激光焊接应用技术课程论文

激光焊接应用技术课程论文

一、背景

激光焊接与传统焊接技术相比，在焊接精度、效率、可靠性、自动化等方面都

具有无可比拟的优越性。近年来，随着大功率、高性能激光加工设备的不断研制成功，激光焊接技术在日本、美国、英国、德国等发达国家的汽车、能源、电子等工业领域得到快速发展，激光焊接被认为是21世纪最有发展前途的制造技术之一。

当今工业生产中，零件材料与结构的不断更新，生产模式的逐步转变，为激光焊接技术带来了巨大的应用潜能。经过多年的基础与应用研究，激光焊接技术已具有更高的适应性、更强的加工能力一级更先进的质量检测手段，并在许多行业足部代替一些传统的焊接技术。

二、原理

激光焊接通过采用连续或脉冲激光束以实现焊接的目的。激光焊接可分为热传导型焊接和激光深熔焊接俩种。功率密度小于104~105 W/cm2为热传导焊，此时熔深浅、焊接速度慢；功率密度大于105~107 W/cm2时，金属表面受热作用下凹成“孔穴”，形成深熔焊，具有焊接速度快、深宽比大的特点。 热传导型激光焊接原理为：激光辐射加热待加工表面，表面热量通过热传导向内部扩散，通过控制激光脉冲的宽度、能量、峰功率和重复频率等激光参数，使工件熔化，形成特定的熔池。

激光深熔焊接一般采用连续激光光束完成材料的连接，其冶金物理过程与电子束焊接极为相似。在足够高的功率密度激光照射下，材料产生蒸发并形成小孔。这个充满蒸气的小孔犹如一个黑体，几乎吸收全部的入射光束能量，孔腔内平衡温度达2500 0C左右，热量从这个高温孔腔外壁传递出来，使包围着这个孔腔四周的金属熔化。小孔内充满在光束照射下壁体材料连续蒸发产生的高温蒸汽，小孔四壁包围着熔融金属，液态金属四周包围着固体材料。孔壁外液体流动和壁层表面张力与孔腔内连续产生的蒸汽压力相持并保持着动态平衡。光束不断进入小孔，小孔外的材料在连续流动，随着光束移动，小孔始终处于流动的稳定状态。就是说，小孔和围着孔壁的熔融金属随着前导光束前进速度向前移动，熔融金属充填着小孔移开后留下的空隙并随之冷凝，焊缝于是形成。上述过程的所有这一切发生得如此快，使焊接速度很容易达到每分钟数米。

三、激光器的分类

（一） CO2气体激光器

CO2气体激光器发射光的波长为10.6微米，电效率为10%到15%。CO2激光器所使用的激光气体主要是氦气，同时有部分 CO2气体、激光活性介质和氮气。目前在材料加工领域中应用的CO2激光器，通常是采用气体热交换器进行散热。

1、基本结构如下图11

激光管

是激光机中最关键的部件。常用硬质玻璃制成，一般采用层套筒式结构。最里面一层是放电管，第2层为水冷套管，最外一层为储气管。

光学谐振腔

CO2激光器的谐振腔常用平凹腔，反射镜用K8光学玻璃或光学石英，经加工成大曲率半径的凹面镜，镜面上镀有高反射率的金属膜——镀金膜，在波长10.6μm处的反射率达98.8%，且化学性质稳定。

反射镜用来调节激光的方向进而用来焊接。

电源及泵浦

2、常见的CO2激光器

横流式CO2激光器、轴流式CO2激光器、扩散冷却CO2激光器。 （二）灯泵浦Nd：YAG激光器

如下图所示，这种激励激光器的Nd：YAG棒通常放在双椭圆反射器的公共

焦距上，俩个激励灯放在俩个外焦轴上。

大功率激光器中，典型的Nd：YAG棒一般长150纳米，直径7到10毫米。泵浦过程中激光棒发热，限制了每个棒的最大输出功率，因此必须保持激光棒晶体内部的产热和外壁冷却造成的温度梯度较低，以确保在晶体棒中形成的残余应力低于晶体的开裂极限。单棒Nd：YAG激光器功率范围在50到800瓦，这种激光器的控制电路和电源设备常放在独立的控制柜中，激光头可通过光纤直接与加工系统安装在一起。

也可以将多个Nd：YAG棒串联起来可获得高功率的激光束。目前Nd：YAG激光器系统设计可多达8个腔，输出功率4KW。

另一种提高功率的办法是通过并行光纤耦合，多路激光依次进入一根光纤传输，但是这种方法需要多台激光器，比较昂贵。

四、激光填丝焊

铝合金是航空航天工业中的主要结构材料，它不仅具有高比强度、高比模量、良好的断裂韧性、疲劳强度和较低的裂纹扩展速率，同时还具有优良的成形工艺性和良好的耐蚀性。激光焊接具有能量集中、焊接变形小、焊缝质量优良、生产效率高等优点，此外激光的柔性更增加了焊接工艺的灵活性。在飞机制造中，激光焊接可以实现飞机结构以焊代铆以及替代常规焊接方法提高焊缝质量。

（一）激光焊接不填丝局限性：

1.焊接接头的化学成份完全取决于母材，性能不能按要求进行调整；激光焊接铝合金时，低沸点元素容易蒸发造成接头性能下降。 2.激光焊接对接头间隙要求严格，自熔焊所允许的间隙量最大不超过板厚的10%。在实际生产中，尤其对于航空航天工业，不可避免地会遇到对薄板的对接激光焊，当薄板厚度为1.2mm或者更薄时，对接焊的间隙要求很难满足。如果对薄板采用曲面对接焊，这一间隙要求更难达到。虽然通过机械加工可以使被焊工件的装配间隙符合要求，但这势必增加成本，更不利于激光焊接在工业生产中推广应用。

3.激光焊接铝合金时过程不稳定，焊缝成形不理想，且由于熔池中高反射率和低表面张力，将会导致焊缝缺陷，如焊塌、气孔和软化等。 （二）采用激光填丝焊接技术

不仅可以保持激光焊固有的优点，还可以改善铝合金激光焊接的表面成形，提高接头的力学性能，防止裂纹产生，以较小的功率实现厚板的焊接等，从而大大扩展激光焊接的可能性与应用范围。因此，激光填丝焊接技术是激光焊接的发展与应用中必须解决的一项基本技术。

激光填丝焊接的原理如下图所示，该工艺与“扫描”加工方式不同的是，聚焦激光斑点不是直接照射在工件表面，而是照射到焊丝上，焊丝金属熔化后再进入待焊两工件之间，为了保护加工区和控制光致等离子体，还需要向激光束和焊丝及工件作用部位吹送保护气体。为了实现单面焊双面成形，保证焊缝背面成形，还必须对其施加背保护。

在对铝合金激光填丝焊接技术研究中，送丝直径最小为0.8mm，配合机器人实现自动化焊接。由于铝丝质软易卷曲，在送丝过程中易出现堆丝，因此送丝系统理想的驱动方式是推-拉丝方式，即在焊丝盘一端推，在焊接头一端拉。 五、焊缝研究 经过焊接实验，得到焊接式件，用砂纸和抛光机磨光可以在电镜下观察到清晰的焊缝图像。

如图 焊缝分布不均 ，左右不对称，焊接质量较差。

焊缝分布均匀，焊缝对称，焊接成果较好。

焊接组织中有明显的气泡，虽然数目较少，但依然会对系统的强度和刚度造成影响。

焊缝组织的层状结构，它的存在表明激光焊接可以实现金属材料的堆积，对于3D打印的研究有重大意义。 六、收获

通过激光焊接应用技术课程的学习，我系统的了解了激光焊接的原理、应用以及焊接过程和不同激光器的区别、使用。激光焊接作为21世纪最有前途的发展技术之一，目前我国在取得巨大成就的同时任然有很多不足：如何降低焊接成本，使其更广泛的应用于生产生活中、3D打印如何高效快速的实现，诸如此类任然需要我们的不懈努力。

参考文献

陈彦宾 《现代激光焊接技术》科学出版社 ，2005