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激光焊机原理及分类

2022-03-28

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。


激光焊机原理


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。


二氧化碳激光器的工作原理


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
<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
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

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


激光焊过程中,工件和光束做相对运动,由于剧烈蒸发产生的强驱动力使小孔前沿形成的熔化金属沿某一角度得到加速, 在小孔后面的近表面处形成熔流(大旋涡)。此后,小孔后方液态金属由于传热的作用,温度迅速降低,液态金属很快凝固,形成连续的焊缝。

上一个: 钢材激光焊接

下一个: 激光焊机熔透状态特征及焊缝形成特点

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