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雷射焊接的原理
雷射焊接是利用高能量的雷射脈衝對材料進行微小地區內的局部加熱,雷射輻射的能量通過熱傳導向材料的內部擴散,將材料熔化後形成特定熔池。它是一種新型的焊接方式,雷射焊接主要針對薄壁材料、精密零件的焊接,可實現點焊、對接焊、疊焊、密封焊等,深寬比高,焊縫寬度小,熱影響區小、變形小,焊接速度快,焊縫平整、美觀,焊後無需處理或只需簡單處理,焊縫品質高,無氣孔,可精確控制,聚焦光點小,定位精度高,易實現自動化。
焊接特性
屬於熔融焊接,以雷射束為能源,衝擊在焊件接頭上。
雷射束可由平面光學元件(如鏡子)導引,隨後再以反射聚焦元件或鏡片將光束投射在焊縫上。
雷射焊接屬非接觸式焊接,作業過程不需加壓,但需使用惰性氣體以防熔池氧化,填料金屬偶有使用。
雷射焊可以與MIG焊組成雷射MIG複合焊,實現大熔深焊接,同時熱輸入量比MIG焊大為減小。
雷射焊接的主要優點
(1)可將入熱量降到最低的需要量,熱影響區金相變化範圍小,且因熱傳導所導致的變形亦最低。
(2)32mm板厚單道焊接的焊接工藝參數業經檢定合格,可降低厚板焊接所需的時間甚至可省掉填料金屬的使用。
(3)不需使用電極,沒有電極汙染或受損的顧慮。且因不屬於接觸式焊接製程,機具的耗損及變形接可降至最低。
(4)雷射束易於聚焦、對準及受光學儀器所導引,可放置在離工件適當之距離,且可在工件周圍的機具或障礙間再導引,其他焊接法則因受到上述的空間限制而無法發揮。
(5)工件可放置在封閉的空間(經抽真空或內部氣體環境在控制下)。
(6)雷射束可聚焦在很小的地區,可焊接小型且間隔相近的組件。
(7)可焊材質種類範圍大,亦可相互接合各種異質材料。
(8)易於以自動化進行高速焊接,亦可以數位或電腦控制。
(9)焊接薄材或細徑線材時,不會像電弧焊接般易有回熔的困擾。
(10)不受磁場所影響(電弧焊接及電子束焊接則容易),能精確的對準焊件。
(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。
(13)若以穿孔式焊接,焊道深一寬比可達10:1。
(14)可以切換裝置將雷射束傳送至多個工作站。
雷射焊接的主要缺點
(1)焊件位置需非常精確,務必在雷射束的聚焦範圍內。
(2)焊件需使用夾治具時,必須確保焊件的最終位置需與雷射束將衝擊的焊點對準。
(3)最大可焊厚度受到限制滲透厚度遠超過19mm的工件,生產線上不適合使用雷射焊接。
(4)高反射性及高導熱性材料如鋁、銅及其合金等,焊接性會受雷射所改變。
(5)當進行中能量至高能量的雷射束焊接時,需使用電漿控制器將熔池周圍的離子化氣體驅除,以確保焊道的再出現。
(6)能量轉換效率太低,通常低於10%。
(7)焊道快速凝固,可能有氣孔及脆化的顧慮。
(8)裝置昂貴。
雷射焊接的工藝參數
(1)功率密度。功率密度是雷射加工中最關鍵的參數之一。採用較高的功率密度,在微秒時間範圍內,表層即可加熱至沸點,產生大量汽化。因此,高功率密度對於材料去除加工,如打孔、切割、雕刻有利。對於較低功率密度,表層溫度達到沸點需要經曆數毫秒,在表層汽化前,底層達到熔點,易形成良好的熔融焊接。因此,在傳導型雷射焊接中,功率密度在範圍在10^4~10^6W/CM^2。
(2)雷射脈衝波形。雷射脈衝波形在雷射焊接中是一個重要問題,尤其對於薄片焊接更為重要。當高強度雷射束射至材料表面,金屬表面將會有60~98%的雷射能量反射而損失掉,且反射率隨表面溫度變化。在一個雷射脈衝作用期間內,金屬反射率的變化很大。
(3)雷射脈衝寬度。脈寬是脈衝雷射焊接的重要參數之一,它既是區別於材料去除和材料熔化的重要參數,也是決定加工裝置造價及體積的關鍵參數。
(4)離焦量對焊接品質的影響。雷射焊接通常需要一定的離做文章一,因為雷射焦點處光斑中心的功率密度過高,容易蒸發成孔。離開雷射焦點的各平面上,功率密度分布相對均勻。離焦方式有兩種:正離焦與負離焦。焦平面位於工件上方為正離焦,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。實驗表明,雷射加熱50~200us材料開始熔化,形成液相金屬並出現問分汽化,形成市壓蒸汽,並以極高的速度噴射,發出耀眼的白光。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。所以在實際應用中,當要求熔深較大時,採用負離焦;焊接薄材料時,宜用正離焦。