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激光焊接的优缺点及应用

桐城新闻网  2020-01-07 03:41:32

随着科学技术的发展,近年来出现了激光焊接。那么什么是激光焊接呢?激光焊接的特点与优点又有哪些呢?


下图是激光焊接的工作原理:


激光焊接的优缺点及应用


首先,什么是激光?世界上的第一个于1960年利用闪光灯泡激发红宝石晶粒所产生,因受限于晶体的热容量,只能产生很短暂的脉冲光束且频率很低。虽然瞬间脉冲峰值能量可高达106瓦,但仍属于低能量输出。


激光焊接的优势


(1)可将入热量降到最低的需要量,热影响区金相变化范围小,且因热传导所导致的变形亦最低。


(2)32mm板厚单道焊接的焊接工艺参数业经检定合格,可降低厚板焊接所需的时间甚至可省掉填料金属的使用。


(3)不需使用电极,没有电极污染或受损的顾虑。且因不属于接触式焊接制程,机具的耗损及变形皆可降至最低。


(4)激光束易于聚焦、对准及受光学仪器所导引,可放置在离工件适当之距离,且可在工件周围的机具或障碍间再导引,其他焊接法则因受到上述的空间限制而无法发挥。


(5)工件可放置在封闭的空间(经抽真空或内部气体环境在控制下)。


(6)激光束可聚焦在很小的区域,可焊接小型且间隔相近的部件。


(7)可焊材质种类范围大,亦可相互接合各种异质材料。


(8)易于以自动化进行高速焊接,亦可以数位或电脑控制。


(9)焊接薄材或细径线材时,不会像电弧焊接般易有回熔的困扰。


(10)不受磁场所影响(电弧焊接及束焊接则容易),能精确的对准焊件。


(11)可焊接不同物性(如不同)的两种金属


(12)不需真空,亦不需做X射线防护。


(13)若以穿孔式焊接,焊道深一宽比可达10:1


(14)可以切换装置将激光束传送至多个工作站。


激光焊接的劣势


01焊件位置需非常精确,务必在激光束的聚焦范围内。


02焊件需使用夹治具时,必须确保焊件的最终位置需与激光束将冲击的焊点对准。


03最大可焊厚度受到限制渗透厚度远超过19mm的工件,生产线上不适合使用激光焊接。


04高反射性及高导热性材料如铝、铜及其合金等,焊接性会受激光所改变。


05当进行中能量至高能量的激光束焊接时,需使用等离子控制器将熔池周围的离子化气体驱除,以确保焊道的再出现。


06能量转换效率太低,通常低于10%。


07焊道快速凝固,可能有气孔及脆化的顾虑。


08设备昂贵。


为了消除或减少激光焊接的缺陷,更好地应用这一优秀的焊接方法,提出了一些用其它热源与激光进行复合焊接的工艺,主要有激光与电弧、激光与等离子弧、激光与感应热源复合焊接、双激光束焊接以及多光束激光焊接等。此外还提出了各种辅助工艺措施,如激光填丝焊(可细分为冷丝焊和热丝焊)、外加磁场辅助增强激光焊、保护气控制熔池深度激光焊、激光辅助搅拌摩擦焊等。


激光焊接的关键点


(1)功率密度


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,在传导型激光焊接中,功率密度在范围在10^4——10^6W/CM^2。


(2)激光脉冲波形


激光脉冲波形在激光焊接中是一个重要问题,尤其对于薄片焊接更为重要。当高强度激光束射至材料表面,金属表面将会有60——98%的激光能量反射而损失掉,且反射率随表面温度变化。在一个激光脉冲作用期间内,金属反射率的变化很大。


(3)激光脉冲宽度


脉宽是脉冲激光焊接的重要参数之一,它既是区别于材料去除和材料熔化的重要参数,也是决定加工设备造价及体积的关键参数。


(4)离焦量对焊接质量的影响


激光焊接通常需要一定的离做文章一,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,所对应平面上功率密度近似相同,但实际上所获得的熔池形状不同。负离焦时,可获得更大的熔深,这与熔池的形成过程有关。


实验表明,激光加热50——200us材料开始熔化,形成液相金属并出现问分汽化,形成市压蒸汽,并以极高的速度喷射,发出耀眼的白光。与此同时,高浓度汽体使液相金属运动至熔池边缘,在熔池中心形成凹陷。


当负离焦时,材料内部功率密度比表面还高,易形成更强的熔化、汽化,使光能向材料更深处传递。


所以在实际应用中,当要求熔深较大时,采用负离焦;焊接薄材料时,宜用正离焦。


激光焊接的应用


随着科技的全面发展,激光焊接机技术的不断巩固与应用,也带领全球的家电产业步入了一个新时代,新的工艺不仅是的升级,也是更多科技的展示和应用。


1、制造业应用


激光拼焊(TailoredBlandLaserWelding)技术在国外轿车制造中得到广泛的应用,


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。


以CO2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。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。


2、粉末冶金领域


随着科学技术的不断发展,许多工业技术上对材料特殊要求,应用冶铸方法制造的材料已不能满足需要。


由于粉末冶金材料具有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日益突出,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,采用激光焊接可以提高焊接强度以及耐高温性能。


3、汽车工业


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年代就率先采用激光焊接车顶、车身、侧框等钣金焊接。


4、电子工业


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,因而正在集成电路和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。


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,影响因素多而采用激光焊接效果很好,得到广泛的应用。


5、生物医学


生物组织的激光焊接始于20世纪70年代,Klink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国内外的研究主要集中在激光波长、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。


6、其他领域


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、HEl30合金、Li-ion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。


改善和发展激光焊接的新技术


随着时代的进步,激光焊接的技术也在不断发展中,以下几项技术有助扩展激光焊接的应用范围及提高激光焊接自动控制水平。


1、填充焊丝激光焊


激光焊接一般不填充焊丝,但对焊件装配间隙要求很高,实际生产中有时很难保证,限制了其应用范围。采用填丝激光焊,可大大降低对装配间隙的要求。例如板厚2mm的铝合金板,如不采用填充焊丝,板材间隙必须为零才能获得良好的成形,如采用φ1.6mm的焊丝做为填充金属,即使间隙增至1.0mm,也可保证焊缝良好的成形。此外,填充焊丝还可以调整化学成分或进行厚板多层焊。


2、光束旋转激光焊


使激光束旋转进行焊接的方法,也可大大降低焊件装配以及光束对中的要求。例如在2mm厚高强合金钢板对接时,允许对缝装配间隙从0.14mm增大到0.25mm;而对4mm厚的板,则从0.23mm增大到0.30mm。光束中心与焊缝中心的对准允许误差从0.25mm增加至0.5mm。


3.激光焊接质量在线检测与控制


激光焊接的优缺点及应用


利用等离子体的光、声、电荷信号对激光焊接过程进行检测,近年来已成为国内外研究的热点,少数研究成果已达到了闭环控制的程度。


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