激光焊(航天科學技術名詞)

激光焊是一種以聚焦的激光束作為能源轟擊焊件所產生的熱量進行焊接的方法。由於激光具有折射、聚焦等光學性質,使得激光焊非常適合於微型零件和可達性很差的部位的焊接。激光焊還有熱輸入低,焊接變形小,不受電磁場影響等特點。

由於目前激光器價格昂貴、電光轉換效率較低等原因,激光焊尚未廣泛應用。

定義

激光焊接是激光材料加工技術應用的重要方面之一。20世紀70年代主要用於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部擴散,通過控制激光脈衝的寬度、能量、峰值功率和重複頻率等參數,使工件熔化,形成特定的熔池。由於其獨特的優點,已成功應用於微、小型零件的精密焊接中。

分類

一,按控制方式可分:手動式激光焊接機,自動激光焊接機,振鏡式激光焊接機

二,按激光器可分:YAG激光焊接機,半導體激光焊接機,光纖激光焊接。

激光焊接有兩種基本模式:激光熱導焊和激光深熔焊,前者所用激光功率密度較低(105~106W/cm2),工件吸收激光后,僅達到表面熔化,然後依靠熱傳導向工件內部傳遞熱量形成熔池。這種焊接模式熔深淺,深寬比較小。後者激光功率密度高(106~107W/cm2),工件吸收激光后迅速熔化乃至氣化,熔化的金屬在蒸汽壓力作用下形成小孔激光束可直照孔底,使小孔不斷延伸,直至小孔內的蒸氣壓力與液體金屬的表面張力和重力平衡為止。小孔隨著激光束沿焊接方向移動時,小孔前方熔化的金屬繞過小孔流向後方,凝固后形成焊縫。這種焊接模式熔深大,深寬比也大。在機械製造領域,除了那些微薄零件之外,一般應選用深熔焊。

深熔焊過程產生的金屬蒸氣和保護氣體,在激光作用下發生電離,從而在小孔內部和上方形成等離子體。等離子體對激光有吸收、折射和散射作用,因此一般來說熔池上方的等離子體會削弱到達工件的激光能量。並影響光束的聚焦效果、對焊接不利。通常可輔加側吹氣驅除或削弱等離子體。小孔的形成和等離子體效應,使焊接過程中伴隨著具有特徵的聲、光和電荷產生,研究它們與焊接規範及焊縫質量之間的關係,和利用這些特徵信號對激光焊接過程及質量進行監控,具有十分重要的理論意義和實用價值。

優缺點

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,沒有電極污染或受損的顧慮。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)激光束易於聚焦、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)激光束可聚焦在很小的區域,可焊接小型且間隔相近的部件,

(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)可以切換裝置將激光束傳送至多個工作站。

缺點

(1)焊件位置需非常精確,務必在激光束的聚焦範圍內。

(2)焊件需使用夾治具時,必須確保焊件的最終位置需與激光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激光焊接。

(4)高反射性及高導熱性材料如鋁、銅及其合金等,焊接性會受激光所改變。

(5)當進行中能量至高能量的激光束焊接時,需使用等離子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)設備昂貴。

應用

激光焊接在工業中的應用情況

(1)激光焊接在國外汽車工業中的應用

1)白車身激光焊接

汽車工業中的在線激光焊接大量用在白車身衝壓零件的裝配和連接上。主要應用包括車頂蓋激光焊、行李箱蓋激光釺焊及車架激光焊接。

另一項比較重要的車身激光焊接應用,是車身結構件(包括車門、車身側圍框架及立柱等)的激光焊接。採用激光焊的原因是可提高車身強度,並可解決一些部位難以實施常規電阻點焊的難題。

2)不等厚激光拼焊板

車身製造採用不等厚激光拼焊板可減輕車身重量、減少零件數量、提高安全可靠性及降低成本。

3)齒輪及傳動部件焊接

20世紀80年代末,克萊斯勒公司的Kokomo分公司購進九台6kWCO2激光器,用於齒輪激光焊接,生產能力提高40%。90年代初,美國三大汽車公司投入40多台激光器用於傳動部件焊接。賓士公司經研究利用激光焊接代替電子束焊接,因為前者焊縫熱影響區小。美國福特汽車公司用4。7kWCO2激光器焊接車輪鋼圈,鋼圈厚1mm,焊接速度為2。5m/min。該公司還採用帶有視覺系統的激光焊接機,將六根軸與鍛壓出來的齒輪焊在一起,成為轎車自動變速器的齒輪架部件,生產率為200件/h。

(2)光纖激光焊在造船及海洋工程方面的應用

許多輪船都是先製造出許多獨立的局部組件結構單元,再在水中的船台上一個個進行組裝。採用激光焊技術製造海洋建築物局部組件非常合適,因為它結合了焊接切割自動化技術與激光技術。與弧焊方法相比,採用該技術可以大大提高生產率。

造船中,採用光纖激光技術,可以無需進行焊接邊緣預處理和焊前或焊后熱處理就能將部件焊接在一起。與弧焊相比,激光焊的焊接接頭窄,熱影響區小,而且沒有傳統弧焊方法中出現的由於弧吹或電極磨損引起的焊接缺陷。所以,接頭採用光纖激光焊,可以實現新的焊接結構設計,這在以前是不可能實焊接接頭比弧焊焊接接頭更加經濟,質量更好。

(3)激光焊在飛機製造中的應用

激光束焊具有能量密度高,熱影響區小,空間位置轉換靈活,可在大氣環境下焊接,焊接變形極小等優點。它主要應用于飛機大蒙皮的拼接以及蒙皮與長桁的焊接,以保證氣動面的外形公差。另外在機身附件的裝配中也大量使用了激光束焊接技術,如腹鰭和襟翼的翼盒,結構不再是應用內肋條骨架支撐結構和外加蒙皮完成,而是應用了先進的鈑金成形技術后,采閑激光焊接技術在三維空間完成焊接拼合,不僅產品質量好,生產效率高,而且工藝再現性好,減重效果明顯。

激光焊也多見於薄壁零件的製造中,如進氣道、波紋管、輸油管道、變截面導管和異型封閉件。這些零件的傳統焊接方法多採用微弧等離子弧焊,或者是小電流鎢極氬弧焊。隨著鈦合金材料的大量使用,即便採用了這些低線能量的焊接技術,仍然由於薄壁材料引起的焊接變形超出公差範圍和焊接缺陷的無法修復等原因,導致傳統焊接工藝面臨淘汰的命運。激光束焊接配以局部保護措施,非常適合焊接薄壁鈦合金殼體零件。

(4)複合激光焊的應用

複合激光焊技術結合了激光焊和傳統氣體保護焊(GMAW)兩者的優點,激光焊能在較小的熱輸入量和小的焊接熱影響區(HAZ)情況下獲得較大的熔深;所附加的氣保焊(GMAW)可以大大擴展接頭根部間隙的大小,改善表面狀態和雜質的允許量;提高根部間隙填充和成形質量以及加強對焊接冶金的控制。

(5)激光焊在醫學上的應用

激光焊是用激光來加熱,所以它可以穿透透明介質,能夠焊到透明介質容器的裡邊去。這是其他焊接方法難以做到的。這種方法也被利用到醫學裡邊,比方講我們有些患者視網膜脫落,視網膜是在眼球的後面,視網膜脫落以後眼睛就會失明。利用激光的辦法,透過眼球焊到眼球後面,把這個視網膜和眼球焊起來。這個已經是很成功的手術了。

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