激光焊接技術(shù)

 激光焊接技術(shù)

1激光焊接的特點

激光焊接是用激光作為熱源對材料進(jìn)行加熱，使材料熔化而聯(lián)結(jié)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(xì)的光斑，光斑內(nèi)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(jìn)行，有時根據(jù)加工需要使用保護(hù)氣體。激光可對高熔點材料進(jìn)行焊接，有時可以實現(xiàn)異種材料（如金屬和陶瓷）的焊接。隨著工業(yè)用激光器、控制技術(shù)和機(jī)床設(shè)備的發(fā)展，固體激光焊接機(jī)正向著小型、緊湊、高效、耐用和可靠性方向發(fā)展，并配有計算機(jī)、可旋轉(zhuǎn)透鏡、多路分束及光纖傳輸?shù)龋蕴岣卟僮黛`活性和自動化水平。與氧氣-乙炔焊和電弧焊等傳統(tǒng)焊接方法相比較，激光焊接過程中會產(chǎn)生四種獨特的效應(yīng)。
1)焊縫凈化效應(yīng)
當(dāng)激光束照射到焊縫上時，由于材料中的氧化物等雜質(zhì)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(zhì)被迅速加熱并汽化逸出，使焊縫中的雜質(zhì)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(yīng)
當(dāng)激光功率密度很高時，在強(qiáng)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(chǎn)生爆炸性飛濺，其強(qiáng)大的沖擊波向孔穴的深度方向傳播，形成細(xì)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(jié)成牢固的深熔焊縫。
3)深熔焊的小孔效應(yīng)
在功率密度高達(dá)107W/cm2的激光束照射下，其能量輸入焊縫的速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于熱傳導(dǎo)、對流、輻射散失的速率，使激光照射區(qū)內(nèi)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(xué)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(cè)壁對激光的聚焦效應(yīng)
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(cè)壁的激光束的入射角通常較大，使入射激光束在孔穴側(cè)壁反射而傳向孔穴的底部，因而出現(xiàn)孔穴中的光束能量疊加的現(xiàn)象，可以有效地增加孔穴中的光束強(qiáng)度，這種現(xiàn)象稱為孔穴側(cè)壁聚焦效應(yīng)。激光，之所以能用于焊接，都是基于上述作用的結(jié)果。
激光焊接的獨特效應(yīng)使激光焊接具有如下優(yōu)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(chǎn)率，而且被焊材料不易氧化，熱影響區(qū)小，適合于熱敏感很強(qiáng)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(jìn)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(dāng)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(jié)構(gòu)鋼的焊接規(guī)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(jī)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(guī)弧焊變形小。所以，高功率激光焊對造船業(yè)有著重要的潛在發(fā)展能力。以合適的工藝規(guī)范焊接的焊縫不僅拉伸和沖擊等機(jī)械性能很好，而且X射線等非破壞性檢驗結(jié)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(xiàn)在已經(jīng)證明能夠用激光焊接，表現(xiàn)出激光焊無須真空室的優(yōu)點。

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