激光焊是利用激光能(可见光或紫外线)作为热源熔化并连接工件的焊接方法。激光焊能得以实现,不仅是因为激光本身具有极高的能量,更重要的是因为激光能量被高度聚焦于一点,使其能量密度很大。
激光焊接时,激光照射到被焊接材料的表面,与其发生作用,-部分被反射,-部分被吸收,进入材料内部。对于不透明材料,透射光被吸收,金属的线性吸收系数为107 ~108m-1。对于金属,激光在金属表面0.01~0. 1μm的厚度中被吸收转变成热能,导致金属表面温度急剧升高,再传向金属内部。
二氧化碳激光器的工作原理示意如图3. 1所示。反射镜和透镜组成的光学系统将激光聚焦并传递到被焊工件上。大多数激光焊接是在计算机控制下完成的,被焊接的工件可以通过二维或三维计算机驱动的平台移动(如数控机床);也可以固定工件,通过改变激光束的位置来完成焊接过程。
激光焊接的原理是光子轰击金属表面形成蒸气,蒸发的金属可防止剩余能量被金属反射掉。如果被焊金属有良好的导热性能,则会得到较大的熔深。激光在材料表面的反射、透射和吸收,本质上是光波的电磁场与材料相互作用的结果。激光光波人射材料时,材料中的带电粒子依着光波电矢量的步调振动,使光子的辐射能变成了电子的动能。物质吸收激光后,首先产生的是某些质点的过量能量,如自由电子的动能、束缚电子的激发能或者还有过量的声子,这些原始激发能经过一定过程再转化为热能。
激光除了与其他光源一样是一种电磁波外,还具有其他光源不具备的特性,如高方向性、高亮度(光子强度)、高单色性和高相干性。激光焊接加工时,材料吸收的光能向热能的转换是在极短的时间(约为10-9s)内完成的。在这个时间内,热能仅仅局限于材料的激光辐照区,而后通过热传导,热量由高温区传向低温区。
金属对激光的吸收,主要与激光波长、材料的性质、温度、表面状况以及激光功率密度等因素有关。般来说,金属对激光的吸收率随着温度的上升而增大,随电阻率的增加而增大。
激光焊接机的激光器分类
用于激光焊接的激光器包括CO2激光器、YAG激光器、半导体激光器和光纤激光器。焊接领域目前主要采用以下几种激光器: YAG固体激光器(含Nd3+ 的Yttrium- Alumin-ium-Garnet,简称YAG); CO2 气体激光器;光纤激光器。
这几种激光器的特点见表,它们可以互相弥补彼此的不足。
类型
波长/um
发射
功率密度/w.cm-2
最小加热面积/cm2
YAG固体激光器
1.06
通常是脉冲式的
105~107
10-8
二氧化碳气体激光器
10.6
通常是连续式的
102~104
10-8
光纤激光器
0.92-1.51
连续式、高功率脉冲式
102~105
10-8
影响金属激光焊接的因素
影响金属激光焊接性的因索有材质的化学和力学性能、表面条件、工艺参数等。高反射率的表面条件不利于获得良好的激光焊接质量。激光能使不透明的材料汽化或熔成孔洞,而且激光能自由地穿过透明材料而又不会损伤它,这一特点使激光焊能够焊接预先放置在电子管内的金属。
脉冲YAG和连续CO,激光焊接应用示例见表
类型
材料
厚度/mm
焊接速度
焊缝类型
备注
脉冲YAG激光焊
铜
<0.6
8点/s 25m/min
点焊
适用于受到限制的复杂件
不锈钢
1.5
0.001m/min
对接
最大厚度为1.5mm
钛
1.3
——
对接
反射材料(如AL、Cu)的焊接;以脉冲提供能量,特别适于点焊
连续二氧化碳激光焊
铜
0.8 20
1~2m/min 0.3m/min
对接
最大厚度:0.5mm,300w;5mm,1kw;7mm,2.5kw;10mm,5kw
>2
2~3m/min
小孔