激光焊接基础：掌握非接触熔融技术
激光焊接基础
激光焊接是一种非接触工艺，要求从被焊零件单侧接近焊接区域。
- 焊缝形成于强烈激光光在极短时间内（通常以毫秒计）快速加热材料。
- 通常有三种焊接模式：
- – 传导模式。
- – 传导/穿透模式。
- – 穿透或小孔模式。
- • 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，穿透深度大于传导模式。
- • 穿透或小孔模式焊接以深窄焊缝为特征。
- – 此模式下激光光形成称为"小孔"的汽化材料丝延伸入材料内部，为激光光高效传递能量提供通道。
- – 这种能量直接传递不依赖传导实现穿透，从而最小化材料热输入并减小热影响区。
传导焊接
- 传导连接描述一系列工艺，其中激光束聚焦：
- – 使功率密度达到10³ Wmm⁻²量级
- – 熔融材料形成接头，无显著汽化。
- • 传导焊接有两种模式：
- – 直接加热
- – 能量传输。
直接加热
- 直接加热期间，
- – 热流由来自表面热源的经典热传导控制，焊缝通过熔融部分基体材料形成。
- • 首批传导焊缝在1960年代初制作，使用低功率脉冲红宝石和CO2激光器焊接线连接器。
- • 可使用功率达数十瓦量级的CO2、Nd:YAG和二极管激光器，在各种配置下对多种金属和合金的线材和薄板进行传导焊接。
- – CO2激光束直接加热也可用于聚合物薄片的搭接和对接焊。
透射焊接
- 透射焊接是连接透射Nd:YAG和二极管激光近红外辐射聚合物的高效方法。
- 能量通过新颖的界面吸收方法被吸收。
- 若基体和增强材料热性能相似，复合材料也可连接。
- 传导焊接的能量传输模式用于透射近红外辐射的材料，特别是聚合物。
- 在搭接接头界面放置吸收墨水。墨水吸收激光束能量，传导入周围有限厚度材料形成熔融界面薄膜，冷却固化为焊接接头。
- 可在不熔化接头外表面的情况下制作厚截面搭接接头。
- 可通过以角度将能量导向一侧材料的接头线，或若材料高透射则从一端制作对接焊。
激光钎焊与锡焊
- 在激光钎焊和锡焊工艺中，光束用于熔化填充材料，润湿接头边缘而不熔化基体材料。
- 激光锡焊在1980年代初开始流行，用于通过印刷电路板上的孔连接电子元件引线。工艺参数由材料特性决定。
穿透激光焊接
- 在高功率密度下所有材料若能吸收能量都会蒸发。因此以此方式焊接时通常由蒸发形成孔洞。
- 此"孔"随材料移动，熔融壁在其后封合。
- 结果称为"小孔焊"。其特征为平行侧融合区和窄宽度。
激光焊接效率
- 定义此效率概念的术语称为"连接效率"。
- 连接效率非真正效率，单位为(mm² joined / kJ supplied)。
- – 效率 = V·t / P（切割比能量的倒数），其中V = 移动速度，mm/s；t = 焊接厚度，mm；P = 入射功率，kW。
连接效率
- 连接效率值越高，用于不必要加热的能量越少。
- – 更低热影响区（HAZ）。
- – 更低变形。
- • 电阻焊在这方面最高效，因熔融和HAZ能量仅在待焊高电阻界面产生。
- • 激光和电子束也有良好效率和高功率密度。
工艺变体
- 电弧增强激光焊接。
- – 安装在激光束相互作用点附近的TIG焊枪电弧将自动锁定在激光产生的热点上。
- – 此现象所需温度比周围温度高约300°C。
- – 效果是稳定因遍历速度而不稳定的电弧，或降低稳定电弧的电阻。
- – 锁定仅发生在低电流、因此慢阴极射流的电弧中；即电流小于80A。
- – 电弧在工件同侧与激光同侧，允许以适度增加资本成本换取焊接速度翻倍。
- • 双光束激光焊接
- – 若同时使用两束激光，则有可能控制熔池几何形状和焊缝成型。
- – 使用双电子束，小孔可被稳定，减少熔池波纹，获得更好穿透和焊缝成型。
- – 激发准分子激光和CO2激光束组合显示出对高反射率材料（如铝或铜）焊接的改进耦合。
- – 增强耦合主要归因于：
- • 激发准分子引起的表面波纹改变反射率。
- • 来自激发准分子产生等离子体耦合的次要效应。
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