激光焊接工艺

激光的特性（1）高方向性激光发散角小，接近平行光，可用于定位、导向和测距等。（2）亮度高(光强)聚焦后光斑上的功率密度达1015W/cm2或更高，其亮度比太阳光要亮100亿倍，可以进行材料加工或医疗外科手术。（3）高单色性其单色性比一般光高108-109倍以上，可把激光波长作为长度的标准进行精密测量，或把其周期用作时间测量标准，应用于激光通讯等。（4）高相干性单色性越好相干长度越长，可用于较长工件的高精度测量与校验。激光在加工领域的应用材料加工由手工加工火焰加工电加工，而激光加工的出现正促使光加工时代转变，被誉为“未来制造业的共同加工手段”。激光加工代表着当前材料加工业的发展方向。世界各国都把激光加工技术作为提高生产效率、降低成本、提高产品质量以及具有国际竞争力的重要手段，将带来良好的经济效益和社会效益。激光束能量密度高，加工速度快，工件变形小、热影响区小，后续加工量小；它可以对多种金属、非金属加工，特别是可以加工高硬度、高脆性及高熔点材料。激光加工主要工业领域汽车电子与电器钢铁机械其他航空与航天船舶建筑6.2激光焊6.2.1激光焊原理、特点及其应用一、激光焊及其应用•激光焊是利用高能量密度的激光束轰击焊件所产生的热量进行焊接的一种高精密熔焊方法。•激光焊接在汽车、钢铁、船舶、航空、轻工等行业得到日益广泛应用。二、激光焊的原理•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实现焊接。•按激光器输出能量方式不同，激光焊接分为脉冲激光焊和连续激光焊；而据激光聚焦后光斑上功率密度的不同，激光焊可分为传热焊和深熔焊。(1)传热焊采用的激光光斑功率功率密度小于105W/mm2时，激光将金属表面加热到熔点与沸点之间，焊接时，金属材料表面将所吸收的激光能转变为热能，使金属表面温度升高而熔化，然后通过热传导方式把热能传向金属内部，使熔化区逐渐扩大，凝固后形成焊点或焊缝，其熔深轮廓近似为半球形。这种焊接机理称为传热焊。传热焊的主要特点是激光光斑的功率密度小，大部分光被金属表面所反射，光的吸收率较低，焊接熔深浅，焊接速度慢。主要用于厚度小于1mm件的焊接加工。(2)深熔焊当激光光斑上的功率密度足够大时(≥106W/mm2)，在激光的照射下，金属表面温度在极短的时间内(10-8～10-6s)升高到沸点，使金属熔化和汽化。金属蒸汽迅速逸出对熔化的液态金属产生一个附加压力，使熔池金属表面向下凹陷，同时向坑外飞出的蒸汽将熔化的金属挤向熔池四周，形成小孔。当光束能量所产生的金属蒸汽的反冲压力与液态金属的表面张力和重力平衡后，小孔不再继续加深，形成一个深度稳定的孔而进行焊接，因此称之为激光深熔焊。三、激光焊的工艺特点激光焊的优点：（1）焊接速度快、能量密度高、灵活性大。深宽比可达5：1，最高可达10：1。（2）可在室温或特殊条件下进行焊接，焊接设备装置简单。例如，激光通过电磁场，光束不会偏移；在各种气体环境中均能施焊，并能通过玻璃或对光束透明的材料进行焊接。（3）焊接难熔材料并能实现异种金属的焊接，也可用于非金属材料的焊接，如钛、石英等。（4）可以借助偏转棱镜或通过光导纤维引导到难以接近的部位进行焊接。（5）可进行微型焊接。激光束经聚焦后能精确定位，可应用于大批量自动化生产的微、小型工件的组焊中。（6）大多数情况下激光焊接不需要填充材料，消除了焊接材料产生的污染，降低了有益合金元素的烧损。激光焊的缺点（1）设备复杂、投资大、功率较小，可焊接的厚度受到一定的限制。（2）激光器及用于激光束传导和聚焦的附属系统成本和操作成本高。（3）焊接中有大量反射。性能激光焊电阻焊电子束焊钨极氩弧焊产生热量低中等至高中等高焊缝质量优良优优焊接速度中等中等高高原始成本中等低高低操作维修费用低低中等低夹具费用低高高中等可控性极好差好好自动化实现程度极好好好好可焊异种材料范围极宽窄宽窄激光焊与其它焊接工艺的比较2激光焊接的重要参数（1）功率密度功率密度是激光加工中最重要的参数之一。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，产生大量气化。因此高功率密度对材料去除加工，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，在表层气化前，底层达到熔点，易形成良好的熔融焊接。（2）激光脉冲波形当高强度激光未射至材料表面，金属表面将会有60~98%的激光能量反射而损失掉，尤其对于薄片焊接。（3）激光脉冲宽度（略）（4）离焦量对焊接质量的影响激光焊接通常需要一定的离焦量，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。3激光焊接的设定条件激光焊接的设定条件包括下面两点：(1)激光功率：是使树脂熔化的热源。(2)扫描速度：是激光束的移动速度。同时，就材料而言，下面两点也很重要：(3)透射性材料的光线透射率(4)透射性材料的厚度思考题•1简述激光焊的基本原理。•2激光焊接有哪些优缺点。高压充电电源触发电路激光出光镜全反光镜工作物质谐振腔脉冲氙灯激光器结构示意图412321（a）透射式聚焦（b）反射式聚焦光束偏转及聚焦系统1-激光束2-平面反射镜3-透镜4-球面反射镜6.5激光焊接工艺6.5.1接头设计普通熔焊时使用的大多数焊接接头的几何形状都适合于激光焊接。最常用的是对接、搭接和卷边。1全焊透型对接接头待焊材料边缘不需开坡口，剪切边如是直角且平行可直接用。2焊透的或焊缝的搭接接头待焊零件间的间隙严格限制着焊透深度和焊接速率。3卷边接头卷边接头与对接接头基本相同。平直的直角边、良好的配合、压紧和准确的横向平直度都是必要的，对收缩率大的材料（如铝）更是如此。6.5.2激光焊接工艺•激光焊接是将光能转换为热能的过程，因此光和热两方面的性能在激光焊接时都要考虑，如光的吸收、能量密度、热容量、熔点、沸点及金属表面状况等。•（1）焊接时激光的能量范围•为避免焊点金属的蒸发和烧穿，必须控制能量密度，保证整个焊接过程中能量密度高于熔点而低于沸点。（2）材料对激光的反射率•金属对激光的吸收主要与激光的波长，材料的性质、温度、表面状况和激光功率密度有关。大部分金属对10.6µm的光反射强烈，而对1.06µm的光反射较弱，结果使同样功率的YAG激光器比CO2激光器具有较大的熔深。大多数金属在激光开始照射时，能将大部分能量反射回去，室温时材料对激光能的吸收率仅为20%以下，温度提高时吸收率急剧提高，同时吸收率随电阻率的增大而增加；功率密度大于某个极限值时，吸收率也急剧提高，所以焊接开始瞬间需要较大的功率密度。材料表面状态主要指材料表面有无氧化膜、表面粗糙度及有无涂层。（3）激光功率密度•激光功率密度高，金属容易气化形成小孔，激光的吸收率可以提高到90%以上。但功率太高，容易使焊缝区形成气孔缺陷。1脉冲激光焊低功率脉冲激光焊主要用于Φ0.5mm以下的金属丝与丝或薄膜之间的点焊，最细可焊Φ0.02mm~0.2μm细丝。主要应用于集成电路内引线——硅片上1.8μm铝镀膜与50μm×100μm铝箔焊接，薄膜电路元件导线——微晶玻璃上0.3μm铜、铬、金镀膜与Φ30μm金、铜、镍丝的焊接等。脉冲焊过程中应注意如下几点：（1）恰当选用激光脉冲能量（几~几十焦耳）和宽度（3mm左右）；（2）反射率低、传热好、厚度小的金属件放在上面；（3）焊接前可将丝或膜端熔成球状，以增大接触面和便于对准；（4）对于箔可用连续点焊增加缝宽。不锈钢焊接•不锈钢在各个参数一般都可以焊接，如果材料间隙过大，焊接较难。最好效果为保证不锈钢材料间隙尽量小，焊接容易。使用扩束镜后在原聚焦镜下可以得到更细焊缝。