現(xiàn)代焊接的能量來源有很多種,包括氣體焰、電弧、激光、電子束、摩擦和超聲波等。
今天給大家介紹關(guān)于激光焊接內(nèi)容。
激光焊接技術(shù)原理知識(shí)
激光焊接可以采用脈沖或連續(xù)激光束加以實(shí)現(xiàn);
激光焊接的原理可分為熱傳導(dǎo)型焊接和激光深熔焊接。
熱導(dǎo)焊:
激光輻射加熱待加工表面,表面熱量通過熱傳導(dǎo)向內(nèi)部擴(kuò)散,通過控制激光脈沖的寬度、能量、峰功率和重復(fù)頻率等激光參數(shù),使工件熔化,形成特定的熔池。
其特點(diǎn):
激光功率為105w/cm2左右,焊縫深度小于2.5mm,焊縫的深寬比最大為3:1。
圖1)熱導(dǎo)焊基本原理
深熔焊:
一般采用連續(xù)激光光束完成材料的連接.
即能量轉(zhuǎn)換機(jī)制是通過“小孔”(Key-hole)結(jié)構(gòu)來完成的.
激光照射,材料產(chǎn)生蒸發(fā)并形成小孔,吸收全部的入射光束能量,溫度達(dá)25000C左右,使包圍著這個(gè)孔腔四周的金屬熔化.
其特點(diǎn):
采用的功率密度在106~107w/cm2 之間,焊縫的深寬比最大可達(dá)12:1 ,目前最大焊接深度可以達(dá)到51mm。
圖2)熔深焊技術(shù)原理
說到這里相信大家都有疑問,說激光是怎么產(chǎn)生的?
工作設(shè)備(產(chǎn)生激光):
由光學(xué)震蕩器及放在震蕩器空穴兩端鏡間的介質(zhì)所組成。
介質(zhì)受到激發(fā)至高能量狀態(tài)時(shí),開始產(chǎn)生同相位光波且在兩端鏡間來回反射,形成光電的串結(jié)效應(yīng),將光波放大,并獲得足夠能量而開始發(fā)射出激光。
圖3)激光焊接設(shè)備組成
激光亦可解釋成將電能、化學(xué)能、熱能、光能或核能等原始能源轉(zhuǎn)換成某些特定光頻(紫外光、可見光或紅外光)的電磁輻射束的一種設(shè)備。
圖4)激光焊接設(shè)備簡(jiǎn)易圖
激光分類
焊接用有兩種激光:
CO2 激光和Nd:YAG激光
特點(diǎn):
都是肉眼不可見紅外光。
紅外光,又叫紅外線,是波長比可見光要長的電磁波(光),波長為770納米到1毫米之間。
CO2 激光:
屬于遠(yuǎn)紅外光,波長為10. 6Lm, 大部分金屬對(duì)這種光的反射率達(dá)到80% ~ 90%,需要特別的光鏡把光束聚焦成直徑為0. 75 - 0. 1mm。功率可輕易達(dá)到20000W甚至更大。
大功率的CO2 激光通過小孔效應(yīng)來解決高反射率的問題。CO2 激光大功率焊接時(shí), 常使用不產(chǎn)生等離子體的氦氣作為保護(hù)氣體。
CO2 激光是目前工業(yè)應(yīng)用最廣泛的激光器。
圖5)CO2 激光器的一般結(jié)構(gòu)
Nd:YAG激光:
屬于近紅外光。波長為1. 06 Lm, 熱導(dǎo)體對(duì)這種波長的光吸收率較高,對(duì)于大部分金屬, 它的反射率為20% ~ 30%。
只要使用標(biāo)準(zhǔn)的光鏡就能使近紅外波段的光束聚焦為直徑0. 25 mm。
功率一般能達(dá)到4000~ 6000W左右, 現(xiàn)在最大功率已達(dá)到10 000W。
Nd:YAG激光優(yōu)點(diǎn)在于產(chǎn)生的光束可以通過光纖傳送,因此可以省去復(fù)雜的光束傳送系統(tǒng)。
工藝參數(shù)
工藝參數(shù):
1)激光功率密度
是激光焊接的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù),對(duì)于同一種金屬來說,激光功率密度不同時(shí)材料達(dá)到熔點(diǎn)和沸點(diǎn)的時(shí)間不同。
圖6
2)激光脈沖波形
激光脈沖波形在激光焊接中是一個(gè)重要問題,尤其對(duì)于薄片焊接,當(dāng)高強(qiáng)度激光束射至材料表面,金屬表面將會(huì)有60~98%的激光能量反射而損失掉,激光脈沖開始作用時(shí)反射率高,當(dāng)材料表面溫度升至熔點(diǎn)時(shí),反射率迅速下降,表面處于熔化狀態(tài)時(shí),反射率穩(wěn)定于某一值,當(dāng)表面溫度繼續(xù)上升到沸點(diǎn)時(shí),反射率又一次下降。
圖7)金屬的反射率與時(shí)間關(guān)系
3)激光脈沖寬度
脈寬是脈沖激光焊接的重要參數(shù)之一,它既是區(qū)別于材料去除和材料熔化的重要參數(shù),也是決定加工設(shè)備造價(jià)及體積的關(guān)鍵參數(shù)。
4)離焦量
激光焊接通常需要一定的離焦量
離焦方式有兩種:正離焦與負(fù)離焦
焦平面位于工件上方為正離焦,反之為負(fù)離焦。
負(fù)離焦時(shí),可獲得更大的熔深。焊接薄材料時(shí),宜用正離焦。
5)焊接速度
焊接速度的快慢會(huì)影響單位時(shí)間內(nèi)的熱輸入量,焊接速度過慢,則熱輸入量過大,導(dǎo)致工件燒穿,焊接速度過快,則熱輸入量過小,造成工件焊不透。
激光焊接特性
1)屬于熔融焊接,以激光束為能源,沖擊在焊件接頭上;
2)激光束可由平面光學(xué)元件(如鏡子)導(dǎo)引,隨后再以反射聚焦元件或鏡片將光束投射在焊縫上;
3)激光焊接屬非接觸式焊接,作業(yè)過程不需加壓,但需使用惰性氣體以防熔池氧化,填料金屬偶有使用;
4)激光焊可以與MIG焊組成激光MIG復(fù)合焊,實(shí)現(xiàn)大熔深焊接,同時(shí)熱輸入量比MIG焊大為減小。
圖8)設(shè)備組成說明
激光的優(yōu)缺點(diǎn)
優(yōu)點(diǎn):
(1)可將入熱量降到最低的需要量
(2)32mm板厚單道焊接的焊接工藝參數(shù)業(yè)經(jīng)檢定合格,可降低厚板焊接所需的時(shí)間甚至可省掉填料金屬的使用;
(3)不需使用電極,沒有電極污染或受損的顧慮。且因不屬于接觸式焊接制程,機(jī)具的耗損及變形皆可降至最低;
(4)激光束易于聚焦、對(duì)準(zhǔn)及受光學(xué)儀器所導(dǎo)引,可放置在離工件適當(dāng)之距離,且可在工件周圍的機(jī)具或障礙間再導(dǎo)引,其他焊接法則因受到上述的空間限制而無法發(fā)揮;
(5)工件可放置在封閉的空間
(6)激光束可聚焦在很小的區(qū)域,可焊小型且間隔相近的部件;
(7)可焊材質(zhì)種類范圍大,可接合各種異質(zhì)材料;
(8)易于以自動(dòng)化高速焊接,可以數(shù)位或電腦控制
(9)焊接薄材或細(xì)徑線材時(shí),不像電弧焊易有回熔的困擾;
(10)不受磁場(chǎng)所影響,能精確的對(duì)準(zhǔn)焊件;
(11)可焊接不同物性(如不同電阻)的兩種金屬;
(12)不需真空,亦不需做X射線防護(hù);
(13)若以穿孔式焊接,焊道深一寬比可達(dá)10:1;
(14)可以切換裝置將激光束傳送至多個(gè)工作站。
缺點(diǎn):
(1)焊件位置需非常精確,需在激光束的聚焦范圍內(nèi);
(2)焊件需使用夾治具時(shí),必須確保焊件的最終位置需與激光束將沖擊的焊點(diǎn)對(duì)準(zhǔn);
(3)生產(chǎn)線上不適合使用激光焊接;
(4)高反射性及高導(dǎo)熱性材料如鋁、銅及其合金等,焊接性會(huì)受激光所改變;
(5)當(dāng)進(jìn)行中能量至高能量的激光束焊接時(shí),需使用等離子控制器將熔池周圍的離子化氣體驅(qū)除,以確保焊道的再出現(xiàn);
(6)能量轉(zhuǎn)換效率太低,通常低于10%;
(7)焊道快速凝固,可能有氣孔及脆化的顧慮;
(8)設(shè)備昂貴。
國內(nèi)激光設(shè)備生產(chǎn)狀況
目前我國多數(shù)激光公司和企業(yè)規(guī)模較小,投資強(qiáng)度低,沒有形成規(guī)模生產(chǎn)。國內(nèi)領(lǐng)先的激光設(shè)備生產(chǎn)廠家有:
長春新產(chǎn)業(yè) 、武漢楚天激光 、深圳大族激光、華北光電 、武漢華工激光、 上海團(tuán)結(jié)普瑞瑪。
國外激光設(shè)備生產(chǎn)狀況
世界激光器市場(chǎng)可劃分為三大區(qū)域:
1.美國(包括北美)占55% ;
2.歐州占22%;
3.日本及太平洋地區(qū)占23%。
在世界激光市場(chǎng)上:
激光材料加工設(shè)備方面,德國占首位;
激光醫(yī)療及激光檢測(cè)方面,美國占首位;
光電子技術(shù)方面,日本占首位,美國占第二位。
德國企業(yè)有:(幾乎占了世界市場(chǎng)的40%)
Rofin-sinar激光公司、
Trumpf 激光技術(shù)公司、
Haas 固體激光公司、Lambda Physik公司、
德國的LaserVision公司等
美國企業(yè)有:
1.相干公司、2.光譜物理公司、
3.聯(lián)合工藝(URTC)公司、4.PRC公司、
5.燃燒工程公司、6.Lumonics公司、
7.Synrad公司、8.MartedLasers公司、
9.Electrox公司10.ESI公司等。
日本企業(yè)有:
三菱電氣、松下電氣、Amada、Mazak等公司
轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處。