激光焊接技术

 激光焊接技术

1激光焊接的特点

激光焊接是用激光作为热源对材料进行加热，使材料熔化而联结的工艺方法。由于激光的单色性、方向性都很好，很容易聚焦成很细的光斑，光斑内能量密度极高，因此激光焊接的主要特点是焊缝的深宽比（熔深与焊缝宽度之比）大。激光焊接可在大气中进行，有时根据加工需要使用保护气体。激光可对高熔点材料进行焊接，有时可以实现异种材料（如金属和陶瓷）的焊接。随着工业用激光器、控制技术和机床设备的发展，固体激光焊接机正向着小型、紧凑、高效、耐用和可靠性方向发展，并配有计算机、可旋转透镜、多路分束及光纤传输等，以提高操作灵活性和自动化水平。与氧气-乙炔焊和电弧焊等传统焊接方法相比较，激光焊接过程中会产生四种独特的效应。
1)焊缝净化效应
当激光束照射到焊缝上时，由于材料中的氧化物等杂质对激光的吸收率要比金属对激光的吸收率高得多，因此，焊缝中的氧化物等杂质被迅速加热并汽化逸出，使焊缝中的杂质含量大幅度减小。所以，激光焊接不但不会污染工件，反而能对材料起净化作用。
2)光爆冲击效应
当激光功率密度很高时，在强大的激光束的照射下，焊缝中的金属急剧汽化。在高压金属蒸气的作用下，熔池中的金属熔液产生爆炸性飞溅，其强大的冲击波向孔穴的深度方向传播，形成细长的深孔。在激光不断移动焊接的过程中，周围熔融金属不断地填充空穴，凝结成牢固的深熔焊缝。
3)深熔焊的小孔效应
在功率密度高达107W/cm2的激光束照射下，其能量输入焊缝的速率远远大于热传导、对流、辐射散失的速率，使激光照射区内的金属迅速汽化，在高压蒸气的作用下，在熔池中形成小的孔穴。这种孔穴犹如天文学中的黑洞一样，可将光能全部吸收，激光束通过这种孔穴直射孔底，其孔穴的深度决定着熔化的深度。
4)熔池中孔穴侧壁对激光的聚焦效应
在激光照射下熔池中形成孔穴的过程中，由于入射到孔穴侧壁的激光束的入射角通常较大，使入射激光束在孔穴侧壁反射而传向孔穴的底部，因而出现孔穴中的光束能量叠加的现象，可以有效地增加孔穴中的光束强度，这种现象称为孔穴侧壁聚焦效应。激光，之所以能用于焊接，都是基于上述作用的结果。
激光焊接的独特效应使激光焊接具有如下优点：
(1)激光照射时间短，焊接过程极为迅速，不仅有利于提高生产率，而且被焊材料不易氧化，热影响区小，适合于热敏感很强的晶体管元件焊接。激光焊接既没有焊渣，也不需去除工件的氧化膜，甚至可以透过玻璃进行焊接，尤其适用于微型精密仪表中的焊接。
(2)激光不仅能焊接同种金属材料，而且可以焊接异种金属材料，甚至可以焊接金属与非金属材料。例如，用陶瓷做基体的集成电路，由于陶瓷熔点很高，又不宜施加压力，采用其他焊接方法很困难，而用激光焊接比较方便。当然，激光焊接并不能焊接所有的异种材料。

随着含碳量的增加，在激光焊的迅速加热和冷却下，焊接的裂纹和缺口敏感性也会增加，所以激光焊对含碳量一般也有一定限制。激光焊对民用船舶船体的结构钢的焊接规范如下：含碳量不大于0.23％，含锰量为0.6％，激光功率为10kW左右，焊接速度0.6m/min。机械性能试验表明，焊接接头抗拉性能很好，均断在母材处，并具有足够的韧性，而且激光焊比常规弧焊变形小。所以，高功率激光焊对造船业有着重要的潜在发展能力。以合适的工艺规范焊接的焊缝不仅拉伸和冲击等机械性能很好，而且X射线等非破坏性检验结果也很好。例如，激光焊接的汽车齿轮原来只能用电子束焊接，现在已经证明能够用激光焊接，表现出激光焊无须真空室的优点。

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