激光焊接是激光加工技术应用的重要方面之一,更是21世纪最受瞩目、最有发展前景的焊接技术。与传统焊接方法对比,激光焊接具有很多优势,焊接质量更高、效率更快。目前,激光焊接技术已广泛应用于制造业、粉末冶金、汽车工业、电子工业、生物医学等各个领域。
激光焊接原理
激光焊接属于熔融焊,以激光束作为焊接热源,其焊接原理是:通过特定的方法激励活性介质,使其在谐振腔中往返震荡,进而转化成受激辐射光束,当光束与工件相互接触时,其能量则被工件吸收,当温度高达材料的熔点时即可进行焊接。
按焊接熔池形成的机理划分,激光焊接有两种基本的焊接机理:热传导焊接和深熔(小孔)焊接。热传导焊接时产生的热量通过热传递扩散至工件内部,使焊缝表面熔化,基本不产生汽化现象,常用于低速薄壁构件的焊接。深熔焊使材料汽化,形成大量等离子体,由于热量较大,熔池前端会出现小孔现象。深熔焊能彻底焊透工件,且输入能量大、焊接速度快,是目前使用最广泛的激光焊接模式。

热导焊与深熔焊

热导传热与深熔焊传热
激光焊接主要工艺参数
影响激光焊接质量的工艺参数较多,如功率密度、激光脉冲波形、离焦量、焊接速度和辅助吹保护气等。
焊接功率五个重要参数
1、激光平均功率:实际输出的激光功率,大约等于注入平均电功率的2-3%。
2、脉冲宽度:单个脉冲的时间。
3、激光脉冲能量:指单个脉冲所输出的能量。由储能电容容量、电压和氙灯决定。这是一个重要的指标,在点焊的时候,单点能量的稳定性对激光焊接机的质量影响很大。
4、激光峰值功率:激光在实际出光时的瞬间功率。,激光峰值功率等于平均功率除以占空比。一般是几个千瓦的数量级。
5、脉冲频率:每秒钟内激光脉冲重复的次数。
激光功率:激光焊接中存在一个激光能量密度阈值,低于此值,熔深很浅,一旦达到或超过此值,熔深会大幅度提高。过大会引起飞溅增大甚至烧穿及塌陷。
功率密度是激光加工中最关键的参数之一。采用较高的功率密度,在微秒时间范围内,表层即可加热至沸点,产生大量汽化。因此,高功率密度对于材料去除加工,如打孔、切割、雕刻十分有利。对于较低功率密度,表层温度达到沸点需要经历数毫秒,在表层汽化前,底层达到熔点,易形成良好的熔融焊接。因此,在热传导型激光焊接中,功率密度范围在104-106W/cm2。
2激光脉冲波形
激光脉冲波形既是区别材料去除还是材料熔化的重要参数,也是决定加工设备体积及造价的关键参数。当高强度激光束射至材料表面,材料表面将会有60~90%的激光能量反射而损失掉,尤其是金、银、铜、铝、钛等材料反射强、传热快。一个激光脉冲讯号过程中,金属的反射率随时间而变化。当材料表面温度升高到熔点时,反射率会迅速下降,当表面处于熔化状态时,反射稳定于某一值

波形图
焊缝波形就是激光功率随时间变化的曲线,在材料要求密封焊接是尤为重要,由于外部行走机构从零开始加速到实际焊接速度,存在一定的时间,故需要缓升来匹配相应的焊接速度,在结尾时,为了避免出现凹坑,需要一个缓降过程来减小凹坑的程度,避免漏孔。
3激光脉冲宽度
脉宽是脉冲激光焊接的重要参数。脉宽由熔深与热影响分区确定,脉宽越长热影响区越大,熔深随脉宽的1/2 次方增加。但脉冲宽度的增大会降低峰值功率,因此增加脉冲宽度一般用于热传导焊接方式,形成的焊缝尺寸宽而浅,尤其适合薄板和厚板的搭接焊。但是,较低的峰值功率会导致多余的热输入,每种材料都有一个可使熔深达到最大的最佳脉冲宽度。
4离焦量
激光焊接通常需要一定的离焦量,因为激光焦点处光斑中心的功率密度过高,容易蒸发成孔。离开激光焦点的各平面上,功率密度分布相对均匀。
离焦方式有两种:
正离焦与负离焦。焦平面位于工件上方为正离焦,反之为负离焦。按几何光学理论,当正负离焦平面与焊接平面距离相等时,所对应平面上的功率密度近似相同,但实际上所获得的熔池形状有一定差异。负离焦时,可获得更大的熔深,这与熔池的形成过程有关。

5焊接速度
焊接速度决定了焊接表面质量、熔深、热影响区等。焊接速度的快慢会影响单位时间内的热输入量,焊接速度过慢,则热输入量过大,导致工件烧穿,焊接速度过快,则热输入量过小,造成工件焊不透。通常采用降低焊接速度的方法来改善熔深。
6辅助吹保护气