淺談特種加工技術(shù)--激光焊接

一、激光焊接的工作原理

激光焊接是將具有優(yōu)異的方向性、高亮度、高強度、高單色性、高相干性等特點(diǎn)的激光束輻射至加工工件表面區域內，激光束經(jīng)過(guò)光學(xué)系統聚焦后，其激光焦點(diǎn)的功率密度為104-107W/cm2，通過(guò)激光與被焊物的相互作用，在極短的時(shí)間內使被焊處形成一個(gè)能高度集中的熱源區，熱能使被焊物區域熔化后冷卻結晶形成牢固的焊點(diǎn)和焊縫。根據所用激光器及其工作方式的不同，常用的激光焊接方式有兩種，一種是脈沖激光焊，主要用于單點(diǎn)固定連續和簿件材料的焊接，焊接時(shí)形成一個(gè)個(gè)圓形焊點(diǎn)；另一種為連續激光焊，主要用于大厚件的焊接和切割，焊接過(guò)程中形成一條連續焊縫。就一般而論，焊接材料的選擇、激光焊接機的選擇，加工工作臺的選擇，是影響激光焊接效果的主要因素。而對于焊接過(guò)程中熔化現象能否產(chǎn)生和產(chǎn)生的強弱程度則主要取決于激光作用材料表面的時(shí)間、功率密度和峰值功率，控制好上述各參數就可利用激光進(jìn)行各種不同的焊接加工。激光焊接中，光束焦點(diǎn)位置是最關(guān)鍵的控制工藝參數之一，在一定激光功率和焊接速度下，只有焦點(diǎn)處于最佳位置范圍內才能獲得最大熔深和好的焊縫形狀。

二、激光焊接的主要特性

與其他傳統的焊接技術(shù)相比，激光焊接具有如下的優(yōu)點(diǎn)：

1、激光焊接屬非接觸式焊接，作業(yè)過(guò)程不需加壓，焊接速度快、功效高、深度大、殘余應力和變形小，能在室溫或特殊條件下(如封閉的空間)進(jìn)行焊接，焊接設備裝置簡(jiǎn)單，不產(chǎn)生X射線(xiàn)。

2、可焊接如高熔點(diǎn)金屬的難熔材料，甚至可用于如陶瓷、有機玻璃等非金屬材料的焊接，對異形材料施焊，效果良好，且具有很大的靈活性，可對于焊接難以接近的部位施行非接觸遠距離焊接。

3、激光束經(jīng)聚焦可獲得很小的光斑，由于不受磁場(chǎng)影響且能精確定位，因此，可進(jìn)行微型焊接，適用于大批量自動(dòng)化生產(chǎn)的微、小型工件的組焊中。

4、激光束易實(shí)現光束按時(shí)間與空間分光，可以切換裝置將激光束傳送舉多個(gè)工作站，因此，能進(jìn)行多光束同時(shí)加工及多工位加工，為更精密的焊接提供了條件。

5、激光焊接因屬無(wú)接觸加工，沒(méi)有工具損耗和工具調換等問(wèn)題，同時(shí)，其不需使用電極，因此沒(méi)有電極污染或受損的顧慮，且易于以自動(dòng)化進(jìn)行高速焊接。亦可以數位或電腦控制。然而，激光焊接也存在著(zhù)一定的局限性：

首先，激光器及其相關(guān)系統的成本較高，一次性設備投資較大。

其次，在焊接過(guò)程中，要求焊接裝配精度高，且要求光束在工件上的位置不能有顯著(zhù)偏移。

另外，焊接厚度比電子束焊小，焊接一些高反射率的金屬還比較困難。

三、激光焊接的工藝方法

1、片與片間的焊接。一般采用手動(dòng)焊接和自動(dòng)化焊接，其包括對焊、端焊、中心穿透熔化焊、中心穿孔熔化焊等四種工藝方法。

2、絲與絲的焊接。一般采用手動(dòng)焊接和半自動(dòng)焊接，其包括絲與絲對焊、交叉焊、平行搭接焊、T型焊等四種工藝方法。

3、金屬絲與塊狀元件的焊接。采用激光焊接可以成功地實(shí)現金屬絲與塊狀元件的連接，塊狀元件的尺寸可以任意。在焊接中應注意絲狀元件的幾何尺寸。

4、不同金屬的焊接。焊接不同類(lèi)型的金屬要解決可焊性與可焊參數范圍，不同材料之間的激光焊接只有某些特定的材料組合才有可能。

5、塊狀物件補焊。采用激光將激光焊絲熔化沉積到基材上，一般適合模具等產(chǎn)品的修補。

四、激光焊接的質(zhì)量控制

隨著(zhù)激光的發(fā)展，激光焊接技術(shù)日益趨于成熟。然而，在實(shí)際焊接生產(chǎn)過(guò)程中，也會(huì )因為各種原因而產(chǎn)生各樣的問(wèn)題。如何辨別問(wèn)題出現的原因，如何解決質(zhì)量問(wèn)題的出現，這是生產(chǎn)工藝管理過(guò)程中非常重要的一環(huán)。

首先，要對焊接品質(zhì)進(jìn)行檢查焊接品質(zhì)的檢查。一般有目視檢驗和破壞性檢驗兩種方法。目視檢驗顧名思義，是工作人員根據自己豐富的工作經(jīng)驗來(lái)判定焊接產(chǎn)品是否合格，但若憑此檢驗就下結論，還不充分，這就需要進(jìn)行破壞性檢驗，即撕開(kāi)焊接母材進(jìn)行確認。另外，也可利用拉伸儀進(jìn)行拉伸強度的檢驗。

其次，根據現象進(jìn)行原因分析。一般來(lái)說(shuō)，若出現焊接加工不良，可能材料有問(wèn)題，需要在檢查材料質(zhì)量后更換材料或改變激光焊接機波形設定工藝條件進(jìn)行解決；若所焊接產(chǎn)品的同一部位連續出現焊接不良，很可能是工作臺和夾具有問(wèn)題；若偶爾有焊穿和虛焊現象，可以檢查焊接機的能量穩定性或工作臺及夾具是否存在問(wèn)題。

再次，加強焊接品質(zhì)保證管理。在焊接過(guò)程中，一要經(jīng)常用壓力測試儀對焊接壓力進(jìn)行測試，以使壓力保持不變，同時(shí)，要經(jīng)常對焊接機頭的動(dòng)作狀況進(jìn)行檢查；二要加強對電流的監測，避免出現電源電壓的波動(dòng)、焊接機超載運作而引起的過(guò)熱使電流輸出減少、工件接觸不良導致電流減少、焊接機性能不良等問(wèn)題；三要考慮工件厚度、鍍層厚度、金屬成分等的變化，避免焊接不良品的出現。

五、激光焊接的注意事項

激光同一般的光一樣具有生物效應(熟效應、光效應、壓力效應以及電磁場(chǎng)效應)，這種生物效益在給人類(lèi)帶來(lái)益處的同時(shí)，若無(wú)防護或防護不好也會(huì )對如眼睛、皮膚以及神經(jīng)系統等人體組織造成直接或間接的損害。為了確保激光焊接時(shí)的安全與防護，必須對激光危害嚴加控制，做好工程控制、個(gè)人防護及安全管理。

1、工程控制

工程控制是指對激光器或激光加工系統在結構上所采取的安全措施，主要包括：防護罩——用以防止工作人員接受超過(guò)最大允許照射量；安全連鎖——指與防護罩相連的、在移開(kāi)防護罩時(shí)可避免輻射的自動(dòng)裝置；安全光路——對輻照可能引起燃燒或次級輻射的光路予以封閉；鑰匙開(kāi)關(guān)——泛指取下鑰匙時(shí)，激光器轉；光束終止——為了使激光束不超越受控的加工作業(yè)區，可使用光束終止器或衰減器。

2、個(gè)人防護

主要指穿戴耐火、耐熱的激光防護服，配戴能夠選擇性地衰減特定激光波長(cháng)的激光防護眼鏡、配戴用于紫外激光源的激光防護面罩、配戴可避免直射或散射激光造成損害的激光防護手套。

3、安全管理

安全管理主要包括設置專(zhuān)門(mén)機構或人員，明確職責、權利：包括安全培訓以及醫學(xué)監督等。

六、激光焊接的發(fā)展趨勢

人們在廣泛應用激光焊接技術(shù)的同時(shí)，亦不斷對其進(jìn)行深入的研究，針對其存在的缺點(diǎn)，利用其他熱源的加熱性能來(lái)改善激光對工件的加熱，在保持激光加熱優(yōu)點(diǎn)的基礎上，從而把激光與其他熱源一起進(jìn)行復合熱源焊接，主要有激光與電弧、激光與等離子弧、激光與感應熱源復合焊接以及雙激光束焊接等。復合焊接可增加焊接熔深，改善接頭性能，降低設備成本，提高焊接速度與生產(chǎn)率?？傊?，激光焊接生產(chǎn)效率高，加工質(zhì)量穩定可靠，經(jīng)濟效益和社會(huì )效益良好。在新設備、新材料、新技術(shù)和新工藝層出不窮、不斷更新的時(shí)代，生產(chǎn)者不僅要了解激光焊接的特性、優(yōu)點(diǎn)和要求，還應認識到此領(lǐng)域的諸多創(chuàng )新和未來(lái)趨勢，只有這樣才能把握技術(shù)流行趨勢，才能時(shí)刻走在時(shí)代的前沿。