激光焊接工艺原理及特点

来源:焊工家园

发布时间:2018年12月6日下午 02:12:43

 激光焊采用激光作为焊接热源,机器人作为运动系统。激光热源的特殊优势在于,它有着超乎寻常的加热能力,能把大量的能量集中在很小的作用点上,所以具有能量密度高、加热集中、焊接速度快及焊接变形小等特点,可实现薄板的快速连接。

 一、激光焊原理

    激光焊采用激光作为焊接热源,机器人作为运动系统。激光热源的特殊优势在于,它有着超乎寻常的加热能力,能把大量的能量集中在很小的作用点上,所以具有能量密度高、加热集中、焊接速度快及焊接变形小等特点,可实现薄板的快速连接。

    当激光光斑上的功率密度足够大( >106 W/ cm2 )时,金属在激光的照射下迅速加热,其表面温度在极短的时间内升高至沸点,金属发生气化。金属蒸气以一定的速度离开金属熔池的表面,产生一个附加应力反作用于熔化的金属,使其向下凹陷,在激光斑下产生一个小凹坑。随着加热过程的进行,激光可以直接射入坑底,形成一个细长的“小孔”。当金属蒸气的反冲压力与液态金属的表面张力和重力平衡后,小孔不再继续深入。光斑密度很大时,所产生的小孔将贯穿于整个板厚,形成深穿透焊缝。小孔随着光束相对于工件而沿着焊接方向前进。金属在小孔前方熔化,绕过小孔流向后方,重新凝固形成的焊缝。

 

 

 

二、激光焊接方法的特点

 

    激光焊接方法具有如下特点:

    ( 1) 能量密度高、适合于高速焊接。

    ( 2) 焊接时间短、材料本身的热变形及热影响区小,尤其适合高熔点、高硬度加工。
    ( 3) 无电极、工具等的磨损消耗。
    ( 4) 对环境无污染。
    ( 5) 可通过光纤实现远距离、普通方法难以达到的部位、多路同时或分时焊接。
    ( 6) 很容易改变激光输出焦距及焊点位置。
    ( 7) 很容易搭载到机器人装置上。

    激光复合焊接技术具有显著的优点。对于激光复合焊接,优点主要体现在: 无烧穿时焊缝背面下垂的现象,适用范围更广;对于激光- MIG 焊接,优点主要体现在: 较高的焊接速度、熔焊深度大、产生的焊接热少、焊缝的强度高、焊缝宽度小及焊缝凸出小,从而使得整个系统的生产过程稳定性好,设备可用性好及焊缝准备工作量和焊接后焊缝处理工作量小,焊接生产工时短、费用低、生产效率高。

 

 

三、激光- 电弧复合热源焊接的主要形式

  

  1. 激光- TIG 复合焊接

 

    激光与TIG 复合焊接的特点是:

    ( 1) 利用电弧增强激光作用,可用小功率激光器代替大功率激光器焊接金属材料。
    ( 2) 在焊接薄件时可高速焊接。
    ( 3) 可增加熔深,改善焊缝成形,获得优质焊接接头。
    ( 4) 可以缓和母材端面接口精度要求。

   例如,当CO2 激光功率为0. 8kW,TIG 电弧的电流为90A ,焊接速度2m/ min 时,可相当5kW 的CO2 激光焊机的焊接能力,5kW 的CO2 激光束与300A 的TIG 电弧复合,焊接速度0. 5 ~5m/ min 时,获得的熔深是单独使用5kW 的CO2 激光束焊接时的1. 3 ~1. 6 倍。

 

    2. 激光- 等离子弧复合焊接

 

    激光等离子复合焊接采用如图3 所示的同轴方式。等离子弧由环状电极产生,激光束从等离子弧的中间穿过,等离子弧主要有两个功能: 一方面为激光焊接提供额外的能量,提高焊接速度,进而提高整个焊接过程的效率;另一方面等离子弧环绕在激光周围,可以产生热处理的效果,延长冷却时间,也就减少了硬化和残余应力的敏感性,改善了焊缝的微观组织性能。

 

 

 

3. 激光- MIG 复合焊接

 

    激光- MIG 复合焊的基本原理如图4 所示。除了电弧向焊接区输入能量外,激光也向焊缝金属输入热量。激光复合焊技术并不是两种焊接方法依次作用,而是两种焊接方法同时作用于焊接区。激光和电弧在不同程度和形式上影响复合焊接的性能。在激光- MIG 复合焊接时,挥发不仅发生在工件的表面,同时也发生在填充焊丝上,使得更多的金属挥发,从而使激光的能量传输更加容易。

    MIG 焊的特点在于电源成本低,焊缝桥联性好,电弧稳定性好,易于通过填充金属改善焊缝结构。而激光束焊的特点在于熔深大,焊接速度高,热输入低,焊缝窄,但焊接更厚的材料需要更大功率的焊接激光器。同时激光复合焊接的熔池比MIG 焊的要小,工件变形小,大大减少了焊后纠正焊接变形的工作。激光- MIG 复合焊接,会产生两个独立的熔池,而后面的电弧输入的热量同时起到了焊后回火处理的作用,降低焊缝硬度( 尤其是焊钢) 。由于激光复合焊接的焊接速度非常高,因此可以降低生产时间和生产成本。

 

4. 双激光束焊接技术

 

    在激光焊接过程中,由于激光功率密度大,使得焊接母材被迅速加热熔化、气化,生成高温金属蒸气。在高功率密度激光的继续作用下,很容易生成等离子体云,不仅减小工件对激光的吸收,而且使焊接过程不稳定。如果在较大的深熔小孔形成后,减小继续照射的激光功率密度,而已经形成的较大深熔小孔对激光的吸收较多,结果激光对金属蒸气的作用减小,等离子体云就能减小或消失。

    因而,用一束峰值功率较高的脉冲激光和一束连续激光,或者两束脉冲宽度、重复频率和峰值功率有较大差异的脉冲激光对工件进行复合焊接,在焊接过程中,两束激光共同照射工件,周期地形成较大深熔小孔,然后适时停止一束激光的照射,可使等离子体云很小或消失,改善工件对激光能量的吸收与利用,加大焊接熔深,提高焊接能力。

 

四、结语

 

    激光复合焊将两种焊接方法结合起来,它采用了两者各自的优点,获得了最佳的焊接效果,更高的焊接速度与良好的焊缝搭桥能力。它是目前最先进的焊接方法之一,实现了高焊接速度与良好焊接质量的完美结合。激光复合焊技术是汽车工业中一种全新的焊接技术,尤其是对于激光束焊无法实现或在经济上不可行的装配间隙要求。它具有宽广的应用范围和高效的特性,同时减少投资成本、缩短生产时间、节约生产成本和提高生产率,具有更强的竞争力。

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