激光焊接技术原理及工艺分析

激光焊接技术原理及工艺分析

王红庆  孟昭兴  杜 鸿

大庆油田中油电能热电一公司 黑龙江大庆 163314

摘 要：目前，随着焊接技术应用范围的日益扩大，在各行各业焊接应用所占的比例也更大，同时也对焊接工艺提出了越来越严格的要求，焊接从业人员也开始深刻地意识到工艺的重要性。基于此， 本文介绍激光焊接的原理以及主要特点;激光焊接的主要工艺参数包括焊接速度、离焦量和激光功率。  　　关键词：激光焊接;工艺参数;激光功率  　　中图分类号：TG456.7        文献标识码：A  　 　　0 引言  　　一、焊接工艺概述  　　焊接工艺是指在高热或高压下，用或不用焊材，在两工件之间，原子互相扩散，而使其结合成整体的一种加工工艺。这种焊接工艺具有非常广泛的应用范围，可用于金属和非金属领域。  　　焊接与其相对应的工艺有着密切的联系，包括焊接方法、并结合被焊件的材质、化学成分、结构种类、焊接要求等来确定操作。具体为：第一，确定好焊接方法，比如，手弧焊、钨极氩弧焊等方法。焊接具有非常多的方法，只能视具体情况来合理选择。第二，焊接方法确定后，然后设置焊接工艺参数，比如手弧焊有：焊条型号直径、电流、电压、焊接层道数、间层温度、检验方法等方面的数据。 

二、激光焊接的特点  　　（1）激光能在瞬间达到预定的能量密度，在焊接过程中能有效节约作业时间，提高了工件加工生产效率。其可集中加热的特点使焊缝的热影响区变得很小，适合焊接一些对温度敏感的特殊材料;同时搭配惰性气体保护装置，可防止金属氧化，从而获得组织性能良好的焊缝。  　　（2）利用激光可反射和偏转的特性，通过使用棱镜或反射镜将发射出来的激光束进行偏转，从而实现激光束在任何角度上的聚焦，利用光纤传导，可以使激光到达普通焊接装置难以到达的位置，这对加工过程中装配环节的意义很大。  　　（3）激光束通过聚焦会获得一个尺寸特别小的光斑，结合焊接机械手臂精准的移动定位，可以加工尺寸微小的精密工件，并且相对于传统加工方法，生产效率有很大的提高。  　　（4）激光束可以同时分成多束次级激光，这些激光束可以同时对一个工件的各个部位进行焊接加工，对焊接时的精度有很好的把控，为精密焊接创造了有力的条件和技术支持。  　　（5）激光焊接拥有很多明显的优势，但也有自身的局限性，目前整套激光焊接设备的投资费用较高，并且由于激光系統结构很精密，所以日常维护费用也比较高;在焊接时对装配精度也有着一定的要求;其中焊接的最大厚度有限，也是目前激光焊接设备的一大短板。  　　三、 激光焊接的原理  　　激光是由激光发生器发出的单色光，通过光纤传导到特制透镜上进行聚焦，使光束聚焦在一点，并且集中对该点输入热量。由于激光束的这种特性，单位照射面积能量能够达到107 W/cm2以上。在这种规模的热输入情况下，受热金属会因为温度瞬间超过熔点而气化，这些金属蒸气会在熔化的金属中产生一个小孔，我们称其为匙孔。由于匙孔的形状呈细长，所以在其形成之后，激光束会在匙孔内壁发生多次反射，并被吸收，因而使得熔深增加。经研究发现，如果激光发生器发出的激光束波长单一，没有杂光，那么能量密度在4×106 W/cm2左右时就能产生这种匙孔[1]。激光焊接过程中，起加热作用的激光光斑对试件进行集中加热，可以使工件在受最少热辐射量的情况下就能达到焊接条件;可以避免由于焊件过度加热而导致的变形。另外，激光焊接的加热源是光斑，所以本质上激光设备未与工件发生实质性的接触，因此在焊接的过程中就不存在电极污染、机具损耗等问题。激光焊接过程中，由于激光的能量密度很高，所以金属受激光照射到金属发生熔化和气化几乎是在瞬时完成的，以至于由焊缝中心向周围母材传递热量的时间也很少，并且激光光斑尺寸也很小，从而使焊后热影响区尺寸变小。经研究表明，汽车车身板材的激光焊接热影响区一般为1～2 mm[2]。  　　四、 激光焊接的工艺参数  　　在实际生产过程中激光焊接有以下几个焊接工艺参数：  　　（1）焊接速度。焊接速度决定了激光焊接过程中，激光光斑在焊件上的停留时间，光斑行走速度小，每秒辐射能量大，将导致板材被穿透;光斑行走速度大，则会使熔深变浅，焊得不充分。因此，在实际使用过程中应找到一个合理的焊接速度范围。  　　（2）离焦量。在激光焊接中，离焦量是一个独有且重要的参数，因为激光是通过透镜将单色光进行聚焦而获得高能光斑的，所以激光有一个焦点，在焦点处，功率密度最大。然而实际应用时会根据不同的条件，可以将待焊工件沿透镜光轴方向偏移一段距离，偏移后工件在光轴方向与焦点的距离即为离焦量。经研究表明，离焦量决定着匙孔的初始直径、熔池的扩展速度、焊点尺寸的大小[3]。  　　（3）激光功率。即激光的强度，它决定着待焊工件被加热的速度，功率越大，被加热速度越快，是一个比较重要的焊接热输入量参数。目前，大功率的激光设备在切割、打孔等加工中应用的较多。  　 　　参考文献：  　　[1] 汤超. 不锈钢车体激光焊接工艺研究[D]. 武汉：华中科技大学， 2012.  　　[2] 徐长敏. 汽车用激光拼焊板成形性能研究[D]. 天津：天津大学， 2016.