的25如圖。如果裝配間隙過大會造成上面工件的燒穿。當焊接不同厚度的工件時應將薄件置於厚件之上。28對接接頭搭接接頭疊接接頭釘狀接頭激光焊接接頭形式29卷邊對接接頭單卷邊角接頭T型接頭吻焊接頭激焊接接頭形式30激光焊参数及其对熔深的影响(1)激光功率P通常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。31(2)焊接速度在焊接速度较高时随焊速增加其熔深减小的速度与电子束焊的相近。但降低焊速到一定值后熔深增加速度远比电子束焊的小。因此在较高速度下焊接可更大地发挥激光焊的优点。32(3)光斑直径为了进行深熔焊(小孔焊)焊接时激光焦点上的功率密度必须大于106W/cm2。要提高功率密度有两个途径一可以提高功率二可以减小光斑直径d。由于功率密度与前者之间仅是线性关系但与直径的平方成反比因此减小光斑直径比增加功率有效得多。33(4)、离焦量F离焦量是工件表面离激光焦点的距离以F表示。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。反之为下离焦F0.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影响。熔深随F的变化有一个跳跃性变化过程在F很大的地方熔深很小属于传热熔化焊当F减小到某一值后熔深发生跳跃性增加此处标志着小孔产生。34保护气体激光焊中使用的保护气体除了具有保护焊缝金属不受有害气体的侵袭以外还有抑制激光焊过程中产生的等离子云的作用因而它对熔深也有一定的影响。He具有优良的保护和抑制等离子云的效果焊接时熔深较大如果在He里加少量Ar或O2可进一步提高熔深所以在国外广泛使用He作为激光焊保护气。35Ar作为保护气熔深最小主要原因是它的电离能太低容易离解。气体流量也有一些影响流量太小则不足以驱除熔池上方的等离子云因此熔深是随气体流量的增加而增加的。但过大的气流容易造成焊缝表面凹陷特别是簿板焊接时过大的压力会吹落熔池金属而形成穿孔。36激光焊接的安全防护一.激光辐射的危害激光辐射眼睛或皮肤时如果超过了人体的最大允照射量时就会导致组织损伤。损伤的效应有三种热效应光压效应和光化学效应。最大允许照射量与波长脉宽照射时间等有关而主要的损伤机理与照射时间有关。照射时间为纳秒和亚纳秒时主要是光压效应照射时间为100ms至几秒时主要为热效应照射时间超过100ms时主要为光化学效应。371.对眼睛的危害当眼睛受到过量照射时视网膜会烧伤引起视力下降甚至会导致视力丧失。2.对皮肤的危害当脉冲激光的能量密度接近几焦耳每平方厘米或连续激光的功率密达到0.5W/cm2时皮肤就可能遭到严重的损伤。38激光危害的个人防护即使激光加工系统被完全封闭工作人员亦有接触意外反射激光或散射激光的可能性所以个人护也不能忽视。1.激光防护眼镜它能选择性地衰减特定波长的激光并尽可能透过非防护波段的可见辐射。2.激光防护面罩实际上是带有激光防护眼镜的面盔主要用于防紫外激光。393.激光防护手套工作人员的双手最易受到过量的激光照射特别是高功率。高能量激光的意外照射对双手的威胁很大。4.激光防护服防护服由耐火及耐热材料制成。402024/1/31 周三41