大功率激光焊接「原理 优势 工艺参数」

　　大功率激光焊接

　　焊接是应用最广泛、最重要的材料永久连接方法，在提高材料利用率、减轻结构重量、降低成本方面独具优势。激光焊接则是近十年应用发展速度最快的焊接方法，其利用可聚焦可调控的高能量密度激光束为热源实现材料的熔化焊接。激光束方向性、单色性和相干性极好，光强是普通光的1010倍，脉冲功率可达1014瓦，因此热作用集中、焊接变形小，焊接结构制造精度高，柔性自动化实施性好，与机器人、工艺数据库和专家系统管理等先进工艺模式有机结合，可实现数字化智能化制造，是现代装备结构制造中不可或缺的关键技术，在汽车、船舶、高速列车以及航空航天结构中得到成功应用，其中汽车行业已将激光焊接确定为结构制造标准化工艺，激光焊接技术在国际上被视为最具发展潜力的先进焊接技术。

　　焊接工艺
 

　　采用高功率振镜头焊接方式，自动化集成度高，生产效率高

　　搭配大功率光纤激光器，焊接速度快、质量高，提高生产效率。

　　1、激光能量、焊接速度、脉宽和焦距等焊接参数调节恰当，以确保焊接牢固性。

　　2、激光能量调节恰当，保证焊接强度和焊点外观及不能烧坏元器件；

　　3、采用深圳大族/联赢品牌的能量反馈光纤传输四维自动激光焊接机加工生产，由于其功率大、能量稳和自动化的特点，熔深够深，可靠性好，确保焊道一致性，焊接品质和焊接产能都能得到保证。

　　优势

　　焊斑能量分布均匀、通过能量分光或时间分光可实现同时焊接和分时焊接、可定制专用的自动化工装夹具，各种器件的点焊，以及2mm以内的薄板焊接、选配CCD摄像监视系统，方便观察和精确定位。

　　机器人激光焊接系统利用激光焊接强度大，变形小的特点，可将多层结构的机械部件焊接成一个整体，能够达到与机械加工方式得到的部件同样的功能，但是生产成本却因此大大降低；

　　专业的激光焊接机控制系统，电脑操作，能够保证焊接质量，使焊接工作更方便，操作更为简单；

　　配置进口激光焊接头，反应灵敏、准确，与机械手有效配合，避免焊接头与加工板材碰撞，并能保证焊接焦点位置，保证焊接质量稳定

　　缺点

　　（1）合金强化金属激光焊接因凝固结晶易形成低熔共晶而导致焊接裂纹，如高强铝合金；

　　（2）激光焊接过程的小孔动态不稳定易于导致焊缝气孔；

　　（3）激光光斑尺寸小，要求焊接部位的装配精度很高；

　　（4）高反射材料激光焊接，激光反射不仅易于引起人员伤害，而且易于损害激光焊接设备，影响设备工作的可靠性。这些问题是国内外激光焊接工程师一直致力于的研究主题，从利用激光焊接固有特性的工艺创新，到组合激光焊接工艺技术和激光复合热源焊接技术的研究，激光焊接工艺向精密化、高效化方向发展；激光焊接装备向智能化、信息化方向发展；焊接装配向数字化、柔性化方向发展。
 

　　激光焊接

　　原理

　　激光焊接可以采用连续或脉冲激光束加以实现，激光焊接的原理可分为热传导型焊接和激光深熔焊接。功率密度小于10~10 W/cm为热传导焊，此时熔深浅、焊接速度慢;功率密度大于10~10 W/cm时，金属表面受热作用下凹成"孔穴"，形成深熔焊，具有焊接速度快、深宽比大的特点。

　　其中热传导型激光焊接原理为:激光辐射加热待加工表面，表面热量通过热传导向内部扩散，通过控制激光脉冲的宽度、能量、峰功率和重复频率等激光参数，使工件熔化，形成特定的熔池。

　　优势

　　（1）可将入热量降到最低的需要量，热影响区金相变化范围小，且因热传导所导致的变形亦最低。

　　（2）32mm板厚单道焊接的焊接工艺参数业经检定合格，可降低厚板焊接所需的时间甚至可省掉填料金属的使用。

　　（3）不需使用电极，没有电极污染或受损的顾虑。且因不属于接触式焊接制程，机具的耗损及变形接可降至最低。

　　（4）激光束易于聚焦、对准及受光学仪器所导引，可放置在离工件适当之距离，且可在工件周围的机具或障碍间再导引，其他焊接法则因受到上述的空间限制而无法发挥。

　　（5）工件可放置在封闭的空间（经抽真空或内部气体环境在控制下）。

　　（6）激光束可聚焦在很小的区域，可焊接小型且间隔相近的部件，

　　（7）可焊材质种类范围大，亦可相互接合各种异质材料。

　　（8）易于以自动化进行高速焊接，亦可以数位或电脑控制。

　　（9）焊接薄材或细径线材时，不会像电弧焊接般易有回熔的困扰。

　　（10）不受磁场所影响（电弧焊接及电子束焊接则容易），能精确的对准焊件。

　　（11）可焊接不同物性（如不同电阻）的两种金属

　　（12）不需真空，亦不需做X射线防护。
 

　　工艺参数

　　(1)功率密度。

　　功率密度是激光加工中最关键的参数之一。采用较高的功率密度，在微秒时间范围内，表层即可加热至沸点，产生大量汽化。因此，高功率密度对于材料去除加工，如打孔、切割、雕刻有利。对于较低功率密度，表层温度达到沸点需要经历数毫秒，在表层汽化前，底层达到熔点，易形成良好的熔融焊接。因此，在传导型激光焊接中，功率密度在范围在10^4~10^6W/CM^2。

　　(2)激光脉冲波形。

　　激光脉冲波形在激光焊接中是一个重要问题，尤其对于薄片焊接更为重要。当高强度激光束射至材料表面，金属表面将会有60~98%的激光能量反射而损失掉，且反射率随表面温度变化。在一个激光脉冲作用期间内，金属反射率的变化很大。

　　(3)激光脉冲宽度。

　　脉宽是脉冲激光焊接的重要参数之一，它既是区别于材料去除和材料熔化的重要参数，也是决定加工设备造价及体积的关键参数。

　　(4)离焦量对焊接质量的影响。

　　激光焊接通常需要一定的离做文章一，因为激光焦点处光斑中心的功率密度过高，容易蒸发成孔。离开激光焦点的各平面上，功率密度分布相对均匀。离焦方式有两种：正离焦与负离焦。焦平面位于工件上方为正离焦，反之为负离焦。按几何光学理论，当正负离焦平面与焊接平面距离相等时，所对应平面上功率密度近似相同，但实际上所获得的熔池形状不同。负离焦时，可获得更大的熔深，这与熔池的形成过程有关。实验表明，激光加热50~200us材料开始熔化，形成液相金属并出现问分汽化，形成市压蒸汽，并以极高的速度喷射，发出耀眼的白光。与此同时，高浓度汽体使液相金属运动至熔池边缘，在熔池中心形成凹陷。当负离焦时，材料内部功率密度比表面还高，易形成更强的熔化、汽化，使光能向材料更深处传递。所以在实际应用中，当要求熔深较大时，采用负离焦；焊接薄材料时，宜用正离焦。