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激光焊接技术详细介绍-飞越激光

自1960年发明第一台激光器以来,人们对激光的特性进行了研究,并论证了激光的应用前景。在1964~1965年相继发明了CO₂、YAG激光器后才进一步证实了激光加工材料的可行性,这是因为这两种激光器可以产生高的平均功率和峰值功率。经过物理学家对激光特性和激光束与物质相互作用机理的研究,激光技术的应用领域才不断明确和具体化。激光焊接技术是激光工业应用的一个重要方面,在激光出现不久就有人开始了激光焊接技术的研究。

激光焊接技术经历由脉冲波向连续波的发展,由小功率薄板焊接向大功率厚件焊接发展,由单工作台单工件加工向多工作台多工件同时焊接发展,以及由简单焊缝形状向可控的复杂焊缝形状发展,激光受激物质也包含了多种气体和固体晶体。激光焊接的应用也随着激光焊接技术的发展而发展。

目前,激光焊接技术已应用在航空航天、武器制造、船舶工业、汽车制造、压力容器制造、民用及医用等多个领域。很多学者将激光加工连同电子束加工和离子束加工并称为21世纪最具发展前景及最有效的加工技术。

早期的激光焊接研究试验大多数是利用红宝石脉冲激光器,当时虽然能够获得较高的脉冲能量,但是这些激光器的平均输出功率相当低,这主要是由激光器很低的工作效率和发光物质的受激性所决定的。目前,激光焊接主要使用CO₂激光器和Nd:YAG(Neodymium-dopedYttriumAlumniniumGarnet,掺钕钇铝石榴石)激光器。Nd:YAG激光器由于具有较高的平均功率,在它出现之后就成为激光点焊和激光缝焊的优选设备。

Ready在1971年曾指出激光焊接与电子束焊接的显著区别在于激光辐射不能产生穿孔焊接方式。而实际上,当激光脉冲能量密度达到106W/c㎡时,就会在被焊接金属材料焊接界面上形成焊孔,小孔的形成条件得到满足,从而就可以利用激光束进行深熔焊接。

在20世纪70年代以前,由于高功率连续波形(CW)激光器尚未开发出来,所以研究重点集中在脉冲激光焊接(PW)上。早期的激光焊接研究实验大多数是利用红宝石脉冲激光器,1ms脉冲典型的峰值输出功率Pm为5kW左右,脉冲能量Jp为1~5J,脉冲频率f≤1Hz.当时虽然能够获得较高的脉冲能量,但这些激光器的平均输出功率P.却相当低,这主要是由激光器很低的工作效率和发光物质的受激性状决定的。Nd:YAG激光器由于具有较高的平均功率,在它出现之后很快就成为点焊和缝焊的优选设备,其焊接过程是通过焊点搭接而进行的,直到1kW以上的连续功率波形激光器诞生以后,具有真正意义的激光缝焊才得以实现。

随着千瓦级连续CO₂激光器焊接试验的成功,激光焊接技术在20世纪70年代初取得了突破性进展。在大厚度不锈钢试件上进行CO₂激光焊接,形成了穿透熔深的焊缝,从而清楚地表明了小孔的形成,而且激光焊接产生的深熔焊缝与电子束焊接相似。这些利用CO₂激光器进行金属焊接的早期工作证明了高功率连续激光焊接的巨大潜能。日本、德国、英国和苏联等国的研究人员也相继报道了高功率CO₂激光焊接技术的发展及其优化。CO₂激光焊接继续的发展集中于如何获得高光東质量的致密可靠的激光源,如何理解和解释接头设计、焊接速度、光束聚焦和等离子体效应之间的复杂相互作用及其与焊接性能的关系。除少数特例外,在这些研究中,基本不采用功率高于20kW的激光器进行焊接,事实上,激光焊接工艺开发与发展的后来实际工作表明,使用功率超过12~15kW的激光器进行激光焊接,并不会获得更好的效益,除非应用在焊接速度及高级金属工件厚度极大的场合。

由于金属对钕玻璃激光反射串远远低于CO₂激光,因此,相对于CO₂激光器来讲,使用平均功率大大降低的钕玻璃激光进行焊接就可以获得与CO₂激光焊接相当的焊接质量,光纤传导技术可以较好地应用于钕玻璃激光,而CO₂激光不具备这种性能。

在钕玻璃与Nd:YAG激光点焊的早期开发中,1.06μm波长的激光功率只有几百瓦。由于大多数金属在1.06μm波长的激光下的反射率,远远低于在10.6μmCO₂激光波长作用下的反射率,因此相对于CO₂激光器来说,使用平均功率大幅度降低的1.06μm波长的固体激光器(钕玻璃激光器或Nd:YAG激光器)进行激光焊接,可获得相当好的焊接质量。而且,光纤传导技术可以较好地应用于1.06μm波长的激光,甚至功率高于4kW也是可行的,而CO₂激光则不具备这种性能。在20世纪80年代初期,Nd:YAG激光的平均输出功率范围为200~1000W,而高功率激光仅能在多模下获得脉冲能量范围为每脉冲5~100J,对于脉宽为0.1~10ms的脉冲,其频率可达200Hz目前,功率为2kW的连续脉冲固体激光器已经在材料的激光焊接领域得到了较为广泛的应用。

CO₂激光的发展重点仍然集中于设备的开发研制,但是已不在于提高最大输出功率,而在于如何提高光束的质量及其聚焦性能。与CO₂激光器发展不同的是,Nd:YAG激光焊接系统的发展趋势仍然是如何提高平均功率,这个发展趋势受到高质量晶体生产困难和激光技术的限制。此外,Nd:YAG激光的导光与传输系统也有待于得到进一步的优化。目前,已有学者报道了平均功率为4kW的Nd:YAG激光焊接的实验数据。用于激发高功率Nd:YAG晶体的二极管激光组合的应用是一项重要的发展课题,该应用必将大大提高激光束的质量,并形成更加有效的激光加工。采用直接二极管阵列激发输出波长在近红外区域的激光,其平均功率已达1kW,光电转换率接近50%.这些激光设备和技术将会在激光焊接应用方面向CO₂激光器和Nd:YAG激光光加工技术馆论器发起挑战。

激光焊接工艺能够向工件传输高于10kW/c㎡的功率密度。因此。激光焊接能够形成深宽比较大的、小孔状的熔深。众所周知,微光焊接工艺有两大缺点和难题,即很高的成本和较低的能量转换率。然而激光焊接也有许多优势所在,如热源和光路容易操纵,控制简单,工件的变形小。热影响区小。精确性和自动化程度高,大多数情况下不需要真空室等,激光焊接的这些优点足以弥补其不足。由于激光束能够获得相当高的能量密度。而且是一种清洁的并方便控制的热源,所以,激光加工引起了生产和科研领域的广泛关注和法厚兴趣。根据激光加工工作方式可分为连续波激光和脉冲波激光。在激光加工开发的早期,能够进行材料熔化、切割与焊接的激光器多为张冲输出的固态激光器(如钕玻璃和Nd:YAG激光器),连续波型激光器不具备材料加工所需要的足够的输出功率。

然而近二十年中,高功率连续波CO₂激光器(激光波长10.6μm)和Nd:YAG激光器(激光波长1.06μm)的发展导致激光输出为热源的加工应用日趋增多和普遍,应用领域包括激光切割、焊接、热处理、表面改性等。目前几乎所有用于焊接和热处理的Nd:YAG激光器都与光导纤维系统组合使用,具有革新性的光导纤维传送系统与Nd:YAG激光器结合大大增加了激光加工系统的方便性与灵活性。这种组合系统对于工业上的多工作台同时加工及机器人或机械手操纵非常理想。而且Nd:YAG激光器比CO₂激光器更适合焊接高反射率的材料(如黄铜合金和铝合金等)。这是由于Nd:YAG激光比CO₂激光具有更短的波长,从而可获得较高的功率密度。值得注意的是,对于相同的平均功率,脉冲Nd:YAG激光比连续Nd:YAG激光可获得更大的熔深。

在航空工业以及其他许多应用中,激光焊接能够实现很多类型材料的连接,而且激光焊接通常具有许多其他熔焊工艺无法比拟的优越性,尤其是激光焊接能够连接航空与汽车工业中比较难焊的薄板合金材料,如铝合金等,并且构件的变形小。接头质量高,重现性好。激光加工另一项具有吸引力的应用方面是利用了激光能够实现局部小范围加热的特性,激光所具有的这种特点使其非常适合于印刷电路板一类的电子器件的焊接,激光能在电子器件上非常小的区域内产生很高的平均温度,而接头以外的区域则基本不受影响。

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