激光焊接機(jī)工作原理

激光焊接是利用高能量的激光脈沖對(duì)材料進(jìn)行微小區(qū)域內(nèi)的局部加熱，激光輻射的能量通過(guò)熱傳導(dǎo)向材料的內(nèi)部擴(kuò)散，將材 料熔化后形成特定熔池。

它是一種新型的焊接方式，激光焊接主要針對(duì)薄壁材料、精密零件的焊接，可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)焊、對(duì)接焊、疊 焊、密封焊等，深寬比高，焊縫寬度小，熱影響區(qū)小、變形小，焊接速度快，焊縫平整、美觀，焊后無(wú)需處理或只需簡(jiǎn)單處理 ，焊縫質(zhì)量高，無(wú)氣孔，可精確控制，聚焦光點(diǎn)小，定位精度高，易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。

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(jì)70年代主要用于焊接薄壁材料和低速焊接，焊接過(guò)程屬熱傳導(dǎo)型，即激光輻射加熱工件表面，表面熱量通過(guò)熱傳導(dǎo)向內(nèi)部擴(kuò)散，通過(guò)控制激光脈沖的寬度、能量、峰值功率和重復(fù)頻率等參數(shù)，使工件熔化，形成特定的熔池。由于其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，已成功應(yīng)用于微、小型零件的精密焊接中。

越來(lái)越多的企業(yè)選擇使用激光焊接機(jī)了，那么激光焊接機(jī)工作原理是什么呢：

1、高電壓驅(qū)動(dòng)氙燈發(fā)光，安裝在一起的YGA晶體受激光發(fā)光，經(jīng)全反和半反膜片反身諧振，再通過(guò)分光、光閘輸入至光纖，最后將激光聚焦到一點(diǎn)

2、焦平面上的功率密度可達(dá)到10 5 －1013 w／cm2。激光焊接機(jī)就是利用激光束優(yōu)良的方向性和高功率密度等特點(diǎn)來(lái)進(jìn)行工作的。通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)

3、將激光束聚集在很小的區(qū)域，在極短的時(shí)間內(nèi)，使被焊處形成一個(gè)能量高度集中的局部熱源區(qū)，從而使被焊物熔化并形成牢固的焊點(diǎn)和焊縫。

激光焊接可以采用連續(xù)或脈沖激光束加以實(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。功率密度小于104~105?W/cm2為熱傳導(dǎo)焊，此時(shí)熔深淺、焊接速度慢；功率密度大于105~107?W/cm2時(shí)，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(diǎn)。?????

其中熱傳導(dǎo)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(guò)熱傳導(dǎo)向內(nèi)部擴(kuò)散，通過(guò)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。?????

用于齒輪焊接和冶金薄板焊接用的激光焊接機(jī)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(guò)程與電子束焊接極為相似，即能量轉(zhuǎn)換機(jī)制是通過(guò)“小孔”（Key-hole）結(jié)構(gòu)來(lái)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(gè)充滿蒸氣的小孔猶如一個(gè)黑體，幾乎吸收全部的入射光束能量，孔腔內(nèi)平衡溫度達(dá)2500?0C左右，熱量從這個(gè)高溫孔腔外壁傳遞出來(lái)，使包圍著這個(gè)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(guò)程和激光傳導(dǎo)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(dòng)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(dòng)態(tài)平衡。光束不斷進(jìn)入小孔，小孔外的材料在連續(xù)流動(dòng)，隨著光束移動(dòng)，小孔始終處于流動(dòng)的穩(wěn)定狀態(tài)。就是說(shuō)，小孔和圍著孔壁的熔融金屬隨著前導(dǎo)光束前進(jìn)速度向前移動(dòng)，熔融金屬充填著小孔移開(kāi)后留下的空隙并隨之冷凝，焊縫于是形成。上述過(guò)程的所有這一切發(fā)生得如此快，使焊接速度很容易達(dá)到每分鐘數(shù)米。??

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(kāi)始產(chǎn)生同相位光波且在兩端鏡間來(lái)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(kāi)始發(fā)射出激光。??

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(jiàn)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(jìn)行。當(dāng)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(zhǎng)的光束-激光。由于具同相位及單一波長(zhǎng)，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(dāng)長(zhǎng)。??

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(jiàn)紅外光。Nd：?YAG激光產(chǎn)生的光束主要是近紅外光，波長(zhǎng)為1.?06?Lm，?熱導(dǎo)體對(duì)這種波長(zhǎng)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。CO2?激光的光束為遠(yuǎn)紅外光，?波長(zhǎng)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。Nd：?YAG激光功率一般能達(dá)到4?000~?6?000W左右，?現(xiàn)在大功率已達(dá)到10?000W。而CO2?激光功率卻能輕易達(dá)到20?000W甚至更大。

大功率的CO2?激光通過(guò)小孔效應(yīng)來(lái)解決高反射率的問(wèn)題，?當(dāng)光斑照射的材料表面熔化時(shí)形成小孔，?這個(gè)充滿蒸氣的小孔猶如一個(gè)黑體，?幾乎全部吸收入射光線的能量，?孔腔內(nèi)平衡溫度達(dá)25?000?e?左右，?在幾微秒的時(shí)間內(nèi)，?反射率迅速下降。CO2?激光器的發(fā)展重點(diǎn)雖然仍集中于設(shè)備的開(kāi)發(fā)研制，?但已不在于提高大的輸出功率，?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(shí)，?若使用氬氣保護(hù)氣體，?常誘發(fā)很強(qiáng)的等離子體，?使熔深變淺。因此，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。??

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(xiàng)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(zhǎng)在近紅外區(qū)域的激光，?其平均功率已達(dá)1?kW，?光電轉(zhuǎn)換效率接近50%?。二極管還具有更長(zhǎng)的使用壽命（?10?000?h），?有利于降低激光設(shè)備的維護(hù)成本。

二極管泵浦固體激光設(shè)備（DPSSL）的開(kāi)發(fā)。?

優(yōu)點(diǎn)：?

（1）可將入熱量降到低的需要量，熱影響區(qū)金相變化范圍小，且因熱傳導(dǎo)所導(dǎo)致的變形亦低；?

（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(méi)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低處

（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(wú)法發(fā)揮；?

（5）工件可放置在封閉的空間（經(jīng)抽真空或內(nèi)部氣體環(huán)境在控制下）；

（6）激光束可聚焦在很小的區(qū)域，可焊接小型且間隔相近的部件；?

（7）可焊材質(zhì)種類范圍大，亦可相互接合各種異質(zhì)材料；

（8）易于以自動(dòng)化進(jìn)行高速焊接，亦可以數(shù)位或電腦控制；?

（9）焊接薄材或細(xì)徑線材時(shí)，不會(huì)像電弧焊接般易有回熔的困擾；

（10）不受磁場(chǎng)所影響（電弧焊接及電子束焊接則容易），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，務(wù)必在激光束的聚焦范圍內(nèi)；?

（2）焊件需使用夾治具時(shí)，必須確訂焊件的位置需與激光束將沖擊的焊點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)；?

（3）大可焊厚度受到限制滲透厚度遠(yuǎn)超過(guò)19mm的工件，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，以確包焊道的再出現(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。?

為了消除或減少激光焊接的缺陷，更好地應(yīng)用這一優(yōu)秀的焊接方法，提出了一些用其它熱源與激光進(jìn)行復(fù)合焊接的工藝，主要有激光與電弧、激光與等離子弧、激光與感應(yīng)熱源復(fù)合焊接、雙激光束焊接以及多光束激光焊接等。此外還提出了各種輔助工藝措施，如激光填絲焊（可細(xì)分為冷絲焊和熱絲焊）、外加磁場(chǎng)輔助增強(qiáng)激光焊、保護(hù)氣控制熔池深度激光焊、激光輔助攪拌摩擦焊等。