激光焊接技術評估報告

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報告人：樊政

激光焊接技術評估報告1目錄激光加工簡介1激光焊接機原理2激光焊接機的工藝參數3激光焊接與常規焊接比較4目錄激光加工簡介1激光焊接機原理2激光焊接機的工藝參2激光加工簡介激光加工的一般原理

激光加工是一種重的高能束加工方法，它是利用激光高強度、高亮度、方向性好、單色性好的特性，通過一系列的光學系統聚焦成平行度很高的微細光束（直徑幾微米至幾十微米），獲得極高的能量密度（）照射到材料上，使材料在極短的時間內（千分之幾秒甚至更短）熔化甚至氣化，以達到加熱和去除材料的目的。激光加工簡介3激光加工簡介激光加工特點

適應性強：激光加工的功率密度高，幾乎能加工任何材料，如各種金屬、陶瓷、石英、金剛石、橡膠等。加工精度高：激光束可聚焦成微米級的光斑（理論上直徑可小于1um），適合精密微細加工。加工質量好：激光加工能量密度高，熱作用時間很短，整個加工區幾乎不受熱的影響，工件熱變形極小，故可加工對熱沖擊敏感的材料。加工速度快：激光加工只需0.01s，切割比常規方法提高效率率

效率高

8~20倍，激光焊接可提高效率30倍，微調薄膜電阻可提高1000倍，提高精度1~2個數量級。激光加工簡介激光加工特點4激光加工簡介激光加工特點

容易實現自動：激光束傳輸方便，易于控制，便于與機器人、自動檢測、計算機數字控制等先進技術相結合。通用性強：用一臺激光器給變不同的導光系統，可以處理各種形狀和尺寸的工件。也可以選擇適當的加工條件，用同一臺裝置進行切割、打孔、焊接和表面處理等多種加工。節能節材：激光束的能量利用率為常規加工工藝的10~1000倍，激光切割可以節省材料15%~30%。

激光加工簡介激光加工特點5激光焊接機激光焊接機6激光焊接機原理激光焊接是將高強度的激光束輻射至金屬面，通過激光與金屬的相互作用，金屬吸收激光轉化為熱能使金屬熔化后冷卻結晶形成焊接。

激光焊接機原理7激光焊接機原理1、熱傳導焊接：當激光照射在材料表面時，一部分激光被反射，一部分被材料吸收，將光能轉化為熱能而加熱熔化，材料表面層的熱以熱傳導的方式繼續向材料深處傳遞，最后將兩焊件熔接在一起。

激光焊接的機理有兩種：激光焊接機原理1、熱傳導焊接：當激光照射在材料表面時，8激光焊接機2、激光深熔焊:當功率密度比較大的激光束照射到材料表面時，材料吸收光能轉化為熱能，材料被加熱熔化至汽化，產生大量的金屬蒸汽，在蒸汽退出表面時產生的反作用力下，使熔化的金屬液體向四周排擠，形成凹坑，隨著激光的繼續照射，凹坑穿人更深，當激光停止照射后，凹坑周邊的熔液回流，冷卻凝固后將兩焊件焊接在—起。

激光焊接機2、激光深熔焊:當功率密度比較大的激光束照射到材料9激光焊接工藝參數激光焊接的主要參數離焦量焊接速度激光模式坡口間隙保護氣體脈沖參數激光功率激光焊接工藝參數激光焊接的離焦量焊接速度激光模式坡口間隙保護10激光深熔焊接的主要工藝參數激光功率。激光焊接中存在一個激光能量密度閾值，低于此值，熔深很淺，一旦達到或超過此值，熔深會大幅度提高。只有當工件上的激光功率密度超過閾值（與材料有關），等離子體才會產生，這標志著穩定深熔焊的進行（材料厚度0.3mm—5mm,激光穿透2.5mm)。光束焦斑。光束斑點大小是激光焊接的最重要變量之一，因為它決定功率密度。但對高功率激光來說，對它的測量是一個難題，盡管已經有很多間接測量技術。

激光深熔焊接的主要工藝參數激光功率。11材料吸收值。材料對激光的吸收取決于材料的一些重要性能，如吸收率、反射率、熱導率、熔化溫度、蒸發溫度等，其中最重要的是吸收率(金屬材料中銅,鋁焊接效果比較差)。

焊接速度。焊接速度對熔深影響較大，提高速度會使熔深變淺，但速度過低又會導致材料過度熔化、工件焊穿。所以，對一定激光功率和一定厚度的某特定材料有一個合適的焊接速度范圍，并在其中相應速度值時可獲得最大熔深。材料吸收值。12保護氣體。（1）激光焊接過程常使用惰性氣體來保護熔池，對大多數應用場合則常使用氦、氬、氮等氣體作保護，使工件在焊接過程中免受氧化(一般使用氬氣,1瓶可使用10天/10小時)。

（2）保護聚焦透鏡免受金屬蒸氣污染和液體熔滴的濺射。特別在高功率激光焊接時，由于其噴出物變得非常有力，此時保護透鏡則更為必要。

（3）對驅散高功率激光焊接產生的等離子屏蔽很有效。

保護氣體。13透鏡焦距。焊接時通常采用聚焦方式會聚激光，一般選用63~254mm(2.5”~10”)焦距的透鏡。聚焦光斑大小與焦距成正比，焦距越短，光斑越小。

焦點位置。焦點與工件表面相對位置的變化直接影響焊縫寬度與深度(焊接工件縫隙max0.2mm)。激光束位置。對不同的材料進行激光焊接時，激光束位置控制著焊縫的最終質量，特別是對接接頭的情況比搭接結頭的情況對此更為敏感。正確控制激光束位置將有利于產生主要有低碳組分組成的焊縫，這種焊縫具有較好的抗裂性(激光束位置偏離焊縫max0.2mm)。透鏡焦距。14焊接起始、終止點的激光功率漸升、漸降控制。激光深熔焊接時，不管焊縫深淺，小孔現象始終存在。當焊接過程終止、關閉功率開關時，焊縫尾端將出現凹坑。另外，當激光焊層覆蓋原先焊縫時，會出現對激光束過度吸收，導致焊件過熱或產生氣孔。焊接起始、終止點的激光功率漸升、漸降控制。15激光焊接與常規焊接比較目前常用的焊接工藝有：→電弧焊（氬弧焊、手弧焊、埋弧焊、鎢極氣體保護電弧焊、等離子弧焊、氣體保護焊）→電阻焊→高能束焊（電子束焊、激光焊）→釬焊→以電阻熱為能源：電渣焊、高頻焊；→以化學能為焊接能源：氣焊、氣壓焊、爆炸焊；→以機械能為焊接能源：摩擦焊、冷壓焊、超聲波焊、擴散焊激光焊接與常規焊接比較目前常用的焊接工藝有：16激光焊接與常規焊接比較激光焊接與常規焊接方法相比有如下特點：（1）可焊接高熔點材料如鈦、石英等，并能對異性材料進行焊接，效果良好（2）聚焦光斑小，焊接速度快，作用時間短，熱影響區小，熱變形?。?）屬于非接觸焊接，無機械應力和機械變形（4）易與計算機聯機，能實現精確定位，實現自動焊接（5）可在大氣中進行，無環境污染（6）可焊接難以接近的部位，可以遠距離焊接。在YAG激光加工技術中采用光纖傳輸技術，使激光技術得到更為廣泛的推廣和運用（7）激光束易實現按時間與空間分光，能進行多光束同時加工及多工位加工，為更精密的焊接提供了條件激光焊接與常規焊接比較激光焊接與常規焊接17激光焊接與常規焊接比較焊接工藝精度變形熱影響焊縫質量焊料使用條件激光焊精密小很小好無釬焊精糙一般一般一般需要整體加熱電阻焊精糙大大一般無需要電極氬弧焊一般大大一般需要需要電極等離子焊較好一般一般一般需要需要電極電子束焊精密小小好無需要真空激光焊接與常規焊接比較焊接工藝精度變形熱影響焊縫質量18

（1）激光深熔焊接一般采用連續激光光束完成材料的連接，能量轉換機制是通過“小孔”（Key-hole）結構來完成的。在足夠高的功率密度激光照射下，材料產生蒸發并形成小孔。（2）這個充滿蒸氣的小孔猶如一個黑洞，幾乎吸收全部的入射光束能量，孔腔內平衡溫度達2500度左右，熱量從這個高溫孔腔外壁傳遞出來，使包圍著這個孔腔四周的金屬熔化。（3）小孔內充滿在光束照射下壁體材料連續蒸發產生的高溫蒸汽，小孔四壁包圍著熔融金屬，液態金屬四周包圍著固體材料（而在大多數常規焊接過程和激光傳導焊接中，能量首先沉積于工件表面，然后靠傳遞輸送到內部）。（4）孔壁外液體流動和壁層表面張力與孔腔內連續產生的蒸汽壓力相持并保持著動態平衡。光束不斷進入小孔，小孔外的材料在連續流動，隨著光束移動，小孔始終處于流動的穩定狀態。（5）小孔和圍著孔壁的熔融金屬隨著前導光束前進速度向前移動，熔融金屬充填著小孔移開后留下的空隙并隨之冷凝，焊縫于是形成。上述過程的所有這一切發生得如此快，使焊接速度很容易達到每分鐘數米。深熔焊小孔示意圖

（1）激光深熔焊接一般采用連續激光光束19縫焊

縫焊20附錄（影響材料對激光束吸收的主要因素）

1、溫度

室溫時金屬材料兩激光的吸收率一般在20℃以下；當金屬溫度達到烙點產生熔融和氣化后吸收率上升到40~50%；當接近沸點時吸收率可高達90%。

材料的直流電阻率

材料對激光的吸收率與材料的直流電阻率的平方根成正比、與激光彼長的平方根成反比關系。

2、激光束的入射角

入射角越大，吸收率越小。當激光垂直于金屬表面照射時，金屬對激光的吸收率最大。但通常為了保護激光出射鏡頭，需要維持一定的入射角。

村料的表面狀態

為了低反射率，可在金屬表面涂上薄薄一層全屬粉，但兩者必須是能夠形成合金的。如飯、金、銀可覆蓋薄銳層，此時在同樣熔深的情況下，焊接所需的能量大約為原來銅、金、銀所需的四分一。

3、聚焦性和離焦量

品質優良的YAG激光焊接裝置，其聚焦性（光斑大?。┦峭ㄟ^裝置本身的光路同軸精度、輸出光纖和出射頭的成像比等來保證。以激光出射焦點正好落在工作上面時的位置為零。離焦量是指焦點離開這個零點的距離量。焦點位置超過零點位置時叫負離焦（焦點深入到工件內部），其