激光焊接技术

激.光.焊.接.技.术邹斌2015-01-111.概述2.激光焊接原理3.激光焊接技术参数的作用与实验选择4.激光焊接实用举例5.激光焊接技术的发展前景1概述激光焊接是一种无接触加工方式，对焊接零件没有外力作用。激光能量高度集中，对金属快速加热后快速冷却，对许多零件来讲，热影响可以忽略不计，可认为不产生热变形或者说热变形极小。能够焊接高熔点、难熔、难焊的金属，如钛合金、铝合金等。激光焊接过程对环境没有污染，在空气中可以直接焊接，与需在真空室中焊接的电子束焊接方法比较，激光焊接技术简便。激光焊接在电子工业、国防工业、仪表工业、电池工业、医疗仪器以及许多行业中均得到了广泛的应用。图1激光焊接的零件2激光焊接原理激光焊接常用的激光光源是气体CO2激光器和固体YAG激光器，依激光器输出功率的大小和工作状态，激光器工作的方式有连续输出方式和脉冲输出方式。被聚焦的激光光束照射到焊件表面的功率密度，一般在104～107W/cm2。其焊接的机制也因功率密度的大小，区分为激光热传导焊接和激光深熔焊接。2.1激光热传导焊接焊件结合部位被激光照射，金属表面吸收光能而使温度升高，热量依照固体材料的热传导理论向金属内部传播扩散。激光参数不同时，扩散时间、深度也有区别，这与激光脉冲宽度、脉冲能量、重复频率等参数有关。被焊工件结合部位的两部份金属，因升温达到熔点而熔化成液体，很快凝固后，两部份金属熔接焊在一起。热传导型激光焊接，需控制激光功率和功率密度，金属吸收光能后，不产生非线性效应和小孔效应。激光直接穿透深度只在微米量级，金属内部升温靠热传导方式进行。激光功率密度一般在104～105W/cm2，使被焊接金属表面既能熔化又不会汽化，而使焊件熔接在一起。图2YAG激光头照片2.2激光深熔焊接与激光热传导焊接相比，激光深熔焊接需要更高的激光功率密度，一般需用连续输出的CO2激光器，激光功率在200～3000W的范围。激光深熔焊接的机制与电子束焊接的机制相近，功率密度在106～107W/cm2的激光光束连续照射金属焊缝表面，由于激光功率热密度足够高，使金属材料熔化、蒸发，并在激光光束照射点处形成一个小孔。这个小孔继续吸收激光光束的光能，使小孔周围形成一个熔融金属的熔池，热能由熔池向周围传播，激光功率越大，熔池越深，当激光光束相对于焊件移动时，小孔的中心也随之移动，并处于相对稳定状态。小孔的移动就形成了焊缝，这种焊接的原理不同于脉冲激光的热传导焊接。图3激光深熔焊接小孔效应示意激光深熔焊接依靠小孔效应，使激光光束的光能传向材料深部，激光功率足够大时，小孔深度加大，随着激光光束相对于焊件的移动，金属液体凝固形成焊缝，焊缝窄而深，其深宽比可达到12：1。激光深熔焊接需要足够高的激光功率，但几百瓦的CO2激光器，当激光模式好时，也能产生小孔效应，这是因为基模光束聚焦后能够获得高功率密度。图4CO2深熔焊接机示意激光深熔焊接的焊接速度与激光功率成正比，熔深与速度成反比，欲使熔接速度增加、熔深加大，就必须选用大功率激光器。为获得高速度、高品质的焊接效果，常用1500～3500W之间的连续CO2激光器进行焊接。图5大功率CO2激光器内部结构及外形3激光焊接技术参数的作用与实验选择3.1激光焊接技术的主要参数对脉冲激光器来讲就是平均激光功率的大小，保证了足够的激光功率，在热传导焊接中，激光器工作于脉冲状态，因而脉冲能量、脉冲宽度和激光重复频率就是很重要的参数。当然，激光外光路的设计、聚焦系统、焊接时离焦量大小的影响也是必须注意的，焊接的速度或者说光斑的重叠率，激光脉冲的重复频率，也要有适当的配合。为了防止焊接过程中工件材料的氧化，需要选用适当的保护气体，而且保护气体的流量大小、吹气方式，或者说是吹气喷嘴形状的设计都是很有关系的。图6激光焊接头的实物照片3.2激光焊接主要参数的选择一、激光功率激光功率的大小是激光焊接技术的首选参数，只有保证了足够的激光功率，才能得到好的焊接效果。激光功率较小时，虽然也能产生小孔效应，但有时焊接效果不好，焊缝内有气孔，激光功率加大时，焊缝内气孔消失，因此激光深熔焊接时，不要采用勉强能够产生小孔效应的最小功率。适当加大激光功率，可以提高焊接速度和熔深，只有在功率过大时，才会引起材料过分吸收，使小孔内气体喷溅，或焊缝产生疤痕，甚至使工件焊穿。图7不同焊接参数与熔深的关系为使焊缝平整光滑，实际焊接时，激光功率在开始和结束时都设计有渐变过程，启动时激光功率由小变大到预定值，结束焊接时激光功率由大变小，焊缝才没有凹坑或斑痕。二、激光脉冲宽度激光热传导焊接中，激光脉冲宽度与焊缝深度有直接关系，也就是说脉冲宽度决定了材料熔化的深度和焊缝的宽度。据文献记载，熔深的大小随脉宽的1/2次方增加。如果单纯增加脉冲宽度，只会使焊缝变宽、过熔，引起焊缝附近的金属氧化、变色甚至变形。因此，特殊要求较大熔深时，可使聚焦镜的焦点深入材料内部，使焊缝处发生轻微打孔，部份熔化金属有汽化飞溅现象，焊缝深度变大，此时焊缝表面平整度可能稍差。必要时，改变离焦量重复焊接一遍，可使焊缝表面光滑美观。三、激光脉冲波形热传导型激光焊接使用重复脉冲激光焊接材料，为了焊接效果好，就要对激光脉冲波形有一定要求。借用电子电路技术中仿真线的概念，由电感电容网络组成仿真线，通过仿真线放电形成特定形状的激光脉冲，一般通过L-C仿真线网络可以将脉冲展宽，得到一个平顶宽脉冲。根据需要可以使脉宽在3～5ms，最大可做到30ms。图8仿真线脉冲形成网络金属在常温下对激光反射率较高，如钢铁类金属表面对1064nm波长的YAG激光的反射率达60%，但金属表面温度升高以后，反射率迅速下降，金属对激光能量的吸收率很快增加。简单的方波脉冲使焊斑熔化不好，流动性差，甚至出现裂纹，焊接效果不理想。这就需要对仿真线参数进行修正。为了使激光光波形前缘出现高幅值尖峰，将仿真线第一网孔L1C1组合中的电感L1减小或去掉，C1用低感或无感电容，使激光光波形前缘陡峭，有利于迅速降低反射率，加强对光能的吸收。同时对仿真线最后一组或两组的电感L4或L5的电感量适当增大，延缓放电速度，使激光波形有个拖尾，在焊接过程中，对于熔融部份的金属得到减缓凝固的作用，对于铝合金等材料的焊接，有很明显的改进作用。图9氙灯放电波形当焊接工件以一定速度移动时，激光熔斑相互重叠，重叠率由工件移动速度和激光重复频率来决定。这种焊接状态与单脉冲点焊不同，当一个激光脉冲聚焦的光斑照射到焊缝处时，前一个激光脉冲已将该处金属材料加热，且前一个光斑照射的部份金属已呈熔融状态，尚未来得及凝固或者说未能完全凝固。因而这个激光脉冲到来时，焊缝处的温度升高，金属的反射率降低，并不需要前置尖峰脉冲的激光波形。一般可以通过重复的熔斑对工件实现密封焊接，这是国内外目前使用最多的激光脉冲波形。图11重复脉冲激光放电波形传统的电子电路与微处理机结合，实现了以前电子电路无法实现的功能，有效地提高了整机的性能和水准，通过单晶片微处理机使激光脉冲可任意设置的激光器，就是当前的较先进的一项技术，提高了激光焊接机的功能，本来不能焊接或焊不好的材料也可以焊得很好了。图12可任意设置的激光脉冲波形四、激光脉冲重复频率热传导焊接中，激光器发出重复频率激光脉冲，每个激光脉冲形成一个熔斑，焊件与激光光束相对移动速度决定了熔斑的重叠率，一系列的熔斑形成鱼鳞纹似的漂亮焊缝。如仪器、仪表、电池、继电器外壳的密封，板材、管件或需要连接的电子零件、机械零件的焊接等大都使用这种方法。为了实现激光密封焊接，对于激光光斑的重复频率有一定要求，一般要重叠70%以上，因为每一个熔斑都是材料表面吸收了激光的能量通过热传导向四周扩散的，所以熔斑断面形状为半球形，如图14所示，为了达到一定厚度的熔深，只有在高重复频率下才能达到密封焊接。图14重复激光脉冲的焊接效果航空仪表外壳激光密封焊接后，要求漏气率小于10-8～10-10Pa．L/s，这是很高的指标，只有用氦质谱仪才能检测。五、离焦量的选择对于能够正常焊接的激光功率（或是脉冲能量），在焦平面处的激光功率密度往往已经超过激光焊接所需的功率密度，在焦点位置焊接，可能会出现金属汽化、熔渣飞溅或是打孔现象。正确焊接技术是使焦平面离开工件表面一小段距离，这个距离称为离焦量。如图15所示，以工件表面为准，焦平面深入工件内部称为负离焦，焦平面在工件之外称为正离焦。图15焦平面示意一般对熔深要求不高时最好用正离焦，这样很容易获得牢固美观的焊缝。实际焊接过程中经常是激光器各项参数设置完毕后，最后经由微调离焦量，来达到完美的焊接效果。离焦量的选择和聚焦镜的焦距数值大小有关，焦平面处的光斑尺寸D与聚焦镜的焦距F和激光光束的发散角θ有关，即D＝Fθ焊接0.5～1mm厚钢板时，聚焦镜焦距通常是100～200mm，对光斑尺寸要求并非十分严格，因而离焦量的选取也有较大的范围。激光焊接金属膜片时，要求熔斑直径小，聚焦镜的焦距也小，在这种情况下离焦量的选择要谨慎，离焦量不宜太大。六、保护气体在一些对焊接技术要求严格的场合，如要求焊缝美观、密封、无氧化痕迹的产品，或是易于氧化难于焊接的铝合金材料，在焊接过程中就必须施加保护气体。氮气室上部有透光平板玻璃，允许波长为1064nm的激光光束射入到焊件的焊缝上，氮气室内充满氮气，这样被焊接金属零件在加热熔化过程中就不会氧化，如焊接钢类零件或不锈钢类零件时，得到的焊缝是闪亮的，密封效果也好。图16氮气室示意在要求高度密封、漏气率很低的工件焊接时，最好使用氩气，焊接效果会更好，一次焊接密封成功率高，而且焊缝美观。保护气体除防止熔化金属被氧化之外，还有一个作用就是吹掉焊接过程中产生的电浆火焰，电浆火焰本身对激光能量有吸收、散射作用，影响焊接效果，减少熔接深度。激光深熔时，在一定压力流速下的保护气体能够迅速清除熔化区的空气，避免金属氧化，同时保护气体能够将电浆火焰保持在熔池小孔内部，熔池内部热量增多，使焊缝的熔深加大。图17带保护气体喷嘴的激光焊接头4激光焊接实用举例4.1新型电池的激光焊接航空飞行器上改用锂离子电池后，比能量是镉镍电池的2～3倍，是氢镍电池的1.5～2倍。用在摄录影机上，用在行动电话上，用在笔记本电脑上，都使这些移动电子产品体积大为缩小，待机时间倍增。锂离子电池一经问世，产销量便迅速增加。2000年年产量达4.5亿支以上，近年来产量还在不断增加，而且又将成为正在研制的电动汽车的首选电源。锂离子电池，有几道程序如极耳焊接、安全阀焊接、负极焊接、外壳密封焊接等，均以激光焊接为最佳技术。技术参数镉镍蓄电池氢镍蓄电池锂离子蓄电池工作电压／V1.21.23.6质量比能量W．h/kg5065105体积比能量W．h/h150200270充放电次数5005001000自放电率／%25～3030～356～9表1各种蓄电池主要性能对比一、极耳安全阀的自动焊接新型电池内部装有防爆装置，称为安全阀，锂离子电池有内部膨胀爆炸危险，因而电池必须装有安全阀，作为安全保障。安全阀结构巧妙，为用激光焊接牢固的、一定形状的两个铝质金属片，由激光熔斑形成的抗拉强度，需在设计值范围之内，即通过激光熔斑使电池内部形成通路，但当内部压力升高到一定值时，激光熔斑被撕开，起到保护作用。图18电池安全阀结构示意图19激光焊接安全阀的自动装置示意极耳的激光焊接技术比较复杂，由于是大量生产，焊接过程必须自动化、高生产率才能满足市场需求。图20是激光自动焊接极耳的装置示意，作为电池正极片的极耳与安全阀的孔板焊在一起，图示装置的核心结构是一个有36个V形槽的圆形转盘，V形槽用来确定电池的位置，在电池极耳下面有放置安全阀的圆坑，安全阀与电池主体可以依图示装置自动上料，也可以手工上料。图20激光自动焊接极耳装置示意二、方形电池外壳的激光顶焊密封技术手机电池外形尺寸希望越小越好，现在流行的长方形截面的手机电池，也称口香糖电池。其封口一般是在电池顶部有一个长方形盖板，板上带有正极引出端，将盖板塞入外壳与口平齐，然