高能焊教案第1章激光焊第5节工艺和参数.ppt

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1、1,第一章： 激光焊接, 1.5、激光焊工艺和参数,第1章 激光焊接,2,激光焊的焊接工艺可以分为两种： 脉冲激光焊 连续激光焊 连续激光焊所使用的焊接设备一般为CO2激光器。,第1章 激光焊接,3,5.1 脉冲激光焊概述,1. 脉冲激光焊特点： 脉冲激光焊与点焊类似，脉冲激光焊加热斑点很小，约为微米数量级，每一个激光脉冲在金属上形成一个焊点。 2. 脉冲激光焊工艺的决定因素： 脉冲激光焊的焊接工艺一般根据金属的性能，需要的熔深和焊接方式来决定激光的功率密度，脉冲宽度和波形。,第1章 激光焊接,4,3. 脉冲激光焊用途： 脉冲激光焊主要用于微型、精密元件和一些微电子元件的焊接，它是以点焊或者由

2、焊点搭接而成的焊缝方式进行的。脉冲激光焊特别适用于微型件的点焊及连续焊，例如：薄片与薄片之间的焊接、薄膜的焊接、丝与丝之间的焊接、以及、密封焊接。 由于脉冲激光焊所用激光器输出的平均功率低，焊接过程中输入工件的热量小，因而单位时间内所能焊合的面积也小，可以用于薄片(0.1mm左右)，薄膜(几微米至几十微米)，金属丝(直径可以小于0.02mm)的焊接，也可以进行一些零件的封装焊。,第1章 激光焊接,5,4. 用于激光脉冲焊的激光器： 常用于激光脉冲焊的激光器有红宝石、钕玻璃和YAG等几种。常用于激光脉冲焊的激光器有红宝石、钕玻璃和YAG等几种。,第1章 激光焊接,6,5.2 影响脉冲激光焊的因素

3、,1. 焊接加热时的能量密度范围 激光是个高能量热源，在焊接时要尽量避免焊点金属的蒸发和烧穿，因此必须严格控制它的能量密度，使焊点温度始终保持高于熔点而低于沸点。金属本身的熔点和沸点之间的距离越大，能量密度的范围越宽，焊接过程越容易控制。 控制光束能量密度的主要方法有：调整输入能量，调整光斑大小，改变光斑中的能量分布，改变脉冲宽度和衰减波的陡度。,第1章 激光焊接,7,2. 反射率 反射虑的大小说明了一种波长的光有多少比率的能量被母材吸收，有多少比率的能量被反射而损失。大多数金属在激光开始照射的时，能将激光束的大部分能量反射回去，所以焊接过程开始的瞬间，需要较高功率的光束，而当金属表面开始熔化

4、和气化后，其反射率将迅速降低，要相应的降低光束的能量密度。 反射率与以下因素有关： 温度、激光束的波长、材料的直流电阻率、激光束的入射角、材料的表面状态等因素。,第1章 激光焊接,8,具体的影响是： 温度越高，反射率越低。当接近沸点时，反射率降低到10%左右。大多数金属的反射率随波长的增加而增加，但是波长的影响只在金属熔化前产生，一旦金属熔化，就不再产生影响。母材的直流电阻率越大，反射率越低。激光束的入射角越大，反射率越大。表面光洁度越高，反射率越大。但是，单单从外表看粗糙的表面也不一定是良好的吸收表面，例如，对于1.06m波长的激光束来说，粗糙表面也可能是一种散射的表面。,第1章 激光焊接,

5、9,3. 焊接时的穿入深度 脉冲激光焊接时，激光束本身对金属的直接穿入深度是有限的。传热熔化成形方式焊接的焊点最大穿入深度主要取决于材料的导温系数，导温系数大的穿入深度大，而导温系数则与传热系数成正比、与密度和比热容成反比。同一种金属，其穿入深度决定于脉冲宽度，脉冲宽度越大，则穿入深度也越大，但是脉冲宽度的下限应在1ms以上，否则有可能成为打孔，而上限应在10ms左右，最大熔深可达0.7mm。,第1章 激光焊接,10,4. 聚焦性和离焦量 由于激光束的传播方向能够成为非常窄的一束，对于焊接来说，就可以得到很小的焊点，这对微型焊件是非常重要的。随着波长缩短、工作物质的直径增大，光束的发散角随之变

6、小，光束的宽窄相应变窄，焊点尺寸减小。但是工作物质的直径不能增大太大，应该有一个合适的范围。另外光斑直径的大小还可以通过缩短焦距而变小。通过离焦量可以调节能量密度。,第1章 激光焊接,11,5.3 脉冲激光焊接工艺,1. 薄片与薄片之间的焊接 厚度在0.2mm以上的薄片之间的焊接，可以是同种材料，也可以是异种材料，主要采取搭接形式。在选择参数的时候，主要考虑上片材料的性质、片厚和下片的熔点。将厚度较小，热扩散率较大的金属片作为下片其所需的脉冲宽度和总能量可适当小些。将沸点高而熔点与熔点距离大的近世作为上片，其所要求的能量密度大些，将对激光波长反射率低的材料作为上片，可以减少反射率损失。,第1章

7、 激光焊接,12,薄片与薄片之间的的焊接的接头形式为对接和搭接两种。 A. 对接： 两片金属接缝对齐，激光束从中间同时直接照射两片金属，使其熔化而连接起来。这种方法受结构的影响太大，要求间隙很小，尽量做到无间隙。,第1章 激光焊接,13,B 端接： 属于搭接中的一种形式，两片金属重叠一部分，激光束照射在上片的端部，使其熔化，上片金属稍往下片流动而形成焊缝。端接法熔深较较小，脉冲宽度较窄，能量较小。,第1章 激光焊接,14,C 深穿入熔化焊： 两片金属重叠在一部分，激光束直接照射在上片金属上，使上片金属的下表面和下片金属的上表面同时熔化而形成焊缝。,第1章 激光焊接,15,D 穿孔焊： 两片金属

8、重叠一部分，激光束直接照射在上片金属上，初始激光峰值很高，使光斑中心蒸发成一个小孔。随后，激光束通过小孔直接照射下片金属表面，使两片金属熔化而形成焊缝。焊接时，有少量飞溅，此法适用于厚片的焊接。,第1章 激光焊接,16,（脉冲激光焊接）薄片与薄片的焊接方式,（脉冲激光焊接）薄片与薄片的焊接方式,第1章 激光焊接,17,2. 丝与丝之间的焊接 适用于脉冲激光焊接的细丝，直径为0.020.2mm细丝之间的焊接，对激光束能量的控制是很严格的。如果能量密度稍大，金属稍微有蒸发就会引起断丝，影响焊接质量。如果能量密度太小，又可能焊接不牢。金属丝越细，对能量要求越严格，对激光器输出稳定性要求就越高。丝与丝

9、之间的焊接，焊点的质量主要是焊点的抗拉强度，它与激光能量和脉冲宽度的关系很大。要保持完全没有蒸发，就需要在较低功率密度、较大脉冲宽度的情况下进行熔化焊接。但是脉冲宽度太大，会产生后期蒸发。而脉冲宽度太小，则功率密度就必须提高，又容易产生前期蒸发。丝与丝之间焊接的接头形式有对接，重叠，十字形和T字形。其中以粗细不等的十字形接头的焊接难度最大，这是因为细丝的受激光照射部分，吸收光能熔化后容易流走而造成断裂。此类接头要采用短焦距、大离焦量，光斑尺寸应比细丝直径大四倍左右，的参数来进行焊接。以便使细丝和粗丝同时熔化，球化收缩而不至引起细丝断裂。,第1章 激光焊接,18,3. 密封焊接 脉冲激光密封焊接

10、是以单点重叠方式进行的，其焊点重叠度与密封度有关系。,第1章 激光焊接,19,4. 异种金属之间的焊接 对于可以形成合金的结构，熔点及沸点分别相近的两种金属，能够形成牢固接头的激光焊参数范围较大，温度范围可选择在熔点和沸点之间。如果一种金属的熔点比另外一种金属的沸点还要高的多，则两种金属形成牢固接头的激光焊参数范围就很窄，甚至不可能进行焊接，这是由于一种金属开始熔化时，另外一种金属已经蒸发。在这种情况下进行焊接，可以采用过渡金属来解决。,第1章 激光焊接,20,5.4 脉冲激光焊的焊接参数,脉冲激光焊有4个主要参数： 脉冲能量， 脉冲宽度， 功率密度， 离焦量。,第1章 激光焊接,21,脉冲能

11、量： 脉冲激光焊时，脉冲能量决定加热能量之大小，它主要影响金属的熔化量。 脉冲宽度： 决定焊接时的加热时间，它影响熔深和热影响区大小。脉冲能量一定时，对于不同材料，各存在一个最佳脉冲宽度，此时焊接的熔深最大。它主要取决于材料的热物理性能，特别是热导率和熔点。导热性好、熔点低的金属易获得较大的熔深。,第1章 激光焊接,22,脉冲能量和脉冲宽度的关系 脉冲能量和脉冲宽度在焊接时有一定的关系，而且随着材料厚度与性质不同而变化。焊接时，激光的平均功率P由以下公式决定： P=E / P是激光功率 (W), E是脉冲能量（J），是脉冲宽度（s）。由上面的式子可以知道，为了维持一定的功率，随着脉冲能量的增加

12、，脉冲宽度必须相应的增加，才能得到较好的焊接质量。,第1章 激光焊接,23,功率密度： 激光焊的功率密度决定焊接过程和机理。率密度较小时候，焊接以传热焊的方式进行，焊点的直径和熔深由热传导决定。当功率密度达到106W/cm2时，焊接过程产生小孔效应，形成宽深比大于1的深熔焊点，这时金属虽然有少量的蒸发，并不影响焊点的形成。但是功率密度过大后，金属蒸发剧烈，导致气化金属过多，在焊点中形成一个不能被液态金属填满的小孔，不能形成牢固的焊点。 脉冲激光焊时，功率密度由下面的式子决定： Pd = 4E /d 2 Pd 是激光光斑上的功率密度（W/cm2）， E是激光脉冲能量(J), d是光斑直径（cm）

13、， 是脉冲宽度（s）。,第1章 激光焊接,24,离焦量： 离焦量又叫入焦量，用F表示。是指焊件表面到聚焦激光束最小光斑(焦点)的距离。激光束通过透镜聚焦后，有一个最小光斑直径，如果焊件表面与之重合，则F = 0；如果焊件表面在它下面，则F 0，称为正离焦量；如果焊件表面在它上面，则F 0，称为负离焦量。 改变离焦量，可以改变激光加热加热斑点的大小和光束入射状况。焊接较厚的板时，采用适当的负离焦量可以获得最大的熔深。但是离焦量太大的情况下，会使光斑直径变大，降低光斑上的功率密度，使熔深减小。,第1章 激光焊接,25,5.5 连续CO2激光焊焊接工艺,连续激光焊所使用的焊接设备一般为CO2激光器。

14、原因是CO2激光器的输出功率比其他激光器搞高，并且输出稳定，所以可以进行薄板精密焊，以及50mm厚板的深穿入焊。 CO2激光器广泛应用于材料的激光加工。商业化CO2激光器连续输出功率为几kW至25kW，目前实验室研制出有100kW以上的大功率激光器。,第1章 激光焊接,26,接头形式以及装配要求 常用的CO2激光焊的接头形式见图。在激光焊时，用的最多的是对接接头。对接时，如果接头错边太大，会使入射激光在板角处反射，焊接过程不能稳定。薄板焊时，间隙太大，焊后焊缝表面成形不饱满，严重时形成穿孔。搭接时，板间间隙过大，则容易造成上下板之间熔合不良。,第1章 激光焊接,27,CO2激光焊的接头形式,第

15、1章 激光焊接,28,为了获得成形良好的焊缝，焊前必须将焊件装配良好。各类接头的的装配要求见表。在激光焊接的过程中，焊件应该夹紧，以防止热变形。光斑在垂直于焊接运动方向对焊缝中心的偏离量，应该小于光斑的半径。,CO2激光焊各类接头的装配要求(为板厚),第1章 激光焊接,29,焊前处理 对于钢铁等材料，焊前表面做除锈、脱脂处理即可；对于要求严格的焊件，可能需要酸洗，焊接前用乙醇(Alcohol, C2H5OH)、丙酮(Acetone, CH3-CO-CH3) 或者四氯化碳(CCl4, Carbon Tetrachloride)清洗。 在激光焊接过程中，焊件应该夹紧，以防止热变形，光斑在垂直于焊接

16、运动方向对焊缝中心的偏离量应该小于光斑直径。 激光深熔焊可以进行全位焊接，在起焊和收尾的渐变过渡，可以通过调节激光功率的递增和衰减过程，或者改变焊接速度来实现。在焊接环缝时，可实现首位平滑连接。利用内反射来增强激光吸收的焊缝，常常能提高焊接过程的效率和熔深。,第1章 激光焊接,30,填充金属 尽管激光焊适合于自熔焊，但是在一些应用场合，仍然需要填充金属。其优点是：能够改变焊缝化学成分，从而达到控制焊缝组织，改善接头力学性能的目的。在有些情况下，还能够提高焊缝抗结晶裂纹敏感性。另外，允许增大接头装配公差，改善激光焊接头准备的不理想状态。实践表明，间隙超过板厚的3%，自熔焊缝将不饱满。 填充金属常

17、常以焊丝的形式加入，可以是冷态，也可以是热态。填充金属的施加量不能过大，以免破坏小孔效应。,第1章 激光焊接,31,5.6 连续CO2激光焊焊接参数,连续CO2激光焊的参数有以下: 激光功率（P）， 焊接速度（V）， 光斑直径（d0）， 离焦量（f）， 保护气体。,第1章 激光焊接,32,激光焊参数对熔深的影响,激光功率：通常激光功率是指激光器的输出功率，没有考虑导光和聚焦系统所引起的损失。 激光功率对熔深的影响： 激光功率决定熔池深度。激光焊熔深与激光输出功率密度密切相关，是功率和光斑直径的函数。对于一定的光斑直径，在其他条件不变时，焊接熔深 h 随着激光功率的增加而增加。尽管在不同的实验条

18、件下可能有不同的实验结果，但是熔深随激光功率P的变化大致有两种典型的实验曲线，用公式近似为：hP ，（h是熔深mm，P是激光功率kW，是常数，1的典型实验值为0.7和1.0）,第1章 激光焊接,33,焊接速度,激光功率一定时，焊接速度越高，热输入越低，熔深减小。焊接速度与熔深有近似关系如下：h1/V r，（ h熔深mm，V焊接速度mm/s，r是小于1的常数）。 尽管适当降低焊接速度可以加大熔深，但是若焊接速度过低，熔深却不会再增加，反而使熔宽增大。主要原因是：在激光深熔焊时，维持小孔存在的主要动力是金属蒸气的反冲压力，当焊接速度低到一定的程度后，热输入增加，熔化金属越来越多，当金属气化所产生的

19、反冲压力不足以维持小孔的存在时，小孔不仅不再增加，甚至会崩溃，焊接过程蜕变为传热焊接，因而熔深不会再增大。 另外一个原因是随着金属气化的增加，小孔区温度上升，等离子体的浓度增加，对激光的吸收增加。这些原因使得低速焊时，激光焊熔深有一个最大值。也就是说，对于给定的激光功率等条件，存在一个维持深熔接的最小焊接速度。,第1章 激光焊接,34,熔深与激光功率和焊接速度的关系可以用下面公式表示： h是焊接熔深mm，P是激光功率W，V是焊接速度mm/s，和是常数，取决于激光源，聚焦系统和焊接材料。,第1章 激光焊接,35,光斑直径,是指照射到焊件表面的光斑尺寸大小。在激光器结构一定的条件下，照射到焊件表面

20、的光斑大小取决于透镜的焦距（f ）和离焦量（f ），根据光的衍射理论，聚焦后的最小光斑直径可以由下面公式表示： 其中 d0 是最小光斑直径（mm）， f 是透镜的焦距（mm）， 是激光波长（mm）， D是聚焦前光束直径， m 是激光振动模的阶数。,第1章 激光焊接,36,由这个公式可知，对于一定波长的光束，f / D和m 值越小，光斑直径越小。通常，焊接时为了获得熔深焊缝，要求激光光斑上的功率密度高。提高功率密度的方式有两个：一是提高激光功率P, 它和功率密度成正比；二是减小光斑直径，功率密度与直径的平方成反比。因此减小光斑比增加功率密度有效的多。减小d0可以通过使用短焦距透镜和降低激光束横模

21、阶数。低阶模聚焦后可以获得更小的光斑。对焊接和切割来说，希望激光器以基模或者低阶模.,第1章 激光焊接,37,离焦量（f ） 在激光焊接中，光束焦点位置是最关键的控制工艺参数之一，在一定激光功率和焊接速度下，只有焦点处于最佳位置范围内才能获得最大熔深和好的焊缝形状。在实际激光焊接中，为了避免和减少影响焦点位置稳定性的因素，需要专门的夹紧和设备技术，这种设备的精确程度与激光焊接的质量高低是相辅相成的。,第1章 激光焊接,38,保护气体 激光焊接时，采用保护气体的作用： 保护焊缝金属不受有害气体的侵袭，防止氧化污染，提高接头性能。 抑止等离子体。（常见的保护气体有氦气，氩气。）,第1章 激光焊接,

22、39,激光焊接参数熔深及材料热物理性能之间的关系： 焊接参数之间关系的回归方程： 激光功率（P），焊接速度（V），焊接熔深h，焊缝宽度W，以及焊接材料性质之间的关系，根据大量的经验数据，得出如下方程： 公式中，P 激光功率，kW。 h 焊接熔深，mm。 b 参数，kW/mm。 v 焊接速度，mm/s。 a 参数，kJ/mm2。 r 回归系数。,第1章 激光焊接,40,上面公式中a，b的值和回归系数r的数值见下面表。,几种材料的a b r 值,第1章 激光焊接,41,激光加工过程及示意图,第1章 激光焊接,42,激光搭接焊过程 Overlap Welding Process,43,激光对接焊过程

23、 Butt Welding Process,44,激光点焊样品 Laser Spot Welding,Spot Welding Sample Laser: Model 305 Pulsed Nd:YAG, Material: Stainless Steel,45,连续激光焊样品 （不锈钢）,Welding Laser: Model 408-2 CW Material: 10 GA. 302 Stainless Steel,46,Welding Laser: Model 403 Material: Specialty Stainless,焊接样品 （Welding Sample）,47,激光焊接样品（铝） （Welding Sample）,Welding Laser: Pulsed Nd:YAG， Material: Aluminum,48,激光打标 Laser Marking Laser: 2000 Series Nd:YAG Material: Brass with black coating,49,汽车工业激光焊接（内侧门板）,Inner door panel made up from 3 different steels that have been laser welded together.,