激光焊接基础指南

激光焊接基础

激光焊接是一种非接触式工艺，需要从被焊接部件的一侧进入焊接区。

• 当强激光快速加热材料时形成焊缝——通常以毫秒计算。

• 通常有三种类型的焊缝：

– 传导模式。

– 传导/穿透模式。

– 穿透或锁孔模式。

• 传导模式焊接在低能量密度下进行，形成浅而宽的焊核。

• 传导/穿透模式发生在中等能量密度下，比传导模式表现出更多的穿透。

• 熔透或小孔模式焊接的特点是焊缝较深。

– 在这种模式下，激光形成一条被称为“钥匙孔”的蒸发材料细丝，它延伸到材料中并为激光有效地传递到材料中提供管道。

– 这种将能量直接传递到材料中的方式不依赖于传导来实现渗透，因此最大限度地减少了进入材料的热量并减少了热影响区。

传导焊接

• 传导连接描述了一系列激光束聚焦的过程：

– 提供大约 10³ Wmm⁻²

的功率密度

– 它融合材料以创建一个没有明显汽化的接头。

• 传导焊接有两种模式：

– 直接加热

– 能量传输。

直接加热

• 直接加热时，

– 热流由来自表面热源的经典热传导控制，焊缝由母材的部分熔化形成。

• 第一个传导焊接是在 1960 年代初期进行的，使用低功率脉冲红宝石和 CO2 激光器进行电线连接器。

• 可以使用各种配置的金属丝和薄片形式的各种金属和合金进行传导焊接。

– CO2 、Nd:YAG 和功率级为数十瓦的二极管激光器。

– CO2 激光束直接加热也可用于聚合物板材的搭接和对接焊缝。

变速箱焊接

• 透射焊接是连接聚合物的有效手段，这些聚合物可透射 Nd:YAG 和二极管激光器的近红外辐射。

• 通过新型界面吸收方法吸收能量。

• 复合材料可以连接，前提是基体和增强材料的热性能相似。

• 传导焊接的能量传输模式用于传输近红外辐射的材料，特别是聚合物。

• 吸收油墨放置在搭接接头的界面处。油墨吸收激光束能量，将激光束能量传导到有限厚度的周围材料中，形成熔化的界面膜，固化为焊接接头。

• 可以在不熔化接头外表面的情况下制作厚截面搭接接头。

• 可以通过将能量以一定角度通过接头一侧的材料或从一端（如果材料具有高透射率）向接头线引导能量来进行对接焊缝。

激光焊接和钎焊

• 在激光焊接和钎焊过程中，光束用于熔化添加的填料，从而在不熔化基材的情况下润湿接头边缘。

• 激光焊接在 80 年代初期开始流行，用于通过印刷电路板上的孔连接电子元件的引线。工艺参数由材料特性决定。

穿透激光焊接

• 在高功率密度下，如果能量可以被吸收，所有材料都会蒸发。因此，这样焊接时，通常会通过蒸发形成孔。

• 这个“洞”然后穿过材料，熔化的壁在它后面密封。

• 结果就是所谓的“锁眼焊缝”。其特点是熔合区平行，宽度窄。

激光焊接效率

• 定义此效率概念的术语称为“连接效率”。

• 连接效率不是真正的效率，因为它的单位是（mm2 连接/kJ 提供）。

– 效率=V.t/P（切割比能的倒数），其中 V =移动速度，mm/s； t =焊接厚度，mm； P =入射功率，KW。

加盟效率

• 接合效率值越高，不必要的加热所消耗的能量就越少。

– 较低的热影响区（HAZ）。

– 降低失真。

• 电阻焊在这方面的效率最高，因为熔化和热影响区能量仅在要焊接的高电阻界面处产生。

• 激光和电子束也具有良好的效率和高功率密度。

过程变化

• 电弧增强激光焊接。

– 靠近激光束相互作用点安装的 TIG 焊炬的电弧将自动锁定到激光产生的热点上。

– 这种现象所需的温度比周围温度高 300°C 左右。

– 其作用是稳定因移动速度而不稳定的电弧或降低稳定电弧的电阻。

– 锁定只发生在低电流和缓慢阴极射流的电弧中；即，对于小于 80A 的电流。

– 电弧与激光在工件的同一侧，焊接速度加倍，但资本成本略有增加。

• 双光束激光焊接

– 如果同时使用两束激光束，则可以控制熔池几何形状和焊道形状。

– 使用两束电子束，可以稳定锁孔，从而减少熔池上的波浪，并提供更好的熔深和焊道形状。

– 准分子和 CO2 激光束组合显示出改进的耦合，可用于焊接高反射率材料，例如铝或铜。

– 增强耦合被认为主要是由于：

• 通过受激准分子引起的表面波纹改变反射率。

• 通过准分子产生的等离子体耦合产生的二次效应。