淺談特種加工技術(shù)--激光焊接

一、激光焊接的工作原理

激光焊接是將具有優(yōu)異的方向性、高亮度、高強(qiáng)度、高單色性、高相干性等特點(diǎn)的激光束輻射至加工工件表面區(qū)域內(nèi)，激光束經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)聚焦后，其激光焦點(diǎn)的功率密度為104-107W/cm2，通過激光與被焊物的相互作用，在極短的時(shí)間內(nèi)使被焊處形成一個(gè)能高度集中的熱源區(qū)，熱能使被焊物區(qū)域熔化后冷卻結(jié)晶形成牢固的焊點(diǎn)和焊縫。根據(jù)所用激光器及其工作方式的不同，常用的激光焊接方式有兩種，一種是脈沖激光焊，主要用于單點(diǎn)固定連續(xù)和簿件材料的焊接，焊接時(shí)形成一個(gè)個(gè)圓形焊點(diǎn)；另一種為連續(xù)激光焊，主要用于大厚件的焊接和切割，焊接過程中形成一條連續(xù)焊縫。就一般而論，焊接材料的選擇、激光焊接機(jī)的選擇，加工工作臺(tái)的選擇，是影響激光焊接效果的主要因素。而對(duì)于焊接過程中熔化現(xiàn)象能否產(chǎn)生和產(chǎn)生的強(qiáng)弱程度則主要取決于激光作用材料表面的時(shí)間、功率密度和峰值功率，控制好上述各參數(shù)就可利用激光進(jìn)行各種不同的焊接加工。激光焊接中，光束焦點(diǎn)位置是最關(guān)鍵的控制工藝參數(shù)之一，在一定激光功率和焊接速度下，只有焦點(diǎn)處于最佳位置范圍內(nèi)才能獲得最大熔深和好的焊縫形狀。

二、激光焊接的主要特性

與其他傳統(tǒng)的焊接技術(shù)相比，激光焊接具有如下的優(yōu)點(diǎn)：

1、激光焊接屬非接觸式焊接，作業(yè)過程不需加壓，焊接速度快、功效高、深度大、殘余應(yīng)力和變形小，能在室溫或特殊條件下(如封閉的空間)進(jìn)行焊接，焊接設(shè)備裝置簡(jiǎn)單，不產(chǎn)生X射線。

2、可焊接如高熔點(diǎn)金屬的難熔材料，甚至可用于如陶瓷、有機(jī)玻璃等非金屬材料的焊接，對(duì)異形材料施焊，效果良好，且具有很大的靈活性，可對(duì)于焊接難以接近的部位施行非接觸遠(yuǎn)距離焊接。

3、激光束經(jīng)聚焦可獲得很小的光斑，由于不受磁場(chǎng)影響且能精確定位，因此，可進(jìn)行微型焊接，適用于大批量自動(dòng)化生產(chǎn)的微、小型工件的組焊中。

4、激光束易實(shí)現(xiàn)光束按時(shí)間與空間分光，可以切換裝置將激光束傳送舉多個(gè)工作站，因此，能進(jìn)行多光束同時(shí)加工及多工位加工，為更精密的焊接提供了條件。

5、激光焊接因?qū)贌o接觸加工，沒有工具損耗和工具調(diào)換等問題，同時(shí)，其不需使用電極，因此沒有電極污染或受損的顧慮，且易于以自動(dòng)化進(jìn)行高速焊接。亦可以數(shù)位或電腦控制。然而，激光焊接也存在著一定的局限性：

首先，激光器及其相關(guān)系統(tǒng)的成本較高，一次性設(shè)備投資較大。

其次，在焊接過程中，要求焊接裝配精度高，且要求光束在工件上的位置不能有顯著偏移。

另外，焊接厚度比電子束焊小，焊接一些高反射率的金屬還比較困難。

三、激光焊接的工藝方法

1、片與片間的焊接。一般采用手動(dòng)焊接和自動(dòng)化焊接，其包括對(duì)焊、端焊、中心穿透熔化焊、中心穿孔熔化焊等四種工藝方法。

2、絲與絲的焊接。一般采用手動(dòng)焊接和半自動(dòng)焊接，其包括絲與絲對(duì)焊、交叉焊、平行搭接焊、T型焊等四種工藝方法。

3、金屬絲與塊狀元件的焊接。采用激光焊接可以成功地實(shí)現(xiàn)金屬絲與塊狀元件的連接，塊狀元件的尺寸可以任意。在焊接中應(yīng)注意絲狀元件的幾何尺寸。

4、不同金屬的焊接。焊接不同類型的金屬要解決可焊性與可焊參數(shù)范圍，不同材料之間的激光焊接只有某些特定的材料組合才有可能。

5、塊狀物件補(bǔ)焊。采用激光將激光焊絲熔化沉積到基材上，一般適合模具等產(chǎn)品的修補(bǔ)。

四、激光焊接的質(zhì)量控制

隨著激光的發(fā)展，激光焊接技術(shù)日益趨于成熟。然而，在實(shí)際焊接生產(chǎn)過程中，也會(huì)因?yàn)楦鞣N原因而產(chǎn)生各樣的問題。如何辨別問題出現(xiàn)的原因，如何解決質(zhì)量問題的出現(xiàn)，這是生產(chǎn)工藝管理過程中非常重要的一環(huán)。

首先，要對(duì)焊接品質(zhì)進(jìn)行檢查焊接品質(zhì)的檢查。一般有目視檢驗(yàn)和破壞性檢驗(yàn)兩種方法。目視檢驗(yàn)顧名思義，是工作人員根據(jù)自己豐富的工作經(jīng)驗(yàn)來判定焊接產(chǎn)品是否合格，但若憑此檢驗(yàn)就下結(jié)論，還不充分，這就需要進(jìn)行破壞性檢驗(yàn)，即撕開焊接母材進(jìn)行確認(rèn)。另外，也可利用拉伸儀進(jìn)行拉伸強(qiáng)度的檢驗(yàn)。

其次，根據(jù)現(xiàn)象進(jìn)行原因分析。一般來說，若出現(xiàn)焊接加工不良，可能材料有問題，需要在檢查材料質(zhì)量后更換材料或改變激光焊接機(jī)波形設(shè)定工藝條件進(jìn)行解決；若所焊接產(chǎn)品的同一部位連續(xù)出現(xiàn)焊接不良，很可能是工作臺(tái)和夾具有問題；若偶爾有焊穿和虛焊現(xiàn)象，可以檢查焊接機(jī)的能量穩(wěn)定性或工作臺(tái)及夾具是否存在問題。

再次，加強(qiáng)焊接品質(zhì)保證管理。在焊接過程中，一要經(jīng)常用壓力測(cè)試儀對(duì)焊接壓力進(jìn)行測(cè)試，以使壓力保持不變，同時(shí)，要經(jīng)常對(duì)焊接機(jī)頭的動(dòng)作狀況進(jìn)行檢查；二要加強(qiáng)對(duì)電流的監(jiān)測(cè)，避免出現(xiàn)電源電壓的波動(dòng)、焊接機(jī)超載運(yùn)作而引起的過熱使電流輸出減少、工件接觸不良導(dǎo)致電流減少、焊接機(jī)性能不良等問題；三要考慮工件厚度、鍍層厚度、金屬成分等的變化，避免焊接不良品的出現(xiàn)。

五、激光焊接的注意事項(xiàng)

激光同一般的光一樣具有生物效應(yīng)(熟效應(yīng)、光效應(yīng)、壓力效應(yīng)以及電磁場(chǎng)效應(yīng))，這種生物效益在給人類帶來益處的同時(shí)，若無防護(hù)或防護(hù)不好也會(huì)對(duì)如眼睛、皮膚以及神經(jīng)系統(tǒng)等人體組織造成直接或間接的損害。為了確保激光焊接時(shí)的安全與防護(hù)，必須對(duì)激光危害嚴(yán)加控制，做好工程控制、個(gè)人防護(hù)及安全管理。

1、工程控制

工程控制是指對(duì)激光器或激光加工系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上所采取的安全措施，主要包括：防護(hù)罩——用以防止工作人員接受超過最大允許照射量；安全連鎖——指與防護(hù)罩相連的、在移開防護(hù)罩時(shí)可避免輻射的自動(dòng)裝置；安全光路——對(duì)輻照可能引起燃燒或次級(jí)輻射的光路予以封閉；鑰匙開關(guān)——泛指取下鑰匙時(shí)，激光器轉(zhuǎn)；光束終止——為了使激光束不超越受控的加工作業(yè)區(qū)，可使用光束終止器或衰減器。

2、個(gè)人防護(hù)

主要指穿戴耐火、耐熱的激光防護(hù)服，配戴能夠選擇性地衰減特定激光波長(zhǎng)的激光防護(hù)眼鏡、配戴用于紫外激光源的激光防護(hù)面罩、配戴可避免直射或散射激光造成損害的激光防護(hù)手套。

3、安全管理

安全管理主要包括設(shè)置專門機(jī)構(gòu)或人員，明確職責(zé)、權(quán)利：包括安全培訓(xùn)以及醫(yī)學(xué)監(jiān)督等。

六、激光焊接的發(fā)展趨勢(shì)

人們?cè)趶V泛應(yīng)用激光焊接技術(shù)的同時(shí)，亦不斷對(duì)其進(jìn)行深入的研究，針對(duì)其存在的缺點(diǎn)，利用其他熱源的加熱性能來改善激光對(duì)工件的加熱，在保持激光加熱優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，從而把激光與其他熱源一起進(jìn)行復(fù)合熱源焊接，主要有激光與電弧、激光與等離子弧、激光與感應(yīng)熱源復(fù)合焊接以及雙激光束焊接等。復(fù)合焊接可增加焊接熔深，改善接頭性能，降低設(shè)備成本，提高焊接速度與生產(chǎn)率?？傊?，激光焊接生產(chǎn)效率高，加工質(zhì)量穩(wěn)定可靠，經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益良好。在新設(shè)備、新材料、新技術(shù)和新工藝層出不窮、不斷更新的時(shí)代，生產(chǎn)者不僅要了解激光焊接的特性、優(yōu)點(diǎn)和要求，還應(yīng)認(rèn)識(shí)到此領(lǐng)域的諸多創(chuàng)新和未來趨勢(shì)，只有這樣才能把握技術(shù)流行趨勢(shì)，才能時(shí)刻走在時(shí)代的前沿。