激光焊

特种焊接与设备讲解人：韩兆波第二单元激光焊2.1激光焊概述2.2激光焊设备与工艺2.3典型材料的激光焊2.4激光安全与防护综合知识模块2.1激光焊概述激光焊（LaserWelding，LBW）是利用能量密度极高的激光束作为热源的一种高效精密焊接方法。与传统焊接方法相比，激光焊具有能量密度高、穿透深、精度高、适应性强等优点。2.1.1激光焊原理及特点（了解）一、激光焊的原理激光是指激光活性物质（工作物质）受到激励，产生辐射，通过光放大而产生一种单色性好、方向性强、光亮度高的光束。激光焊实质上是激光与非透明物质相互作用的过程，微观上是一个量子过程，宏观上则表现为反射、吸收、加热、熔化、汽化等现象。二、激光焊的特点激光焊的优点：1.聚焦后的激光束功率密度可达105~107W／cm2。2.可获得深宽比大的焊缝，激光焊的深宽比目前已超过12:1，焊接厚件时可不开坡口一次成型。3.适宜于常规焊接方法难以焊接的材料，4可借助反射镜使光束达到一般焊接方法无法施焊的部位；5.可穿过透明介质对密闭容器内的工件进行焊接。6.激光束不受电磁干扰，不存在X射线防护问题，也不需要真空保护。激光焊的缺点：激光焊难以焊接反射率较高的金属；对焊件加工、组装、定位要求相对较高；设备一次性投资大。2.1.2激光焊的分类（掌握）按激光对工件的作用方式：脉冲激光焊和连续激光焊。2.1.3激光焊的应用（了解）应用行业应用实例航空航天发动机壳体、机翼隔架、膜盒等电子仪表集成电路内引线、显像管电子枪、调速管、仪表游丝等机械制造精密弹簧、针式打印机零件、金属薄壁波纹管、热电偶、电液伺服阀等钢铁冶金焊接厚度0.2～8mm、宽度0.5～1.8m的硅钢片，非合金钢和不锈钢应用行业应用实例汽车制造汽车底架、传动装置、齿轮、点火器中轴与拨板组合件等医疗器械心脏起搏器以及心脏起搏器所用的锂碘电池等食品加工食品罐（用激光焊代替传统的锡焊或接触高频焊，具有无毒、焊接速度快、节省材料以及接头美观、性能优良等特点）等其他领域燃气轮器、换热器、干电池锌筒外壳、核反应堆零件等2.2.1激光焊设备（掌握）激光焊设备主要由激光器、光学系统、光速检测器、焊枪、工作台、电源及控制系统、气源、水源、操作盘、数控装置等组成。2.2激光焊设备与焊接工艺气体激光器：焊接和切割所用气体激光器大多是CO2激光器，其工作气体主要成分是CO2、N2和He气体。CO2激光器的特点：输出功率范围大。能量转换功率大大高于固体激光器。CO2激光波长为10.6um，属于红外光，它可在空气中传播很远而衰减很小。CO2激光器的分类：根据结构形式可将热加工应用的CO2激光器分为以下四种：密闭式、横流式、轴流式和板条式。1.调整功率密度的主要方法有：①调节输入激光器的能量；②调节光斑尺寸，即激光束与金属固体表面交叉面积的大小；③改变光模形式，即改变光斑中能量的分布；④改变脉冲宽度及前沿的梯度等。一、激光焊的能源特性2.2.2激光焊工艺（重点掌握）2．连续激光焊的工艺参数（1）激光功率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。连续工作的低功率激光器可在薄板上以低速产生有限传热焊缝。激光功率主要影响熔深。（2）光斑直径在入射功率一定的情况下，光斑尺寸决定了功率密度的大小。减小光斑直径比增加激光功率的效果更明显。（3）离焦量离焦量是工件表面至激光焦点的距离，以ΔF表示。（4）保护气体深熔焊时，保护气体有两个作用：一是保护焊缝金属免受有害气体的侵袭，防止氧化污染；二是抑制等离子体的负面效应。2.3.1钢的激光焊（重点掌握）一、碳素钢和低合金钢的焊接二、不锈钢的焊接三、硅钢的焊接2.3典型材料的激光焊1．碳当量超过0.3%时，焊接的难度就会增加，冷裂敏感性增大，材料在疲劳和低温条件下的脆断倾向也随之增加。（1）预热或后热；（2）采用双光束焊接，一束聚焦，另一束散焦；（3）在保证熔深的条件下，尽量采用较低的功率和焊接速度。一、碳素钢和低合金钢的焊接2．当高碳材料和低碳材料焊接时，采用偏置焊缝形势有利于限制马氏体的转变，减少裂纹的产生。3．镇静钢和半镇静钢的激光焊接性能较好，因为材料在浇注前加入了硅、铝等脱氧剂，使钢中的含氧量降到很低程度。4．硫、磷含量超过0.04%的钢激光焊接时易产生热裂纹。5．对于搭接结构的镀锌钢，一般很难采用激光焊接。二、不锈钢的焊接不锈钢的激光焊接性能较好。奥氏体不锈钢的导热系数只有碳钢的1/3，吸收率比碳钢略高。因此，奥氏体不锈钢能获得比普通碳钢稍微深一点的熔深（约深5%～10%左右）。Cr-Ni系不锈钢激光焊时，材料具有很高的能量吸收率和熔化效率。激光焊焊接铁素体不锈钢时，焊缝塑性和韧性比采用其他焊接方法时要高。不锈钢的激光焊，可用于核电站中不锈钢管、核燃料包等的焊接，也可用于化工等其他工业部门。2.3.2非铁金属的激光焊（掌握）一、铝合金的激光焊二、钛合金的激光焊三、高温合金的激光焊一、铝合金的激光焊铝合金激光焊常采用深熔焊方式，焊接时的主要困难是它对激光束的高反射率和自身的高导热性。铝及铝合金激光焊时，随温度的升高，氢在铝中的溶解度急剧升高，焊缝中多存在气孔，深熔焊时根部可能出现空洞，焊道成形较差。采用激光焊接铝及铝合金时，除了能量密度的问题，还有三个很重要的问题需要解决：气孔、热裂纹和严重的焊缝不规则性。铝合金对激光的强烈反射作用，使焊接十分困难，必须采用高功率的激光器才能进行焊接。二、钛合金的激光焊钛合金具有高的比强度，良好的塑性及韧性，较高的抗腐蚀性，是一种优良的结构材料。钛元素化学性质活泼，对氧化很敏感，对由氧气、氢气、氮气和碳原子所引起的间隙脆化也很敏感，所以要特别注意接头的清洁和气体保护问题。三、高温合金的激光焊激光焊可以焊接各类高温合金，包括电弧焊难以焊接的A1、Ti含量高的时效处理合金，而且都可获得性能良好的接头。用于高温合金焊接的激光发生器一般为脉冲激光器或连续CO2激光器，功率为1～50kW。激光焊用的保护气体，推荐采用氦气或氦气与少量氢的混合气体。2.3.3异种材料的激光焊（了解）铜-镍、镍-钛、钛-铝、低碳钢-铜等异种金属在一定条件下均可进行激光焊接。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，通常采用长焦距的聚焦透镜；为了提高接头强度，也可填加焊丝。焊接金属基复合材料时，易产生脆性相，这些脆性相会导致裂纹以及降低接头强度。2.4.1激光的危害（了解）焊接和切割中所用激光器输出功率或能量非常高，激光设备中又有数千伏至数万伏的高压激励电源，能对人体造成伤害。激光安全防护的重点对象是眼睛和皮肤。此外，也应注意防止火灾和电击等，否则将导致人身伤亡或其他一些危害极大的事故。2.4激光安全与防护一、对眼睛的伤害1．受激光直接照射，会由于激光的加热效应引起烧伤，可瞬间使人致盲，危险最大，后果最严重。即使是数毫瓦的He-Ne激光，虽然功率小，但由于人眼的光学聚焦作用，也会引起眼底组织的损伤。2．在激光加工时由于工件表面对激光的反射，也会造成伤害。强反射的危险程度与直接照射相差无几，而漫反射光会对眼睛造成慢性损伤，造成视力下降的结果。因此在激光加工时，人眼是应该重点保护的对象。二、对皮肤的伤害皮肤受到激光的直射会造成烧伤，特别是聚焦后激光功率密度十分大，伤害力更大，会造成严重烧伤。长时间受紫外、红外光漫反射的影响，可能导致皮肤老化、炎症和皮癌等病变。三、其他方面激光束直接照射或强反射会引起可燃物的燃烧导致火灾。激光焊时，材料受激烈加热而蒸发、汽化，产生各种有毒的金属烟尘。高功率激光加热时形成的等离子云会产生臭氧，对人体也有一定损害。长时间在激光环境中工作，会产生疲劳的感觉等。同时激光器中还存在着数千至数万伏特的高压，存在着电击的危险。一、一般防护1．在激光加工设备上应设有明显的危险警告标志和信号，如“激光危险”、“高压危险”等。设备应有各种安全保护装置。2．激光光路系统应尽可能全封闭。例如让激光在金属管中传递，以防直接照射的发生。激光光路如不能全封闭，则要求激光从人的高度以上通过，使光束避开眼，头等重要器官。激光加工工作台应用玻璃等屏蔽，防止反射光。3．激光加工场地也应设有安全标志，并采用预防栅栏、隔墙，屏风等，防止无关人员误入危险区。2.4.2激光的安全与防护（了解）二、人身防护1．激光器现场操作和加工工作人员必须配备激光防护眼镜，穿白色工作服，以减少漫反射的影响；2．只允许有经验的工作人员对激光器进行操作和进行激光加工。3．焊接区应配备有效的通风或排风装置。课后作业随堂笔记（标清序列号）