激光焊接
激光焊接是利用高能量密度的激光束作為熱源的一種高效精密焊接方法。激光焊接是激光材料加工技術(shù)應(yīng)用的重要方面之一。20世紀70年代主要用于焊接薄壁材料和低速焊接，焊接過程屬熱傳導型，即激光輻射加熱工件表面，表面熱量通過熱傳導向內(nèi)部擴散，通過控制激光脈沖的寬度、能量、峰值功率和重復頻率等參數(shù)，使工件熔化，形成特定的熔池。由于其獨特的優(yōu)點，已成功應(yīng)用于微、小型零件的精密焊接中。 中國的激光焊接處于世界先進水平，具備了使用激光成形超過12平方米的復雜鈦合金構(gòu)件的技術(shù)和能力，并投入多個國產(chǎn)航空科研項目的原型和產(chǎn)品制造中。 2013年10月，中國焊接專家獲得了焊接領(lǐng)域最高學術(shù)獎--布魯克獎，中國激光焊接水平得到了世界的肯定。
技術(shù)原理
激光焊接可以采用連續(xù)或脈沖激光束加以實現(xiàn)，激光焊接的原理可分為熱傳導型焊接和激光深熔焊接。功率密度小于10~10 W/cm為熱傳導焊，此時熔深淺、焊接速度慢;功率密度大于10~10 W/cm時，金屬表面受熱作用下凹成"孔穴"，形成深熔焊，具有焊接速度快、深寬比大的特點。 其中熱傳導型激光焊接原理為:激光輻射加熱待加工表面，表面熱量通過熱傳導向內(nèi)部擴散，通過控制激光脈沖的寬度、能量、峰功率和重復頻率等激光參數(shù)，使工件熔化，形成特定的熔池。 用于齒輪焊接和冶金薄板焊接用的激光焊接機主要涉及激光深熔焊接。 激光深熔焊接一般采用連續(xù)激光光束完成材料的連接，其冶金物理過程與電子束焊接極為相似，即能量轉(zhuǎn)換機制是通過"小孔"(Key-hole)結(jié)構(gòu)來完成的。在足夠高的功率密度激光照射下，材料產(chǎn)生蒸發(fā)并形成小孔。這個充滿蒸氣的小孔猶如一個黑體，幾乎吸收全部的入射光束能量，孔腔內(nèi)平衡溫度達2500 0C左右，熱量從這個高溫孔腔外壁傳遞出來，使包圍著這個孔腔四周的金屬熔化。小孔內(nèi)充滿在光束照射下壁體材料連續(xù)蒸發(fā)產(chǎn)生的高溫蒸汽，小孔四壁包圍著熔融金屬，液態(tài)金屬四周包圍著固體材料(而在大多數(shù)常規(guī)焊接過程和激光傳導焊接中，能量首先沉積于工件表面，然后靠傳遞輸送到內(nèi)部)。孔壁外液體流動和壁層表面張力與孔腔內(nèi)連續(xù)產(chǎn)生的蒸汽壓力相持并保持著動態(tài)平衡。光束不斷進入小孔，小孔外的材料在連續(xù)流動，隨著光束移動，小孔始終處于流動的穩(wěn)定狀態(tài)。就是說，小孔和圍著孔壁的熔融金屬隨著前導光束前進速度向前移動，熔融金屬充填著小孔移開后留下的空隙并隨之冷凝，焊縫于是形成。上述過程的所有這一切發(fā)生得如此快，使焊接速度很容易達到每分鐘數(shù)米。
工作設(shè)備 由光學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，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。 激光亦可解釋成將電能、化學能、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。轉(zhuǎn)換形態(tài)在某些固態(tài)、液態(tài)或氣態(tài)介質(zhì)中很容易進行。當這些介質(zhì)以原子或分子形態(tài)被激發(fā)，便產(chǎn)生相位幾乎相同且近乎單一波長的光束-激光。由于具同相位及單一波長，差異角均非常小，在被高度集中以提供焊接、切割及熱處理等功能前可傳送的距離相當長。
激光器分類
用于焊接的主要有兩種激光, 即CO2 激光和Nd:YAG激光。CO2 激光和Nd: YAG激光都是肉眼不可見紅外光。Nd: YAG激光產(chǎn)生的光束主要是近紅外光,波長為1. 06 Lm, 熱導體對這種波長的光吸收率較高,對于大部分金屬, 它的反射率為20% ~ 30%。只要使用標準的光鏡就能使近紅外波段的光束聚焦為直徑0. 25 mm。CO2 激光的光束為遠紅外光, 波長為10. 6Lm, 大部分金屬對這種光的反射率達到80% ~ 90%,需要特別的光鏡把光束聚焦成直徑為0. 75 - 0. 1mm。Nd: YAG激光功率一般能達到4 000~ 6 000W左右, 現(xiàn)在最大功率已達到10 000W。而CO2 激光功率卻能輕易達到20 000W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, 當光斑照射的材料表面熔化時形成小孔, 這個充滿蒸氣的小孔猶如一個黑體, 幾乎全部吸收入射光線的能量, 孔腔內(nèi)平衡溫度達25 000 e 左右, 在幾微秒的時間內(nèi), 反射率迅速下降。CO2 激光器的發(fā)展重點雖然仍集中于設(shè)備的開發(fā)研制, 但已不在于提高最大的輸出功率, 而在于如何提高光束質(zhì)量及其聚焦性能。另外, CO2 激光10 kW以上大功率焊接時, 若使用氬氣保護氣體, 常誘發(fā)很強的等離子體, 使熔深變淺。因此,CO2 激光大功率焊接時, 常使用不產(chǎn)生等離子體的氦氣作為保護氣體。 用于激發(fā)高功率Nd: YAG晶體的二極管激光組合的應(yīng)用是一項重要的發(fā)展課題, 必將大大提高激光束的質(zhì)量, 并形成更加有效的激光加工。采用直接二極管陣列激發(fā)輸出波長在近紅外區(qū)域的激光, 其平均功率已達1 kW, 光電轉(zhuǎn)換效率接近50% 。二極管還具有更長的使用壽命( 10 000 h), 有利于降低激光設(shè)備的維護成本。二極管泵浦固體激光設(shè)備(DPSSL)的開發(fā)。
工藝參數(shù)
(1)功率密度。 功率密度是激光加工中最關(guān)鍵的參數(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，產(chǎn)生大量汽化。因此，高功率密度對于材料去除加工，如打孔、切割、雕刻有利。對于較低功率密度，表層溫度達到沸點需要經(jīng)歷數(shù)毫秒，在表層汽化前，底層達到熔點，易形成良好的熔融焊接。因此，在傳導型激光焊接中，功率密度在范圍在10^4~10^6W/CM^2。 (2)激光脈沖波形。 激光脈沖波形在激光焊接中是一個重要問題，尤其對于薄片焊接更為重要。當高強度激光束射至材料表面，金屬表面將會有60~98%的激光能量反射而損失掉，且反射率隨表面溫度變化。在一個激光脈沖作用期間內(nèi)，金屬反射率的變化很大。 (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)備造價及體積的關(guān)鍵參數(shù)。 (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，因為激光焦點處光斑中心的功率密度過高，容易蒸發(fā)成孔。離開激光焦點的各平面上，功率密度分布相對均勻。離焦方式有兩種:正離焦與負離焦。焦平面位于工件上方為正離焦，反之為負離焦。按幾何光學理論，當正負離焦平面與焊接平面距離相等時，所對應(yīng)平面上功率密度近似相同，但實際上所獲得的熔池形狀不同。負離焦時，可獲得更大的熔深，這與熔池的形成過程有關(guān)。實驗表明，激光加熱50~200us材料開始熔化，形成液相金屬并出現(xiàn)部分汽化，形成高壓蒸汽，并以極高的速度噴射，發(fā)出耀眼的白光。與此同時，高濃度汽體使液相金屬運動至熔池邊緣，在熔池中心形成凹陷。當負離焦時，材料內(nèi)部功率密度比表面還高，易形成更強的熔化、汽化，使光能向材料更深處傳遞。所以在實際應(yīng)用中，當要求熔深較大時，采用負離焦;焊接薄材料時，宜用正離焦。 (5)焊接速度。焊接速度的快慢會影響單位時間內(nèi)的熱輸入量，焊接速度過慢，則熱輸入量過大，導致工件燒穿，焊接速度過快，則熱輸入量過小，造成工件焊不透。
焊接特性
屬于熔融焊接，以激光束為能源，沖擊在焊件接頭上。 激光束可由平面光學元件(如鏡子)導引，隨后再以反射聚焦元件或鏡片將光束投射在焊縫上。 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。 激光焊可以與MIG焊組成激光MIG復合焊，實現(xiàn)大熔深焊接，同時熱輸入量比MIG焊大為減小。