「焊接知识」激光焊接工艺方法

       激光焊接是利用高能量密度的激光束作为热源的一种高效精密焊接方法。激光焊接是激光材料加工技术应用的重要方面之一。下面简单介绍一下几种工艺方法。

      1 . 板对板焊接

      它包括4种处理方法：

对焊；

端焊；

中心熔透熔焊；

中心穿孔熔焊。

       2 . 线对线焊接

       它包括4种处理方法：

线对线对焊；

交叉焊接；

平行搭接焊；

T型焊接。

       3 . 金属丝和块状部件的焊接

       使用激光焊接可以成功地将电线连接到集总元件，其中集总元件可以是任何尺寸。焊接时应注意焊丝元件的几何形状。

       4 . 不同金属的焊接

       不同类型金属的焊接必须解决可焊性和可焊性参数的范围。不同材料之间的激光焊接仅适用于某些材料组合。激光钎焊不适用于某些部件的连接，但激光可以作为软硬钎焊的热源，这也具有激光钎焊的优点。钎焊的使用方式多种多样，其中激光软钎焊主要用于印刷电路板的焊接，尤其适用于芯片元件组装技术。

      影响激光焊接质量的因素

     激光焊接是一种高能激光束照射工件，使工作温度急剧升高，工件熔化并重新接合形成永久接头的工艺。激光焊接具有更好的剪切强度和撕裂强度。影响激光焊接质量的因素有很多。其中一些非常不稳定并且具有相当大的不稳定性。如何正确设置和控制这些参数，使其保持在高速连续激光焊接工艺的正确范围内，以保证焊接质量。焊缝成形的可靠性和稳定性是关系到激光焊接技术实用化和产业化的重要问题。影响激光焊接质量的主要因素分为焊接设备、工件状况和工艺参数三个方面。

       1、焊接设备

       激光器最重要的质量要求是光束模式和输出功率及其稳定性。光束图案阶数越低，光束聚焦性能越好，光斑越小，相同激光功率下的功率密度越高，焊缝深度和宽度越大。一般要求基模（TEM00）或低次模，否则难以满足高质量激光焊接的要求。目前，我国激光器在光束质量和功率输出稳定性方面仍难以用于激光焊接。从国外情况看，激光光束质量和输出功率稳定性已经相当高，不会成为激光焊接的问题。光学系统影响焊接质量的最大因素是聚焦镜，使用的焦距一般在127mm（5in）到200mm（7.9in）之间，焦距小有利于减小聚焦束腰光斑直径，但太小容易在焊接过程中被污染和飞溅损坏。波长越短，吸收越高。通常，具有良好导电性的材料具有较高的反射率。YAG激光的反射率是银96%，铝92%，铜90%，铁60%。温度越高，吸光度越高，呈线性关系。一般表面涂磷酸盐、炭黑、石墨等可提高吸收率。

       2、工件状况

      激光焊接要求被加工和装配的工件边缘精度高，焊点与焊缝严格对齐，焊接过程中工件原有的装配精度和点对位不因焊接热量而改变失真。这是因为激光光斑小，焊缝窄，一般不添加填充金属。如果装配间隙过大，梁可以通过间隙而不能熔化母材，或造成明显的轻冲、凹陷，如点对缝偏差稍大可能会导致未熔合或未焊透。因此，一般板对接装配间隙和点缝偏差不应大于0.1mm，错边不应大于0.2mm。在实际生产中，有时会因为无法满足这些要求而无法使用激光焊接技术。为获得良好的焊接效果，允许的对接间隙和搭接间隙应控制在薄板厚度的10%以内。成功的激光焊接需要被焊接的基板之间的紧密接触。这需要仔细拧紧零件以达到最佳效果。

       3、焊接参数

      (1)对激光焊接方式和焊缝成形稳定性的影响，焊接参数中最重要的是激光光斑的功率密度，它对焊接方式和焊缝成形稳定性的影响如下。

      激光光斑功率密度由小到大依次为稳定热传导焊接、模式不稳定焊接和稳定深熔焊接。激光光斑功率密度，在一定光束模式和聚焦镜焦距的情况下，主要由激光功率和光束焦点位置决定。激光功率密度与激光功率成正比。而焦点位置的影响存在一个最优值。当光束的焦点在工件表面下方的某个位置（1～2mm范围内，取决于板厚和参数）时，可以获得最理想的焊缝。偏离这个最佳焦点位置，工件表面光斑变大，导致功率密度变小，到一定范围，会引起焊接过程形式的变化。焊接速度对焊接过程形式和稳定零件的影响不如激光功率和焦点位置显着，只有当焊接速度过大时，由于热输入太小而无法保持稳定的深熔焊接工艺。实际焊接时应根据焊接部位对熔深的要求选择稳定的深熔焊或稳定的热传导焊，绝对避免模态不稳定焊。

      (2)在深熔焊范围内，焊接参数对熔深的影响。

      在稳定的深熔焊范围内，激光功率越高，熔深越大，约0.7倍的关系。而且焊接速度越高，熔深越浅。在一定的激光功率和焊接速度条件下，熔深最大时焦点处于最佳位置。如果偏离该位置，则熔深减小，甚至成为不稳定焊接或稳定热传导焊接的模式。

      (3)保护气体的作用

      保护气体的主要作用是：在焊接过程中保护工件免受氧化。保护聚焦透镜免受金属蒸汽污染和液态熔滴溅射。分散高功率激光焊接产生的等离子体。冷却工件，减少热影响区。保护气体通常是氩气或氦气，如果表观质量不高，则为氮气。它们产生等离子体的趋势明显不同：氦由于其高电离体和快速的热导率，在相同条件下产生等离子体的趋势低于氩，因此允许更大的熔化深度。在一定范围内，随着保护气体流量的增加，抑制等离子体的趋势增加，从而增加熔体深度，但增加到一定范围内趋于平滑。

       (4)各参数的可监测性分析。

      在四个焊接参数中，焊接速度和保护气体流量属于易于监测并保持稳定的参数，而激光功率和焦点位置是焊接过程中可能波动且难以监测的参数。虽然激光器输出的激光功率高度稳定且易于监控，但到达工件的激光功率会因光导和聚焦系统的损耗而发生变化，而这种损耗与光学工件的质量、时间使用和表面污染，因此不易监控，成为焊接质量的不确定因素。光束的焦点位置是影响焊缝质量的焊接参数中最难监测和控制的因素之一。目前在生产中，需要手动调整和重复的工艺测试来确定合适的焦点位置，以获得所需的熔体深度。然而，由于焊接过程中工件的变形、热透镜效应或多维空间曲线，焦点位置可能会发生变化，并可能超出允许范围。

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审核编辑 黄宇