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激光焊接的原理

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激光焊按激光器输出能量方式的不同可分为脉冲激光点焊和连续激光焊(包括高频脉冲连续焊)。按聚焦后光斑上的功率密度不同可分为熔化焊和小孔焊。

熔化焊是在激光光斑上的功率密度不高的情况下,金属材料的表面在加热时不会超过其沸点。所吸收的激光能转变为热能后,通过热传导将工件熔化,其熔深轮廓近似为半球形。这种传热熔化焊过程类似于非熔化极电弧焊。

小孔焊是当激光光斑上的功率密度足够大时,金属在激光的照射下被迅速加热,其表面温度在极短的时间内升高到沸点,金属发生气化。金属蒸汽以一定的速度离开熔池表面。产生一个附加压力反作用于熔化的金属,使其向下凹陷,在激光光斑作用下产生一个小凹坑。随着加热过程的进行,激光可直接射入坑底形成一个细长的小孔。当金属蒸汽的反冲压力与液态金属表面张力和重力平衡后,小孔不再继续深入。当光斑功率密度和大时,所产生的小孔将贯穿整个板厚,形成穿透焊缝(或焊点)。在连续激光焊时,小孔随着光束相对于工件而沿焊接方向前进。金属在小孔前方熔化,绕过小孔流向后方后,重新凝结形成焊缝。

激光焊过程中的等离子云在高功率密度的条件下进行激光焊时,可以发现:激光与金属作用区域里,金属蒸发极为激烈,不断有红色金属蒸汽逸出小孔,而在金属表面的熔池上方存在着一个蓝色的等离子云,它伴随着小孔而产生。

由于等离子云的产生与激光的功率密度、被焊金属性质、保护气等有关。并且对焊接过程产生不利的影响,会使金属表面得到的激光能量减少,焊接熔深减小,焊缝表面增宽,焊接过程不稳定。

焊接过程中克服等离子云影响的常用方法是通过喷嘴对熔池表面吹惰性气体,可以利用气体的机械吹力驱除等离子云使其偏离熔池上方。还可以利用较低温的气体降低熔池上方高温气体的温度,抑制产生等离子云的高温条件。也可以采用高频脉冲激光焊,使每个激光脉冲的加热时间少于更离子云形成的时间(约0.5ms),则等离子云还未生成焊接加热已结束。另外还可以采用高速焊或叫段波长的激光进行焊接,对减轻等离子云对焊接过程的干扰也有一定的作用。现在还有去处等离子云的设备,包括控制主机以及与所述控制主机通过电连接的感应线圈,所述感应线圈位于等离子云正上方,主机控制感应线圈产生用于快速去除等离子云的交变磁场。

激光焊接与切割不宜使用长焦距聚焦镜。也就是说,在焦平面上的光束直径d与透镜焦距f和光束发散角θ有关(d=fθ),在激光焊接与切割时,为获得足够高的功率密度,一般不允许光束发散角过大,也不使用长焦距聚焦镜。在高校焊接中不宜采用激光熔焊方法。因为激光熔焊是通过热传导方式将激光能量向工件内部传输,激光能利用率较低,焊接速度较慢,熔深较浅,不易焊接厚板工件。激光深熔焊以产生的小孔为特征,进入小孔的激光通过等离子体和孔壁的多次反射而几乎完全被吸收,能量利用率高,焊缝熔深大,焊速快,是一种高效的焊接方法,适于厚板焊接和有小孔效应的高速薄板焊接。

为了安全起见,在激光焊接场地的入口处应挂上相应的警示标志。激光的光束传输路线要求高于人的身高并在封闭管道中进行传输。当打开激光器或对脉冲器的电容器充电时,要给出声光警告。在激光器工作时,避免眼合和皮肤受激光辐射直射或漫反射照射,有条件时应将工作场地封闭,只留有观察孔,观察孔带有衰减装置,操作人员在封闭罩外或遥控操作。工作场所应装有通风装置及防火安全装置等。

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