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1、激光焊接技術(shù)
2、第1第1一、激光焊接的工藝特點按焊接熔池形成的機(jī)理區(qū)分,激光焊接有兩種基本模式:熱導(dǎo)焊和深熔焊,前者所用激光功率密度較低(105~1062),工件吸收激光后,僅達(dá)到表面熔化,然后依靠熱傳導(dǎo)向工件內(nèi)部傳遞熱量形成熔池。這種焊接模式熔深淺,深寬比較小。后者激光動車密度高(106~1072),工件吸收激光后迅速熔化乃至氣化,熔化的金屬在蒸汽壓力作用下形成小孔激光束可直照孔底,使小孔不斷延伸,直至小孔內(nèi)的蒸氣壓力與液體金屬的表面張力和重力平衡為止。小孔隨著激光束沿焊接方向移動時,小孔前方熔化的金屬繞過小孔流向后方,凝固后形成焊
3、縫(圖1)。這種焊接模式熔深大,深寬比也大。在機(jī)械制造領(lǐng)域,除了那些微薄零件之外,一般應(yīng)選用深館焊。深熔焊過程產(chǎn)生的金屬蒸氣和保護(hù)氣體,在激光作用下發(fā)生電離,從而在小孔內(nèi)部和上方形成等離子體。等離子體對激光有吸收、折射和散射作用,因此一般來說熔池上方的等離子體會削弱到達(dá)工件的激光能量。并影響光束的聚焦效果、對焊接不利。通??奢o加側(cè)吹氣驅(qū)除或削弱等離子體。小孔的形成和等離子體效應(yīng),使焊接過程中伴隨著具有特征的聲、光和電荷產(chǎn)生,研究它們與焊接規(guī)范及焊縫質(zhì)量之間的關(guān)系,和利用這些特征信號對激光焊接過程及質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)控,具有十分重要的理論意義
4、和實用價值。由于經(jīng)聚焦后的激光束光斑?。?.1~0.3mm),功率密度高,比電弧焊(5×102~1042)高幾個數(shù)量級,因而激光焊接具有傳統(tǒng)焊接方法無法比擬的顯著優(yōu)點:加熱范圍小,焊縫和熱影響區(qū)窄,接頭性能優(yōu)良;殘余應(yīng)力和焊接變形小,可以實現(xiàn)高精度焊接;可對高熔點、高熱導(dǎo)率,熱敏感材料及非金屬進(jìn)行焊接;焊接速度快,生產(chǎn)率高;具有高度柔性,易于實現(xiàn)自動化。激光焊與電子束焊有許多相似之處,但它不需要真空室,不產(chǎn)生X射線,更適合生產(chǎn)中推廣應(yīng)用。激光焊接實際上已取得了電子束焊接20年前的地位,成為高能束焊接技術(shù)發(fā)展的主流。二、激光焊接設(shè)備激
5、光焊接設(shè)備主要由激光器、導(dǎo)光系統(tǒng)、焊接機(jī)和控制系統(tǒng)組成。1.激光器用于激光焊接的激光器主要有CO2氣體激光器和YAG固體激光器兩種。兩者優(yōu)缺點比較如表1所示。激光器最重要的性能是輸出功率和光束質(zhì)量。從這兩方面考慮,CO2激光器比YAG激光器具有很大優(yōu)勢,是目前深熔焊接主要采用的激光器,生產(chǎn)上應(yīng)用大多數(shù)還處在1.5~6km的鋁合金板,如不采用填充焊絲,板材間隙必須為零才能獲得良好的成形,如采用φ1.6mm的焊絲做為填充金屬,即使間隙增至1.0mm,也可保證焊縫良好的成形。此外,填充焊絲還可以調(diào)整化學(xué)成分或進(jìn)行厚板多層焊。2.光束旋轉(zhuǎn)激
6、光焊使激光束旋轉(zhuǎn)進(jìn)行焊接的方法,也可大大降低焊件裝配以及光束對中的要求。例如在2mm厚高強(qiáng)合金鋼板對接時,容許對縫裝配間隙從0.14mm增大到0.25mm;而對4mm厚的板,則從0.23mm增大到0.30mm。光束中心與焊縫中心的對準(zhǔn)允許誤差從0.25mm增加至0.5mm。3.激光焊接質(zhì)量在線檢測與控制利用等離子體的光、聲、電荷信號對激光焊接過程進(jìn)行檢測,近年來已成為國內(nèi)外研究的熱點,少數(shù)研究成果已達(dá)到了閉環(huán)控制的程度。圖1是激光焊接質(zhì)量檢測和控制系統(tǒng)的實例。該系統(tǒng)所用傳感器及其功能簡單介紹如下:(l)等離子體監(jiān)測傳感器1)等離子體
7、光學(xué)傳感器(PS):它的作用是采集等離子體的特征光-紫外光信。2)等離子體電荷傳感器(PCS);利用噴嘴做探針檢測由于等離子體帶電粒子(正離子、電子)的不均勻擴(kuò)散而在噴嘴和工件之間形成的電位差。(2)系統(tǒng)功能1)識別激光焊接過程屬于何種方式。穩(wěn)定深熔焊過程,有等離子體,PS、PCS信號均很強(qiáng);穩(wěn)定熱導(dǎo)焊過程,不產(chǎn)生等離子體,PS、PCS信號幾乎等于零;模式不穩(wěn)定焊過程,等離子體間斷性地產(chǎn)生和消失,相應(yīng)地PS、PCS信號間斷性地上升和下降。2)診斷傳輸?shù)胶附訁^(qū)的激光功率是否正常。當(dāng)其他參數(shù)一定時,PS和PCS信號的強(qiáng)弱與入射到焊接區(qū)的
8、功率大小有對應(yīng)關(guān)系。因此,監(jiān)視PS和PCS信號就可以知道導(dǎo)光系統(tǒng)是否正常,焊接區(qū)的功率是否發(fā)生了波動。3)噴嘴高度自動跟蹤。PCS信號隨噴嘴-工件距離的增加而減小。利用這一規(guī)律進(jìn)行閉環(huán)控制可以保證噴嘴-工作距離不變,實現(xiàn)高度方向的自動跟蹤。4)焦點位置自動尋優(yōu)和閉環(huán)控制。在深熔焊范圍內(nèi),光束焦點位置發(fā)生波動時,PS接收到的等離子體光信號亦隨之變化,以最佳焦點位置處(此對小孔最深)PS信號最小。依據(jù)所發(fā)現(xiàn)的這個規(guī)律,可以實現(xiàn)焦點位置自動尋優(yōu)與閉環(huán)控制,使焦點位置波動小于0.2mm,熔深波動小于0.05mm。第1第1