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激光焊接加工原理

Writer: admin Time:2022-07-14 Browse:117

  香格里拉2娱乐平台激光焊接可通过连续或脉冲激光束实现。激光焊接的原理可分为热传导焊接和激光深熔焊接。功率密度小于104~105 W/cm2为热传导焊,熔深慢,焊接速度慢;功率密度大于105~107 W/cm2时,金属表面受热凹成孔,形成深熔焊,具有焊接速度快、深宽比大的特点。热传导激光焊接原理为:激光辐射加热待加工表面,表面热量通过热传导向内扩散,通过控制激光脉冲的宽度、能量、峰值功率和重复频率,熔化工件,形成特定的熔池。激光焊轮焊接和冶金板焊接的激光焊机主要涉及激光深熔焊接。以下是激光深熔焊接的原理。激光深熔焊接一般采用连续激光束完成材料连接,其冶金物理工艺与电子束焊接非常相似,即能量转换机制通过小孔(Key-hole)结构完成。在足够高的功率密度激光下,材料蒸发并形成小孔。这个充满蒸汽的小孔就像一个黑体,几乎吸收了所有的入射光束能量,孔腔内的平衡温度达到2500 0C左右,热量从高温孔腔的外壁传递熔化孔腔周围的金属。孔内充满了光束照射下壁材料连续蒸发产生的高温蒸汽,孔周围包围熔融金属,液体金属周围包围固体材料(在大多数传统焊接工艺和激光传导焊接中,能量首先沉积在工件表面,然后通过传输输送到内部)。孔壁外的液体流动和壁表面张力与孔腔内连续产生的蒸汽压力保持一致,并保持动态平衡。光束继续进入小孔,小孔外的材料继续流动。随着光束的移动,小孔始终处于稳定的流动状态。也就是说,小孔和围绕孔壁的熔融金属随着前导光束的前进速度向前移动,熔融金属填充小孔移除后留下的间隙,然后冷凝,形成焊缝。所有这些过程都发生得如此之快,使焊接速度很容易达到每分钟几米。1)激光功率。激光焊接中有一个激光能量密度阈值,低于此值,熔化深度非常浅。一旦达到或超过此值,熔化深度将大大提高。只有当工件上的激光功率密度超过阈值(与材料有关)时,才会产生等离子体,这标志着稳定的深熔焊。如果激光功率低于此阈值,则工件只发生表面熔化,即焊接以稳定导热性。当激光功率密度接近小孔形成的临界条件时,深熔焊和导电焊交替进行,成为一个不稳定的焊接过程,导致熔化深度波动较大。激光深熔焊时,激光功率同时控制熔化深度和焊接速度。焊接的熔化深度与光束功率密度直接相关,是入射光束功率和光束焦点的函数。一般来说,随着光束功率的增加,对于一定直径的激光束。2)光束焦点。光束点的大小是激光焊接最重要的变量之一,因为它决定了功率密度。但对于高功率激光来说,虽然有许多间接测量技术,但测量它是一个难题。光束焦点衍射极限光斑的尺寸可以根据光衍射理论计算,但由于聚焦镜像差的存在,实际光斑大于计算值。最简单的测量方法是等温度轮廓法,即用厚纸烧焦并穿透聚丙烯板后测量焦点和穿孔直径。该方法应通过测量实践掌握激光功率和光束功能的时间。3)材料吸收值。材料对激光的吸收取决于吸收率、反射率、导热率、熔化温度、蒸发温度等材料的一些重要性,其中最重要的是吸收率。影响激光束材料吸收率的因素包括两个方面:一是材料的电阻系数,材料吸收率与电阻系数的平方根成正比,电阻系数随温度变化;其次,材料的表面状态(或光洁度)对光束吸收率有重要影响,对焊接效果有明显影响。CO激光器的输出波长通常为10.6μm,陶瓷、玻璃、橡胶、塑料等非金属对它的吸收率在室温就很高,而金属材料在室温时对它的吸收很差,直到材料一旦熔化乃至气化,它的吸收才急剧增加。采用表面涂层或表面生成氧化膜的方法,提高材料对光束的吸收很有效。4)焊接速度。焊接速度对熔深有很大影响。提高速度会使熔深变浅,但过低的速度会导致材料过度熔化和工件焊接。因此,当相应的速度值时,对一定激光功率和一定厚度的特定材料具有适当的焊接速度范围并获得最大熔深。图10-2显示了1018年钢焊接速度与熔深的关系。5)保护气体。惰性气体通常用于激光焊接过程中保护熔池。当某些材料焊接时,不考虑表面氧化,但氦、氩、氮等气体经常用于大多数应用,使工件在焊接过程中免受氧化。氦不容易电离(高电离能量),可以使激光顺利通过,光束能量直接到达工件表面。这是激光焊接中最有效的气体保护,但价格相对昂贵。氩气更便宜,密度更高,所以保护效果更好。然而,它很容易被高温金属等离子体电离,从而阻挡了部分光束对工件的射击,降低了焊接的有效激光功率,也损害了焊接速度和熔化深度。氩气保护焊件的表面比氦气保护更光滑。氮是最便宜的保护气体,但不适用于某些类型的不锈钢焊接,主要是由于冶金问题,如吸收,有时在搭接区域产生气孔。保护气体的第二个作用是保护聚焦透镜免受金属蒸汽污染和液体熔滴溅射。特别是在高功率激光焊接中,更有必要保护透镜,因为它的喷射变得非常强大。保护气体的第三个作用是有效地屏蔽驱散高功率激光焊接产生的等离子体。金属蒸汽吸收激光束电离成等离子体云,金属蒸汽周围的保护气体也会因加热而电离。如果等离子体过多,激光束在一定程度上被等离子体消耗。等离子体作为工作表面的第二种能量存在,使熔体深度变浅,焊接熔池表面变宽。增加电子复合速率,降低等离子体的电子密度等离子体中的电子密度。中性原子越轻,碰撞频率越高,复合速率越高;另一方面,只有高电离保护气体才不会因气体本身的电离而增加电子密度。=============================================================------------------------------------------------------------电离能(eV) 24.46 15.68 14.5 5.96 7.61 7.83=============================================================从表中可以看出,等离子体云的大小与所使用的保护气体不同。氦是最小的,氮是第二个,氩是最大的。等离子体尺寸越大,熔化深度越浅。造成这种差异的原因是气体分子的电离程度不同,金属蒸汽的扩散也因气体密度不同而不同。氦电离最小,密度最小,能迅速驱除金属熔池产生的上升金属蒸汽。因此,氦作为保护气体,可以最大限度地抑制等离子体,从而增加熔化深度,提高焊接速度;由于重量轻,可以逃逸,不易造成孔隙。当然,从我们的实际焊接效果来看,氩气保护效果很好。在低焊速区域,等离子云对熔深的影响最为明显。当焊接速度提高时,其影响就会减弱。保护气体通过喷嘴以一定的压力喷射到工件表面,喷嘴的流体力学形状和出口的直径非常重要。焊接表面必须覆盖足够大的保护气体,但为了有效保护透镜,防止金属蒸汽污染或金属飞溅损坏透镜,也应限制喷嘴的大小。还应控制流量,否则保护气体的层流将变成湍流,大气将卷入熔池,最终形成气孔。为了提高保护效果,还可以使用额外的侧向吹风方法,即保护气体通过小直径喷嘴直接进入深熔焊孔。保护气体不仅抑制了工件表面的等离子体云,而且影响了孔内等离子体和孔的形成,进一步增加了熔体深度,获得了理想的焊缝。但该方法需要准确控制气流的大小和方向,否则容易产生湍流,损坏熔池,导致焊接过程难以稳定。6)透镜焦距。聚焦激光通常用于焊接,通常用于63~254mm(2.5”~10)焦距镜头。聚焦点的大小与焦距成正比。焦距越短,光点就越小。但焦距长度也影响焦距深度,即焦距随焦距同步增加,因此短焦距可以提高功率密度,但由于焦距小,镜头与工件之间的距离必须准确保持,熔化深度不大。由于焊接过程中飞溅物和激光模式的影响,实际焊接中使用的最短焦距深度主要焦距126mm(5)。当接缝较大或需要增加光斑尺寸时,可选择254mm(10)焦距透镜,在这种情况下,需要更高的激光输出功率(功率密度)输出功率(功率密度)。当激光功率超过2kW特别是10.6μm的CO2.由于光学系统是由特殊的光学材料组成的,为了避免聚焦透镜被光学损坏的风险,通常选择反射聚焦方法,通常使用抛光铜镜作为反射镜。由于可以有效地冷却,它通常被推荐用于高功率激光束聚焦。7)焦点位置。在焊接过程中,为了保持足够的功率密度,焦点位置非常重要。焦点和工件表面相对位置的变化直接影响焊缝的宽度和深度。图2-6显示了1018年1018年1018年1018年。在大多数激光焊接应用中,焦点的位置通常设置在工件表面下需要熔化的1/4左右。8)激光束位置。激光焊接不同材料时,激光束位置控制焊缝的最终质量,特别是对接接头的情况比搭接接头更敏感。例如,当淬火钢齿轮焊接到低碳钢鼓轮时,激光束位置的正确控制将有利于产生具有良好抗裂性的主要低碳成分的焊缝。在某些应用中,焊接工件的几何形状需要激光束偏转一个角度。当光束轴与接头平面之间的偏转角度小于100度时,工件对激光能量的吸收不会受到影响。9)焊接开始和结束点的激光功率逐渐上升和下降控制。激光深熔焊接时,无论焊缝深度如何,总是存在小孔现象。当焊接过程终止并关闭电源开关时,焊接末端会出现坑。此外,当激光焊接层覆盖原焊缝时,激光束会被过度吸收,导致焊件过热或气孔。为了防止上述现象,可以编制电源起止点程序,使电源起止时间可调,即电子方法在短时间内从零上升到设置电源值,调整焊接时间,最后将电源从设置电源逐渐降低到零。1) 高深宽比。由于熔融金属围绕圆柱形高温蒸汽腔形成并延伸至工件,焊缝变深变窄。2) 最小热输入。由于孔内温度很高,熔化过程发生得很快,输入工件的热量很低,热变形和热影响区很小。3) 高致密性。因为充满高温蒸气的小孔有利于焊接熔池搅拌和气体逸出,导致生成无气孔的熔透焊缝。焊后高的冷却速度又易使焊缝组织细微化。4) 强焊缝。由于热热源和对非金属成分的充分吸收,减少杂质含量,改变混合尺寸及其在熔池中的分布。焊接过程不需要电极或填充焊丝,熔化区污染较少,使焊缝强度和韧性至少相当于甚至超过母金属。6) 非接触式大气焊接过程。由于能量来自光子束,与工件无物理接触,因此没有外力施加工件。此外,磁和空气对激光没有影响。1) 聚焦激光的功率密度远高于传统方法,导致焊接速度快,受热影响区和变形小,也可焊接钛等难焊材料。2) 由于光束易于传输和控制,不需要经常更换焊枪和喷嘴,没有电子束焊接所需的真空,显著减少了停机辅助时间,因此负荷系数和生产效率较高。4) 由于平均热输入低,加工精度高,可降低再加工成本;此外,激光焊接运行成本也较低,可降低工件加工成本。

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