welcome to www.chinaweld.com.cn   [英文版]
 
焊接工艺
   您现在的位置是:中国焊接网
 
激光焊原理、特点、应用范围及分类
双击自动滚屏 发布者:chinaweld 发布时间:11/21/2007 阅读:14521

 

 

 

激光焊原理、特点、应用范围及分类

 

 

 

一、原理

激光是利用原子受辐射的原理,使工作物质受激而产生的一种单色性高、方向性强、亮度高的光束,经聚焦后把光束聚焦到焦点上可获得极高的能量密度,利用它与被焊工件相互作用,使金属发生蒸发、熔化、结晶、凝固而形成焊缝。

二、特点

① 由于激光束的频谱宽度窄 ,经汇聚后的光斑直径可小到0.01mm,功率密度可达109W/cm2,它和电子束焊同属于高能焊。可焊0.150mm厚的工件。

② 脉冲激光焊加热过程短、焊点小、热影响区小。

③ 与电子束焊相比,激光焊不需要真空,也不存在X射线防护问题。

④ 能对难以接近的部位进行焊接,能透过玻璃或其他透明物体进行焊接。

⑤ 激光不受电磁场的影响。

⑥ 激光的电光转换效率低(约为0.1%~0.3%)。工件的加工和组装精度要求高,夹具要求精密,因此焊接成本高。

三、应用范围

① 用脉冲激光焊能够焊接铜、铁、锆、钽、铝、钛、铌等金属及其合金。用连续激光焊,除铜、铝合金难焊外,其他金属与合金都能焊接。

② 用脉冲激光焊可把金属丝或薄板焊接在一起。

③ 主要应用于电子工业领域,如微电器件外壳及精密传感器外壳的封焊、精密热电偶的焊接、波导元件的定位焊接。

④ 也可用来焊接石英、玻璃、陶瓷、塑料等非金属材料。

四、激光焊分类

按激光器输出能量方式的不同,激光焊分为脉冲激光焊和连续激光焊(包括高频脉冲连续激光焊);按激光聚焦后光斑上功率密度的不同,激光焊可分为传热焊和深熔焊。

1. 传热焊

采用的激光光斑功率密度小于105W/cm2时,激光将金属表面加热到熔点与沸点之间,焊接时,金属材料表面将所吸收的激光能转变为热能,使金属表面温度升高而熔化,然后通过热传导方式把热能传向金属内部,使熔化区逐渐扩大,凝固后形成焊点或焊缝,其熔深轮廓近似为半球形。这种焊接机理称为传热焊,它类似于TIG电弧焊过程,如图1(a)所示。

传热焊的主要特点是激光光斑的功率密度小,很大一部分光被金属表面所反射,光的吸收率低,焊接熔深浅,焊接速度慢主要用于薄(厚度1mm)、小零件的焊接加工。

2. 深熔焊

当激光光斑上的功率密度足够大时(106W/cm2),金属在激光的照射下被迅速加热,其表面温度在极短的时间内(10-810-6s)升高到沸点,使金属熔化和气化。当金属气化时,所产生的金属蒸气以一定的速度离开熔池,金属蒸气的逸出对熔化的液态金属产生一个附加压力(例如对于铝,p11MPa;对于钢,p5MPa),使熔池金属表面向下凹陷,在激光光斑下产生一个小凹坑〔图1(b)〕。当光束在小孔底部继续加热气化时,所产生的金属蒸气一方面压迫坑底的液态金属使小坑进一步加深,另一方面,向坑外飞出的蒸气将熔化的金属挤向熔池四周。这个过程进行下去,便在液态金属中形成一个细长的孔洞。当光束能量所产生的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,小孔不再继续加深,形成一个深度稳定的孔而进行焊接,因此称之为激光深熔焊〔图1(b)〕。如果激光功率足够大而材料相对较薄,激光焊形成的小孔贯穿整个板厚且背面可以收到部分激光,这种焊接方法也可称之为薄板激光小孔效应焊。从机理上看,深熔焊和小孔效应焊的前提都是焊接过程中存在着小孔,二者没有本质的区别。

在能量平衡和物质流动平衡的条件下,可以对小孔稳定存在时产生的一些现象进行分析。只要光束有足够高的功率密度,小孔总是可以形成的。小孔中充满了被焊金属在激光束连续照射下所产生的金属蒸气及等离子体(图2)。这个具有一定压力的等离子体还向工件表面空间喷发,在小孔之上,形成一定范围的等离子体云。小孔周围为熔池所包围,在熔化金属的外面是未熔化金属及一部分凝固金属,熔化金属的重力和表面张力有使小孔弥合的趋势,而连续产生的金属蒸气则力图维持小孔的存在。在光束入射的地方,有物质连续逸出孔外,随着光束的运动,小孔将随着光束运动,但其形状和尺寸却是稳定的。

当小孔跟着光束在物质中向前运动的时候,在小孔前方形成一个倾斜的烧蚀前沿。在这个区域,随着材料的熔化、气化,其温度高、压力大。这样,在小孔周围存在着压力梯度和温度梯度。在此压力梯度的作用下,熔融材料绕小孔周边由前沿向后沿流动。另外,温度梯度的存在使得气液分界面的表面张力随温度升高而减小,从而沿小孔周边建立了一个表面张力梯度,前沿处表面张力小,后沿处表面张力大,这就进一步驱使熔融材料绕小孔周边由前沿向后沿流动,最后在小孔后方凝固起来形成焊缝。

小孔的形成伴随着明显的声、光特征。用激光焊焊接钢件,未形成小孔时,焊件表面的火焰是橘红色或白色的,一旦小孔生成,光焰变成蓝色,并伴有爆裂声,这个声音是等离子体喷出小孔时产生的。利用激光焊时的这种声、光特征,可以对焊接质量进行监控。

3. 激光焊焊接过程中的几种效应

1)激光焊焊接过程中的等离子体

① 等离子体的形成  在高功率密度条件下进行激光加工时会出现等离子体。等离子体的产生是物质原子或分工受能量激发电离的结果,任何物质在接收外界能量而温度升高时,原子或分子受能量(光能、热能、电场能等)的激发都会产生电离,从而形成由自由运动的电子、带正电的离子和中性原子组成的等离子体。等离子体通常称为物质的第四态,在宏观上保持电中性状态。激光焊时,形成等离子体的前提是材料被加热至气化。

金属被激光加热气化后,在熔池上方形成高温金属蒸气。金属蒸气中有一定的自由电子。处在激光辐照区的自由电子通过逆韧致辐射吸收能量而被加速,直到其有足够的能量来碰撞、电离金属蒸气和周围气体,电子密度从而雪崩式地增加。这个过程可以近似地用微波加热和产生等离子体的经典模型来描述。

107W/cm2的功率下,平均电子能量随辐照时间的加长急剧增加到一个常值(约1cV)。在这个电子能量下,电离速率占有优势,产生雪崩式电离,电子密度急剧上升。电子密度最后达到的数值与复合速率有关,也与保护气体有关。

激光加工过程中的等离子体主要为金属蒸气的等离子体,这是因为金属材料的电离能低于保护气体的电离能,金属蒸气较周围气体易于电离。如果激光功率密度很高,而周围气体流动不充分时,也可能使周围气体离解而形成等离子体。

② 等离子体的行为  高功率 激光深熔焊时,位于熔池上方的等离子体会引起光的吸收和散射,改变焦点位置,降低激光功率和热源的集中程度,可影响焊接过程。

等离子体通过逆韧致辐射吸收激光能量,逆韧致辐射是等离子体吸收激光能量的重要机制,是由于电子和离子之间的碰撞所引起的。简单地说就是:在激光场中,高频率振荡的电子在和郭碰撞时,会将其相应的振动能变成无规则运动能,结果激光能量变成等离子体热运动的能量,激光能量被等离子体吸收。

等离子体对激光的吸收率与电子密度和蒸气密度成正比,随激光功率密度和作用时间的增长而增加,并与波长的平方成正比。同样的等离子体,对波长10.6μmCO2激光焊的吸收率比对波长1.06μmYAG激光的吸收高两个数量级。由于吸收率不同,不同波长的激光产生等离子体所需的功率密度阈值也不同。YAG激光产生等离子体阈值功率密度比CO2激光的高出约两个数量级。也就是说,用CO2激光进行加工时,易产生等离子体并受其影响,而用YAG激光加工,等离子体的影响则较小。

激光通过等离子体时,改变了吸收和聚焦条件,有时会出现激光束的自聚焦现象。等离子体吸收的光能可以通过不同渠道传至工件。如果等离子体传至工件的能量大于等离子体吸收所造成工件接收光能的损失,则等离子体反而增强了工件对激光能量的吸收,这时,等离子体也可看作是一个热源。

激光功率密度处于形成等离子体的阈值附近时,较稀薄的等离子体云集于工件表面,工件通过等离子体吸收能量〔图3(a)〕,当材料气化和形成的等离子体云浓度形成稳定的平衡状态时,工件表面有一较稳定的等离子体层。其存在有助于加强工件对激光的吸收。用CO2激光加工钢材,与上述情况相应的激光功率密度约为106W/cm2。由于等离子体的作用,工件对激光的总吸收率可由10%左右增至30%~50%。

激光功率密度为106107W/cm2时,等离子体的温度高,电子密度大,对激光的吸收率大,并且高温等离子体迅速膨胀,逆着激光入射方向传播(速度约为105106cm/s),形成所谓激光维持的吸收波。在这种情形中,会出现等离子体的形成和消失的周期性振荡〔图3(b)〕。这种激光维持的吸收波,容易在激光焊接过程中出现,必须加以抑制。

进一步加大激光功率密度(I>107W/cm2),激光加工区周围的气体可能被击穿。激光穿过纯气体,将气体击穿所需功率密度一般大于109W/cm2。但在激光作用的材料附近,存在一些物质的初始电离,原始电子密度较大,击穿气体所需功率密度可下降约两个数量级。击穿各种气体所需功率密度大小与气体导热性、解离能和电离能有关。气体的导热性越好,能量的传热导损失越大,等离子体的维持阈值越高,在聚焦状态下就意味着等离子体高度越低,越不容易出现等离子体屏蔽。对于电离能较低的氩气,气体流动状况不好时,在略高于106W/cm2的功率下也可能出现击穿现象。

气体击穿所形成的等离子体,其温度、压力、传播速度和对激光的吸收率都很大,形成所谓激光维持的爆发波,它完全、持续地阻断激光向工件地传播。一般在采用连续CO2激光进行加工时,其功率密度均应小于107W/cm2

2)壁聚焦效应  激光深熔焊时,当小孔形成以后,激光束将进入小孔。当光束与小孔壁相互作用时,入射激光并不能全部被吸收,有一部分将由孔壁反射在小孔某处重新汇聚起来,这一现象称为壁聚焦效应。壁聚焦效应地产生,可使激光在小孔内部维持较高的功率密度,进一步加热熔化材料。对于激光焊接过程,重要的是激光在小孔底部的剩余功率密度,它必须足够高,以维持孔底有足够高的温度,产生必要的气化压力,维持一定深度的小孔。

小孔效应的产生和壁聚焦效应的出现,能大大地改变激光与物质的相互作用过程,当光束进入小孔后,小孔相当于一个吸光的黑体,使能量的吸收率大大增加。

3)净化效应  净化效应是指CO2激光焊时,焊缝金属有害物质减少或夹杂物减少的现象。

产生净化效应原因是:有害物质在钢中可以有两种形式存在──夹杂物或直接固溶在基体中。当这些元素以非金属夹杂物存在时,在激光焊时将产生下列作用:对于波长为10.6μmCO2激光,非金属的吸收率远远大于金属,当非金属和金属同时受到激光照射时,非金属将吸收较多的激光使其温度迅速上升而气化。当这些元素固溶在金属基体时,由于这些非金属元素的沸点低,蒸气压高,它们会从熔池中蒸发出来。上述两种作用的总效果是焊缝中的有害元素减少,这对金属的性能,特别是塑性和韧性,有很大好处。当然,激光焊净化效应产生的前提必须是对焊接区加以有效地保护,使之不受大气等的污染。

 

 
 
打印本页 | 关闭窗口
把中国焊接网作为我的首页    把中国焊接网放入收藏    和中国焊接网联系
---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
地址:大连市甘井子区东纬路472-2号1单元1层6号公建
电话: 0411-86851981 86851956
传真:0411-86851835 技术支持:中易互联
辽ICP备05012178号