激光焊接工藝.ppt

激光的特性 1 高方向性激光發(fā)散角小 接近平行光 可用于定位 導(dǎo)向和測距等 2 亮度高 光強(qiáng) 聚焦后光斑上的功率密度達(dá)1015W cm2或更高 其亮度比太陽光要亮100億倍 可以進(jìn)行材料加工或醫(yī)療外科手術(shù) 3 高單色性其單色性比一般光高108 109倍以上 可把激光波長作為長度的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行精密測量 或把其周期用作時間測量標(biāo)準(zhǔn) 應(yīng)用于激光通訊等 4 高相干性單色性越好相干長度越長 可用于較長工件的高精度測量與校驗 激光在加工領(lǐng)域的應(yīng)用 材料加工由手工加工火焰加工電加工 而激光加工的出現(xiàn)正促使光加工時代轉(zhuǎn)變 被譽(yù)為 未來制造業(yè)的共同加工手段 激光加工代表著當(dāng)前材料加工業(yè)的發(fā)展方向 世界各國都把激光加工技術(shù)作為提高生產(chǎn)效率 降低成本 提高產(chǎn)品質(zhì)量以及具有國際競爭力的重要手段 將帶來良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益 激光束能量密度高 加工速度快 工件變形小 熱影響區(qū)小 后續(xù)加工量小 它可以對多種金屬 非金屬加工 特別是可以加工高硬度 高脆性及高熔點(diǎn)材料 激光加工主要工業(yè)領(lǐng)域 汽車 電子與電器 鋼鐵 機(jī)械 其他 航空與航天 船舶 建筑 6 2激光焊 6 2 1激光焊原理 特點(diǎn)及其應(yīng)用一 激光焊及其應(yīng)用激光焊是利用高能量密度的激光束轟擊焊件所產(chǎn)生的熱量進(jìn)行焊接的一種高精密熔焊方法 激光焊接在汽車 鋼鐵 船舶 航空 輕工等行業(yè)得到日益廣泛應(yīng)用 二 激光焊的原理 激光焊接是將高強(qiáng)度的激光束輻射至金屬表面 通過激光與金屬的相互作用 金屬吸收激光轉(zhuǎn)化為熱能使金屬熔化后冷卻結(jié)晶實現(xiàn)焊接 按激光器輸出能量方式不同 激光焊接分為脈沖激光焊和連續(xù)激光焊 而據(jù)激光聚焦后光斑上功率密度的不同 激光焊可分為傳熱焊和深熔焊 1 傳熱焊 采用的激光光斑功率功率密度小于105W mm2時 激光將金屬表面加熱到熔點(diǎn)與沸點(diǎn)之間 焊接時 金屬材料表面將所吸收的激光能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?使金屬表面溫度升高而熔化 然后通過熱傳導(dǎo)方式把熱能傳向金屬內(nèi)部 使熔化區(qū)逐漸擴(kuò)大 凝固后形成焊點(diǎn)或焊縫 其熔深輪廓近似為半球形 這種焊接機(jī)理稱為傳熱焊 傳熱焊的主要特點(diǎn)是激光光斑的功率密度小 大部分光被金屬表面所反射 光的吸收率較低 焊接熔深淺 焊接速度慢 主要用于厚度小于1mm件的焊接加工 2 深熔焊 當(dāng)激光光斑上的功率密度足夠大時 106W mm2 在激光的照射下 金屬表面溫度在極短的時間內(nèi) 10 8 10 6s 升高到沸點(diǎn) 使金屬熔化和汽化 金屬蒸汽迅速逸出對熔化的液態(tài)金屬產(chǎn)生一個附加壓力 使熔池金屬表面向下凹陷 同時向坑外飛出的蒸汽將熔化的金屬擠向熔池四周 形成小孔 當(dāng)光束能量所產(chǎn)生的金屬蒸汽的反沖壓力與液態(tài)金屬的表面張力和重力平衡后 小孔不再繼續(xù)加深 形成一個深度穩(wěn)定的孔而進(jìn)行焊接 因此稱之為激光深熔焊 三 激光焊的工藝特點(diǎn) 激光焊的優(yōu)點(diǎn) 1 焊接速度快 能量密度高 靈活性大 深寬比可達(dá)5 1 最高可達(dá)10 1 2 可在室溫或特殊條件下進(jìn)行焊接 焊接設(shè)備裝置簡單 例如 激光通過電磁場 光束不會偏移 在各種氣體環(huán)境中均能施焊 并能通過玻璃或?qū)馐该鞯牟牧线M(jìn)行焊接 3 焊接難熔材料并能實現(xiàn)異種金屬的焊接 也可用于非金屬材料的焊接 如鈦 石英等 4 可以借助偏轉(zhuǎn)棱鏡或通過光導(dǎo)纖維引導(dǎo)到難以接近的部位進(jìn)行焊接 5 可進(jìn)行微型焊接 激光束經(jīng)聚焦后能精確定位 可應(yīng)用于大批量自動化生產(chǎn)的微 小型工件的組焊中 6 大多數(shù)情況下激光焊接不需要填充材料 消除了焊接材料產(chǎn)生的污染 降低了有益合金元素的燒損 激光焊的缺點(diǎn) 1 設(shè)備復(fù)雜 投資大 功率較小 可焊接的厚度受到一定的限制 2 激光器及用于激光束傳導(dǎo)和聚焦的附屬系統(tǒng)成本和操作成本高 3 焊接中有大量反射 激光焊與其它焊接工藝的比較 2激光焊接的重要參數(shù) 1 功率密度功率密度是激光加工中最重要的參數(shù)之一 采用較高的功率密度 在微秒時間范圍內(nèi) 表層即可加熱至沸點(diǎn) 產(chǎn)生大量氣化 因此高功率密度對材料去除加工 如打孔 切割 雕刻有利 對于較低功率密度 表層溫度達(dá)到沸點(diǎn)需要經(jīng)歷數(shù)毫秒 在表層氣化前 底層達(dá)到熔點(diǎn) 易形成良好的熔融焊接 2 激光脈沖波形當(dāng)高強(qiáng)度激光未射至材料表面 金屬表面將會有60 98 的激光能量反射而損失掉 尤其對于薄片焊接 3 激光脈沖寬度 略 4 離焦量對焊接質(zhì)量的影響激光焊接通常需要一定的離焦量 焦點(diǎn)處光斑中心的功率密度過高 容易蒸發(fā)成孔 離開激光焦點(diǎn)的各平面上 功率密度分布相對均勻 3激光焊接的設(shè)定條件 激光焊接的設(shè)定條件包括下面兩點(diǎn) 1 激光功率 是使樹脂熔化的熱源 2 掃描速度 是激光束的移動速度 同時 就材料而言 下面兩點(diǎn)也很重要 3 透射性材料的光線透射率 4 透射性材料的厚度 思考題 1簡述激光焊的基本原理 2激光焊接有哪些優(yōu)缺點(diǎn) 6 5激光焊接工藝 6 5 1接頭設(shè)計普通熔焊時使用的大多數(shù)焊接接頭的幾何形狀都適合于激光焊接 最常用的是對接 搭接和卷邊 1全焊透型對接接頭待焊材料邊緣不需開坡口 剪切邊如是直角且平行可直接用 2焊透的或焊縫的搭接接頭待焊零件間的間隙嚴(yán)格限制著焊透深度和焊接速率 3卷邊接頭卷邊接頭與對接接頭基本相同 平直的直角邊 良好的配合 壓緊和準(zhǔn)確的橫向平直度都是必要的 對收縮率大的材料 如鋁 更是如此 6 5 2激光焊接工藝 激光焊接是將光能轉(zhuǎn)換為熱能的過程 因此光和熱兩方面的性能在激光焊接時都要考慮 如光的吸收 能量密度 熱容量 熔點(diǎn) 沸點(diǎn)及金屬表面狀況等 1 焊接時激光的能量范圍為避免焊點(diǎn)金屬的蒸發(fā)和燒穿 必須控制能量密度 保證整個焊接過程中能量密度高于熔點(diǎn)而低于沸點(diǎn) 2 材料對激光的反射率 金屬對激光的吸收主要與激光的波長 材料的性質(zhì) 溫度 表面狀況和激光功率密度有關(guān) 大部分金屬對10 6 m的光反射強(qiáng)烈 而對1 06 m的光反射較弱 結(jié)果使同樣功率的YAG激光器比CO2激光器具有較大的熔深 大多數(shù)金屬在激光開始照射時 能將大部分能量反射回去 室溫時材料對激光能的吸收率僅為20 以下 溫度提高時吸收率急劇提高 同時吸收率隨電阻率的增大而增加 功率密度大于某個極限值時 吸收率也急劇提高 所以焊接開始瞬間需要較大的功率密度 材料表面狀態(tài)主要指材料表面有無氧化膜 表面粗糙度及有無涂層 3 激光功率密度 激光功率密度高 金屬容易氣化形成小孔 激光的吸收率可以提高到90 以上 但功率太高 容易使焊縫區(qū)形成氣孔缺陷 1脈沖激光焊 低功率脈沖激光焊主要用于 0 5mm以下的金屬絲與絲或薄膜之間的點(diǎn)焊 最細(xì)可焊 0 02mm 0 2 m細(xì)絲 主要應(yīng)用于集成電路內(nèi)引線 硅片上1 8 m鋁鍍膜與50 m 100 m鋁箔焊接 薄膜電路元件導(dǎo)線 微晶玻璃上0 3 m銅 鉻 金鍍膜與 30 m金 銅 鎳絲的焊接等 脈沖焊過程中應(yīng)注意如下幾點(diǎn) 1 恰當(dāng)選用激光脈沖能量 幾 幾十焦耳 和寬度 3mm左右 2 反射率低 傳熱好 厚度小的金屬件放在上面 3 焊接前可將絲或膜端熔成球狀