激光焊接技術原理及工藝分析

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　　摘 要：介紹激光焊接的原理以及主要特點;激光焊接的主要工藝參數包括焊接速度、離焦量和激光功率。
　　關鍵詞：激光焊接;工藝參數;激光功率
　　中圖分類號：TG456.7        文獻標識碼：A
　　doi：10.14031/j.cnki.njwx.2019.06.045
　　作者簡介：趙昕（1987-），女，遼寧省大連市，工程師，研究方向：風電齒輪箱、齒輪潤滑、齒輪修形、激光焊接，E-mail：zhaoxin881@126.com。
　　0 引言
　　激光焊接是利用高能量密度的激光束作為熱源的一種高效精密焊接方法。
　　1 激光焊接的原理
　　激光是由激光發生器發出的單色光，通過光纖傳導到特制透鏡上進行聚焦，使光束聚焦在一點，并且集中對該點輸入熱量。由于激光束的這種特性，單位照射面積能量能夠達到107 W/cm2以上。在這種規模的熱輸入情況下，受熱金屬會因為溫度瞬間超過熔點而氣化，這些金屬蒸氣會在熔化的金屬中產生一個小孔，我們稱其為匙孔。由于匙孔的形狀呈細長，所以在其形成之后，激光束會在匙孔內壁發生多次反射，并被吸收，因而使得熔深增加。經研究發現，如果激光發生器發出的激光束波長單一，沒有雜光，那么能量密度在4×106 W/cm2左右時就能產生這種匙孔[1]。激光焊接過程中，起加熱作用的激光光斑對試件進行集中加熱，可以使工件在受最少熱輻射量的情況下就能達到焊接條件;可以避免由于焊件過度加熱而導致的變形。另外，激光焊接的加熱源是光斑，所以本質上激光設備未與工件發生實質性的接觸，因此在焊接的過程中就不存在電極污染、機具損耗等問題。激光焊接過程中，由于激光的能量密度很高，所以金屬受激光照射到金屬發生熔化和氣化幾乎是在瞬時完成的，以至于由焊縫中心向周圍母材傳遞熱量的時間也很少，并且激光光斑尺寸也很小，從而使焊后熱影響區尺寸變小。經研究表明，汽車車身板材的激光焊接熱影響區一般為1～2 mm[2]。
　　2 激光焊接的工藝參數
　　在實際生產過程中激光焊接有以下幾個焊接工藝參數：
　?。?）焊接速度。焊接速度決定了激光焊接過程中，激光光斑在焊件上的停留時間，光斑行走速度小，每秒輻射能量大，將導致板材被穿透;光斑行走速度大，則會使熔深變淺，焊得不充分。因此，在實際使用過程中應找到一個合理的焊接速度范圍。
　　（2）離焦量。在激光焊接中，離焦量是一個獨有且重要的參數，因為激光是通過透鏡將單色光進行聚焦而獲得高能光斑的，所以激光有一個焦點，在焦點處，功率密度最大。然而實際應用時會根據不同的條件，可以將待焊工件沿透鏡光軸方向偏移一段距離，偏移后工件在光軸方向與焦點的距離即為離焦量。經研究表明，離焦量決定著匙孔的初始直徑、熔池的擴展速度、焊點尺寸的大小[3]。
　　（3）激光功率。即激光的強度，它決定著待焊工件被加熱的速度，功率越大，被加熱速度越快，是一個比較重要的焊接熱輸入量參數。目前，大功率的激光設備在切割、打孔等加工中應用的較多。
　　3 激光焊接的特點
　　（1）激光能在瞬間達到預定的能量密度，在焊接過程中能有效節約作業時間，提高了工件加工生產效率。其可集中加熱的特點使焊縫的熱影響區變得很小，適合焊接一些對溫度敏感的特殊材料;同時搭配惰性氣體保護裝置，可防止金屬氧化，從而獲得組織性能良好的焊縫。
　?。?）利用激光可反射和偏轉的特性，通過使用棱鏡或反射鏡將發射出來的激光束進行偏轉，從而實現激光束在任何角度上的聚焦，利用光纖傳導，可以使激光到達普通焊接裝置難以到達的位置，這對加工過程中裝配環節的意義很大。
　?。?）激光束通過聚焦會獲得一個尺寸特別小的光斑，結合焊接機械手臂精準的移動定位，可以加工尺寸微小的精密工件，并且相對于傳統加工方法，生產效率有很大的提高。
　?。?）激光束可以同時分成多束次級激光，這些激光束可以同時對一個工件的各個部位進行焊接加工，對焊接時的精度有很好的把控，為精密焊接創造了有力的條件和技術支持。
　　（5）激光焊接擁有很多明顯的優勢，但也有自身的局限性，目前整套激光焊接設備的投資費用較高，并且由于激光系統結構很精密，所以日常維護費用也比較高;在焊接時對裝配精度也有著一定的要求;其中焊接的最大厚度有限，也是目前激光焊接設備的一大短板。
　　參考文獻：
　　[1] 湯超. 不銹鋼車體激光焊接工藝研究[D]. 武漢：華中科技大學， 2012.
　　[2] 徐長敏. 汽車用激光拼焊板成形性能研究[D]. 天津：天津大學， 2016.
　　[3] 許亞麗. 激光焊接技術[J]. 科技創新導報， 2016（22）：59-60.
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