「焊接知識(shí)」激光焊接工藝方法

激光焊接是利用高能量密度的激光束作為熱源的一種高效精密焊接方法。激光焊接是激光材料加工技術(shù)應(yīng)用的重要方面之一。下面簡(jiǎn)單介紹一下幾種工藝方法。

1 . 板對(duì)板焊接

它包括4種處理方法：

對(duì)焊；

端焊；

中心熔透熔焊；

中心穿孔熔焊。

2 . 線對(duì)線焊接

它包括4種處理方法：

線對(duì)線對(duì)焊；

交叉焊接；

平行搭接焊；

T型焊接。

3 . 金屬絲和塊狀部件的焊接

使用激光焊接可以成功地將電線連接到集總元件，其中集總元件可以是任何尺寸。焊接時(shí)應(yīng)注意焊絲元件的幾何形狀。

4 .不同金屬的焊接

不同類(lèi)型金屬的焊接必須解決可焊性和可焊性參數(shù)的范圍。不同材料之間的激光焊接僅適用于某些材料組合。激光釬焊不適用于某些部件的連接，但激光可以作為軟硬釬焊的熱源，這也具有激光釬焊的優(yōu)點(diǎn)。釬焊的使用方式多種多樣，其中激光軟釬焊主要用于印刷電路板的焊接，尤其適用于芯片元件組裝技術(shù)。

影響激光焊接質(zhì)量的因素

激光焊接是一種高能激光束照射工件，使工作溫度急劇升高，工件熔化并重新接合形成永久接頭的工藝。激光焊接具有更好的剪切強(qiáng)度和撕裂強(qiáng)度。影響激光焊接質(zhì)量的因素有很多。其中一些非常不穩(wěn)定并且具有相當(dāng)大的不穩(wěn)定性。如何正確設(shè)置和控制這些參數(shù)，使其保持在高速連續(xù)激光焊接工藝的正確范圍內(nèi)，以保證焊接質(zhì)量。焊縫成形的可靠性和穩(wěn)定性是關(guān)系到激光焊接技術(shù)實(shí)用化和產(chǎn)業(yè)化的重要問(wèn)題。影響激光焊接質(zhì)量的主要因素分為焊接設(shè)備、工件狀況和工藝參數(shù)三個(gè)方面。

1、焊接設(shè)備

激光器最重要的質(zhì)量要求是光束模式和輸出功率及其穩(wěn)定性。光束圖案階數(shù)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，焊縫深度和寬度越大。一般要求基模（TEM00）或低次模，否則難以滿足高質(zhì)量激光焊接的要求。目前，我國(guó)激光器在光束質(zhì)量和功率輸出穩(wěn)定性方面仍難以用于激光焊接。從國(guó)外情況看，激光光束質(zhì)量和輸出功率穩(wěn)定性已經(jīng)相當(dāng)高，不會(huì)成為激光焊接的問(wèn)題。光學(xué)系統(tǒng)影響焊接質(zhì)量的最大因素是聚焦鏡，使用的焦距一般在127mm（5in）到200mm（7.9in）之間，焦距小有利于減小聚焦束腰光斑直徑，但太小容易在焊接過(guò)程中被污染和飛濺損壞。波長(zhǎng)越短，吸收越高。通常，具有良好導(dǎo)電性的材料具有較高的反射率。YAG激光的反射率是銀96%，鋁92%，銅90%，鐵60%。溫度越高，吸光度越高，呈線性關(guān)系。一般表面涂磷酸鹽、炭黑、石墨等可提高吸收率。

2、工件狀況

激光焊接要求被加工和裝配的工件邊緣精度高，焊點(diǎn)與焊縫嚴(yán)格對(duì)齊，焊接過(guò)程中工件原有的裝配精度和點(diǎn)對(duì)位不因焊接熱量而改變失真。這是因?yàn)榧す夤獍咝。缚p窄，一般不添加填充金屬。如果裝配間隙過(guò)大，梁可以通過(guò)間隙而不能熔化母材，或造成明顯的輕沖、凹陷，如點(diǎn)對(duì)縫偏差稍大可能會(huì)導(dǎo)致未熔合或未焊透。因此，一般板對(duì)接裝配間隙和點(diǎn)縫偏差不應(yīng)大于0.1mm，錯(cuò)邊不應(yīng)大于0.2mm。在實(shí)際生產(chǎn)中，有時(shí)會(huì)因?yàn)闊o(wú)法滿足這些要求而無(wú)法使用激光焊接技術(shù)。為獲得良好的焊接效果，允許的對(duì)接間隙和搭接間隙應(yīng)控制在薄板厚度的10%以內(nèi)。成功的激光焊接需要被焊接的基板之間的緊密接觸。這需要仔細(xì)擰緊零件以達(dá)到最佳效果。

3、焊接參數(shù)

(1)對(duì)激光焊接方式和焊縫成形穩(wěn)定性的影響，焊接參數(shù)中最重要的是激光光斑的功率密度，它對(duì)焊接方式和焊縫成形穩(wěn)定性的影響如下。

激光光斑功率密度由小到大依次為穩(wěn)定熱傳導(dǎo)焊接、模式不穩(wěn)定焊接和穩(wěn)定深熔焊接。激光光斑功率密度，在一定光束模式和聚焦鏡焦距的情況下，主要由激光功率和光束焦點(diǎn)位置決定。激光功率密度與激光功率成正比。而焦點(diǎn)位置的影響存在一個(gè)最優(yōu)值。當(dāng)光束的焦點(diǎn)在工件表面下方的某個(gè)位置（1～2mm范圍內(nèi)，取決于板厚和參數(shù)）時(shí)，可以獲得最理想的焊縫。偏離這個(gè)最佳焦點(diǎn)位置，工件表面光斑變大，導(dǎo)致功率密度變小，到一定范圍，會(huì)引起焊接過(guò)程形式的變化。焊接速度對(duì)焊接過(guò)程形式和穩(wěn)定零件的影響不如激光功率和焦點(diǎn)位置顯著，只有當(dāng)焊接速度過(guò)大時(shí)，由于熱輸入太小而無(wú)法保持穩(wěn)定的深熔焊接工藝。實(shí)際焊接時(shí)應(yīng)根據(jù)焊接部位對(duì)熔深的要求選擇穩(wěn)定的深熔焊或穩(wěn)定的熱傳導(dǎo)焊，絕對(duì)避免模態(tài)不穩(wěn)定焊。

(2)在深熔焊范圍內(nèi)，焊接參數(shù)對(duì)熔深的影響。

在穩(wěn)定的深熔焊范圍內(nèi)，激光功率越高，熔深越大，約0.7倍的關(guān)系。而且焊接速度越高，熔深越淺。在一定的激光功率和焊接速度條件下，熔深最大時(shí)焦點(diǎn)處于最佳位置。如果偏離該位置，則熔深減小，甚至成為不穩(wěn)定焊接或穩(wěn)定熱傳導(dǎo)焊接的模式。

(3)保護(hù)氣體的作用

保護(hù)氣體的主要作用是：在焊接過(guò)程中保護(hù)工件免受氧化。保護(hù)聚焦透鏡免受金屬蒸汽污染和液態(tài)熔滴濺射。分散高功率激光焊接產(chǎn)生的等離子體。冷卻工件，減少熱影響區(qū)。保護(hù)氣體通常是氬氣或氦氣，如果表觀質(zhì)量不高，則為氮?dú)狻Ｋ鼈儺a(chǎn)生等離子體的趨勢(shì)明顯不同：氦由于其高電離體和快速的熱導(dǎo)率，在相同條件下產(chǎn)生等離子體的趨勢(shì)低于氬，因此允許更大的熔化深度。在一定范圍內(nèi)，隨著保護(hù)氣體流量的增加，抑制等離子體的趨勢(shì)增加，從而增加熔體深度，但增加到一定范圍內(nèi)趨于平滑。

(4)各參數(shù)的可監(jiān)測(cè)性分析。

在四個(gè)焊接參數(shù)中，焊接速度和保護(hù)氣體流量屬于易于監(jiān)測(cè)并保持穩(wěn)定的參數(shù)，而激光功率和焦點(diǎn)位置是焊接過(guò)程中可能波動(dòng)且難以監(jiān)測(cè)的參數(shù)。雖然激光器輸出的激光功率高度穩(wěn)定且易于監(jiān)控，但到達(dá)工件的激光功率會(huì)因光導(dǎo)和聚焦系統(tǒng)的損耗而發(fā)生變化，而這種損耗與光學(xué)工件的質(zhì)量、時(shí)間使用和表面污染，因此不易監(jiān)控，成為焊接質(zhì)量的不確定因素。光束的焦點(diǎn)位置是影響焊縫質(zhì)量的焊接參數(shù)中最難監(jiān)測(cè)和控制的因素之一。目前在生產(chǎn)中，需要手動(dòng)調(diào)整和重復(fù)的工藝測(cè)試來(lái)確定合適的焦點(diǎn)位置，以獲得所需的熔體深度。然而，由于焊接過(guò)程中工件的變形、熱透鏡效應(yīng)或多維空間曲線，焦點(diǎn)位置可能會(huì)發(fā)生變化，并可能超出允許范圍。

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審核編輯 黃宇