激光焊接技術

 激光焊接技術

1激光焊接的特點

激光焊接是用激光作為熱源對材料進行加熱，使材料熔化而聯結的工藝方法。由于激光的單色性、方向性都很好，很容易聚焦成很細的光斑，光斑內能量密度極高，因此激光焊接的主要特點是焊縫的深寬比（熔深與焊縫寬度之比）大。激光焊接可在大氣中進行，有時根據加工需要使用保護氣體。激光可對高熔點材料進行焊接，有時可以實現異種材料（如金屬和陶瓷）的焊接。隨著工業用激光器、控制技術和機床設備的發展，固體激光焊接機正向著小型、緊湊、高效、耐用和可靠性方向發展，并配有計算機、可旋轉透鏡、多路分束及光纖傳輸等，以提高操作靈活性和自動化水平。與氧氣-乙炔焊和電弧焊等傳統焊接方法相比較，激光焊接過程中會產生四種獨特的效應。
1)焊縫凈化效應
當激光束照射到焊縫上時，由于材料中的氧化物等雜質對激光的吸收率要比金屬對激光的吸收率高得多，因此，焊縫中的氧化物等雜質被迅速加熱并汽化逸出，使焊縫中的雜質含量大幅度減小。所以，激光焊接不但不會污染工件，反而能對材料起凈化作用。
2)光爆沖擊效應
當激光功率密度很高時，在強大的激光束的照射下，焊縫中的金屬急劇汽化。在高壓金屬蒸氣的作用下，熔池中的金屬熔液產生爆炸性飛濺，其強大的沖擊波向孔穴的深度方向傳播，形成細長的深孔。在激光不斷移動焊接的過程中，周圍熔融金屬不斷地填充空穴，凝結成牢固的深熔焊縫。
3)深熔焊的小孔效應
在功率密度高達107W/cm2的激光束照射下，其能量輸入焊縫的速率遠遠大于熱傳導、對流、輻射散失的速率，使激光照射區內的金屬迅速汽化，在高壓蒸氣的作用下，在熔池中形成小的孔穴。這種孔穴猶如天文學中的黑洞一樣，可將光能全部吸收，激光束通過這種孔穴直射孔底，其孔穴的深度決定著熔化的深度。
4)熔池中孔穴側壁對激光的聚焦效應
在激光照射下熔池中形成孔穴的過程中，由于入射到孔穴側壁的激光束的入射角通常較大，使入射激光束在孔穴側壁反射而傳向孔穴的底部，因而出現孔穴中的光束能量疊加的現象，可以有效地增加孔穴中的光束強度，這種現象稱為孔穴側壁聚焦效應。激光，之所以能用于焊接，都是基于上述作用的結果。
激光焊接的獨特效應使激光焊接具有如下優點：
(1)激光照射時間短，焊接過程極為迅速，不僅有利于提高生產率，而且被焊材料不易氧化，熱影響區小，適合于熱敏感很強的晶體管元件焊接。激光焊接既沒有焊渣，也不需去除工件的氧化膜，甚至可以透過玻璃進行焊接，尤其適用于微型精密儀表中的焊接。
(2)激光不僅能焊接同種金屬材料，而且可以焊接異種金屬材料，甚至可以焊接金屬與非金屬材料。例如，用陶瓷做基體的集成電路，由于陶瓷熔點很高，又不宜施加壓力，采用其他焊接方法很困難，而用激光焊接比較方便。當然，激光焊接并不能焊接所有的異種材料。

隨著含碳量的增加，在激光焊的迅速加熱和冷卻下，焊接的裂紋和缺口敏感性也會增加，所以激光焊對含碳量一般也有一定限制。激光焊對民用船舶船體的結構鋼的焊接規范如下：含碳量不大于0.23％，含錳量為0.6％，激光功率為10kW左右，焊接速度0.6m/min。機械性能試驗表明，焊接接頭抗拉性能很好，均斷在母材處，并具有足夠的韌性，而且激光焊比常規弧焊變形小。所以，高功率激光焊對造船業有著重要的潛在發展能力。以合適的工藝規范焊接的焊縫不僅拉伸和沖擊等機械性能很好，而且X射線等非破壞性檢驗結果也很好。例如，激光焊接的汽車齒輪原來只能用電子束焊接，現在已經證明能夠用激光焊接，表現出激光焊無須真空室的優點。

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