火狐体育首页进入:激光焊接基础原理讲解-共14页

　　激光拼焊（TailoredBla ndLaserWeld ing技术在国外轿车制造中得到普遍的应用,据统计,2019年全世界 内剪裁坯板激光拼焊生产线条，年产轿车构件拼 焊坯板7000万件，并继续以较高速度增长。国内生产 的引进车型Passat, Buick, Audi等也采用了一些剪裁坯板结构。日本以C02激光焊代替了闪光对焊进行制钢 业轧钢卷材的连接，在超薄板焊接的研究，如板厚100微米以下的箔片，无法熔焊，但 通过有特殊输出功率波形的YAG激光焊得以成功，显示了激光焊的广阔前途。日本 还在世界上首次成功开发了将YAG激光焊用于核反应堆中 蒸气发生器细管的维修 等,在国内苏宝蓉等还进行了齿轮的激光焊接技术。

　　学系统将激光束聚焦在很小的区 域内，在极短的时间内使被焊处形成一个能量高度 集中的热源区，从而使被焊物熔化并形成牢固的焊点和焊缝。

　　常用的激光焊接方式有两种：脉冲激光焊和连续激光焊。前者大多数都用在单点固 定连续和薄件材料的焊接。后者大多数都用在大厚件的焊接和切割。

　　本田和丰田汽车公司在制造车身覆 盖件中都使用了激光焊接和切割工艺，高强钢激 光焊接装配件因其性能优良在汽车车身制造中使用得慢慢的变多，根据美国金属市场 统计，至2019年底,激光焊接钢结构的消耗将达到70000t比2019年增加3倍。根据 汽车工业批量大、自动化程度高的特点，激光焊接设备向大功率、多路式方向发 展。在工艺方面美国Sandia国家实验室与PrattWitney联合进行在激光焊接过程中 添加粉末金属和金属丝的研究，德国不莱梅应用光束技术研究所在使用激光焊接铝 合金车身骨架方面做了大量的研究，认为在焊缝中添加填充余属有助于消除热裂 纹，提高焊接 速度,解决公差问题,开发的生产线已在奔驰公司的工厂投入生产。

　　这两种激光焊接机理，与功率密度、照射时间、材料性质、焊接方式等因素有 关。当功率密度较低、照射时 间较长而焊件较薄时，通常以传热溶化机理为主进 行。反之，则是以深穿入熔化机理为主进行

　　接薄壁材料和低速焊接，焊接过程属于热传导型，即激光辐射加热工件表面，表面热 量通过热传导向内部扩散，经过控制激光脉冲的宽度、能量、峰值功率和重复频率 等参数，使工件熔化，形成特定的熔池。由于激光焊接作为一种高质量、高精度、低 变形、高效率和高速度的焊接方法，随着高功率CO2和高功率的YAG激光器以及 光纤传输技术的完善、金属钼焊接聚束 物镜等的研制成功，使其在机械制造、航空 航天、汽车工业、粉末冶金、生物医学微电子行业等领域的应用越来越广。目前

　　激光焊接原理：激光焊接是将高强度的激光束辐射至金属表面，通过激光与金属 的相互作用，金属吸收激光转化为热能使金属熔化后冷却结晶形成焊接。激光焊接 的机理有两种：

　　当激光照射在材料表面时，一部分激光被反射，一部分被材料吸收，将光能转化为 热能而加热熔化，材料表面层的热以热传导的方式继续向材料深处传递，最后将两焊 件熔接在一起。

　　但电子束焊须在真空室或局部真空中进行。也可在空气中，但熔透能力比激光 焊差;(4激光焊和电子束焊，焊缝窄且热影响区小，因而变形最小。

　　采用大功率激光光束焊接时，因其单位体积内的包含的能量极高，被焊工件经受快速加热和冷却 的热循环作用，使得焊缝和 热影响区区域极窄，其硬度远高于母材，因此，该区域的 塑性相比来说较低。为降低接头区域的硬度，应采取焊 接前预热和焊后回火等相应的 工艺措施。激光回火是一种在激光焊后随即采用非聚焦的低单位体积内的包含的能量光束对焊道 进行多道扫描以此来降低焊缝硬度的新工艺。激光焊接金属及热影响区的组织和硬 度是由化学成分和冷却速度决定 的。在激光焊接中，现行焊接工艺一般不需要填充 金属。在这种情况下，焊缝的组织和硬度主要由钢板的化学成 分和激光照射条件来 决定。采用填充焊丝的激光焊接由于可以再一次进行选择任意合金成分的焊丝作为最佳的焊缝 过渡合金，因而能够保证两侧母材的联结具有最佳性能。可以对高熔点、高热导 率、物理性质差异较大的异种或同种金 属材料来焊接，能够获得无污染、杂质少 的焊缝。激光焊接加热速度快，焊接熔池迅速冷却，与普通的常规焊接在金相组织上 有着非常大的区别。

　　为了得到高能量密度、高指向性的激光，必须要有封闭光线的谐振腔，使观光束 在置于激光发生介质两侧的 反射镜之间往复振荡，进而提高光强，同时提高光的方向 性。含有钕（ND的YAG结晶体发生的激光是一种人眼看 不见的波长为1.064um的近红外光。这种光束在微弱的受激发情况下，也能实现连续发振。YAG晶体是宝 石钇铝石榴石的简称,具备优秀能力的光学特性，是最佳的激光发振用结晶体。

　　金材料的应用开辟了新的前景，如采用粉末冶金材料连接中常用的钎焊的方法焊接 金刚石，由于结合强度低，热影响区宽特别是不能适应高温及强度要求高而引起钎料 熔化脱落，采取了激光焊接能大大的提升焊接强度以及耐高温性能。

　　20世纪80年代后期,千瓦级激光成功应用于工业生产，而今激光焊接生产线已 大规模出现在汽车制造业，成为汽车制造业突出的成就之一。德国奥迪、奔驰、大 众、瑞典的沃尔沃等欧洲的汽车制造厂早在20世纪80年代就率先采取了激光焊接 车顶、车身、侧框等钣金焊接，90年代美国通用、福特和克莱斯勒公司竟相将激光 焊接引入汽车制造,尽管起步较晚，但发展很快。

　　H、可通过光纤实现远距离、普通方法难以达到的部位、多路同时或分时焊 接。

　　K、对带绝缘层的导体可直接进行焊接，对性能相差较大的异种金属也可焊 接。

　　对于大功率深熔焊由于在焊缝熔池处的熔化金属，由于材料的瞬时汽化而形成 深穿型的圆孔空腔，随着激光束与工件的相对运动使小孔周边金属不断熔化、流 动、封闭、凝固而形成连续焊缝，其焊缝形状深而窄，即具有较大的熔深熔宽比，在 高功率器件焊接时,深宽比可达5:1 ,最高可达10:1。四种焊法在316不锈钢及DUCOLW30钢上的焊缝截面形状的比较,对比的结论有以下几点:(1激光焊和电子 束焊比TIG和等离子焊的主要优点相似：焊缝窄、穿透深、焊缝两边平行、热影 响区小;(2TIG和等离子焊投资少,大范围的应用了许多年,经验比较多；(3激光焊和电子 束焊在高生产率方面优势大得多。

　　a、 单色性激光不是已许多不同的光混一合而成的，它是最纯的单色光（波 长、频率

　　的研究大多分布在于C02激光和YAG激光焊接各种金属材料时的理论，包括激光诱 发的等离子体的分光、 吸收、散射特性及激光焊接智能化控制、复合焊接、激 光焊接现象及小孔行为、焊接缺陷发生机理与防止方法 等,并对镍基耐热合金、铝 合金及镁合金的焊接性，焊接现象建模与数值模拟，钢铁材料、铜、铝合金与异种材 料的连接，激光接头性能评价等方面做了一定的研究。

　　当功率密度比较大的激光束照射到材料表面时，材料吸收光能转化为热能，材料 被加热熔化至汽化，产生大量的金属蒸汽，在蒸汽退出表面时产生的反作用力下，使熔 化的金属液体向四周排挤，形成凹坑，随着激光的继 续照射，凹坑穿人更深，当激光停 止照射后，凹坑周边的熔液回流，冷却凝固后将两焊件焊接在 一起。

　　生物组织的激光焊接始于20世纪70年代,Kli nk等及jain[ 13]用激光焊接输卵 管和血管的成功焊接及显示出来的优越性,使更多研究者尝试焊接各种生物组织，并 推广到其他组织的焊接。有关激光焊接神经方面目前国内外的研究大多分布在在激

　　光波长、剂量及其对功能恢复以及激光焊料的选择等方面的研究，刘铜军进行了激 光焊

　　接小血管及皮肤等基础研究的基础上又对大白鼠胆总管进行了焊接研究。激光 焊接方法与传统的缝合方法比较，激光焊接具有吻合速度快，愈合过程中没有异物反 应，保持焊接部位的机械性质，被修复组织按其原生物力学性状生长等优点将在以后 的生物医学中得到更广泛的应用。

　　在其他行业中，激光焊接也逐渐增加特别是在特种材料焊接中国内进行了许多 研究,如对BT20钛合金、HEI30合金、Li-ion电池等激光焊接,德国玻璃机械制造 商GlamacoCoswig公司与IFW接合技术与材料实验研究院合作 开发出了一种用于 平板玻璃的激光焊接新技术。

　　激光焊接在电子工业中，特别是微电子工业中得到了广泛的应用。由于激光焊 接热影响区小加热集中迅速、热应力低，因而正在集成电路与半导体器件壳体的封 装中,显示出独特的优越性，在真空器件研制中，激光焊接也得到了应用，如钼聚焦极 与不锈钢支持环、快热阴极灯丝组件等。传感器或温控器中的弹性薄壁波纹片其厚 度在0.05-0.1mm，采用传统焊接方法难以解决,TIG焊容易焊穿，等离子稳定性差，影 响因素多而采取了激光焊接效果很好,得到普遍的应用。

　　随着科学技术的持续不断的发展，许多工业技术上对材料特别的条件，应用冶铸方法制造 的材料已不能够满足需要。由于粉末冶金材料具备特殊的性能和制造优点，在某些领 域如汽车、飞机、工具刃具制造业中正在取代传统的冶铸材料,随着粉末冶金材料

　　的日益发展，它与其它零件的连接问题显得一天比一天突出，使粉末冶金材料的应用受到限 制。在八十年代初期，激光焊以其独特的优点进入粉末冶金材料加工领域，为粉末冶

　　激光一一受激辐射放大”是通过强光照射激光发生介质，使介质内部原子的电 子获得能量，受激而使电子 运动轨道发生迁移，由低能态变为高能态。处于激发态的 原子，受外界辐射感应,使处于激发态的原子跃迁到低 能态，同时发出一束光;这束光 在频率、相位、传播方向、偏振等方面和入射光完全一致，此时的光为受激辐射

　　传热溶化焊接是指当激光束照射到材料的表面上时，材料吸收光能而加热熔 化。材料表面层的热以传导方式继续向材料深处传递，直至将两个待焊件的接触面 互溶并焊接在一起。

　　深穿入熔化焊接是指当更大功率密度的激光束照射到材料上时，材料被加工熔 化以至气化，产生较大的蒸汽 压，在蒸汽的压力的作用下，溶化金属被挤在周围使照射 处（熔池呈现出一个凹坑，随着激光束的继续照射，凹坑越来越深,并穿入到另一个工 件中。激光停止照射后，被排挤在凹坑周围的溶化金属重新流回到凹坑里，凝固后将 工件焊接在一起。

　　C、短时间焊接，既对外界无热影响，又对材料本身的热变形及热影响区小，尤其 适合加工高熔点、高Βιβλιοθήκη Baidu度、

　　D、不需要填充金属、不需要真空环境（可在空气中直接进行、不会像电子束 那样在空气中产生X射线的危 险。

　　这两种焊接机理根据实际的材料性质和焊接需要来选择，通过调节激光的各焊 接工艺参数得到不同的焊接机 理。这两种方式最基本的不同之处在于：前者熔池表面保 持封闭，而后者熔池则被激光束穿透成孔。传导焊对系统的 扰动较小，因为激光束的 辐射没有穿透被焊材料，所以,在传导焊过程中焊缝不易被气体侵入；而深熔焊时，小 孔的不断关闭能导致气孔。传导焊和深熔焊方式也可以在同一焊接过程中相互转换 由传导方式向小孔方式的转变取决于施加于工件的峰值激光单位体积内的包含的能量和激光脉冲 维持的时间。激光脉冲单位体积内的包含的能量的时间依赖性能够使激光焊接 在激光与材料相互作 用期间由一种焊接方式向另一种方式转变，即在相互作用过程中焊缝可以先在传导 方式下形