激光焊机

机械简介

    激光焊机焊接是利用激光束作为热源的一种热加工工艺，它与电子束等离子束和一般机械加工相比较，具有许多优点。激光束的激光焦点光斑小，功率密度高，能焊接一些高熔点、高强度的合金材料。激光焊接是无接触加工，没有工具损耗和工具调换等问题。

    激光焊机焊接热影响区小，材料变形小，无需后续工序处理。激光可通过玻璃焊接处于真空容器内的工件及处于复杂结构内部位置的工件。激光束易于导向、聚焦，实现各方向变换。激光焊接与电子束加工相比较，不需要严格的真空设备系统，操作方便。激光焊接生产效率高，加工质量稳定可靠，经济效益和社会效益好。

    激光焊机用来封焊传感器金属外壳是一种的加工工艺方法，主要基于激光焊接有以下特点高的深宽比。焊缝深而窄，焊缝光亮美观。小热输入。由于功率密度高，熔化过程极快，输入工件热量很低，焊接速度快，热变形小，热影响区小。高致密性。焊缝生成过程中，熔池不断搅拌，气体易出，导致生成无气孔熔透焊缝。焊后高的冷却速度又易使焊缝组织微细化，焊缝强度、韧性和综合性能高。强固焊缝。高温热源和对非金属组份的充分吸收产生纯化作用，降低了杂质含量，改变夹杂尺寸和其在熔池中的分布，焊接过程中无需电极或填充焊丝，熔化区受污染小，使焊缝强度、韧性至少相当于甚至母体金属。

    控制。因为聚焦光斑很小，焊缝可以高精度定位，光束容易传输与控制，不需要经常更换焊炬、喷咀，显著减少停机辅助时间，生产效率高，光无惯性，还可以在高速下急停和重新启始。用自控光束移动技术则可焊复杂构件。非接触、大气环境焊接过程。因为能量来自激光，工件无物理接触，因此没有力施加于工件。另磁和空气对激光都无影响。由于平均热输入低，加工精度高，可减少再加工费用，另外，激光焊接运转费用较低，从而可降低工件成本。容易实现自动化，对光束强度与精细定位能进行有效控制。

机械种类

    泵浦固体激光焊机

    半导体激光(LD)浦固体激光焊机设备，其开发研究在世界上很活跃。 在日本作为“光子工程”国家项目已研究开发出10 kw小型(Rod型和Slab型)设备。在美国，作为“精密激光加工”国家项目。研究开发出了3 kW LD泵浦Slab型固体激光设备可获得20-30 mm的大熔深焊缝。由于焊缝宽度极小，可使激光束作横向运动扩大了熔化宽度。现在德国开发的LD泵浦薄圆盘固体激光受注目它具有体积小、质量好、效率高和可大功率化等特点Hass公司已开发出LD泵浦4 kW的圆盘激光设备并将开发10 kW级的设备。

    半导体激光焊机设备

    许多公司正在研制大功率的半导体，现已出现2~6 kW级的商用小型设备。由于体积小、质量轻，半导体激光器可直接搭载于机器人上进行焊接等加工，另外也可用光纤传输半导体激光进行焊接。尽管半导体激光器效率高、波长短但由于存在激光发散角度大、工作距离(焦深)短这一缺点仅用于激光钎焊及塑料等的焊接。

    激光远程焊机设备

    由于高光束质量的激光器相继问世如板条CO2激光器、光纤激光器和盘式YAG激光器(Disc Laser)使得激光远程焊接或称激光扫描焊接(Laser Scanning Welding)成为可能并极大地提高了汽车车身件激光焊接速度。已有固定龙门式加工机+CO2激光器、机器人+光纤激光器或盘式YAG激光器等汽车车身件制造用激光远程焊接设备。

机械原理

    激光焊机的冷水机的原理在激光（镭射）系统中的激光发生源、光束控制器和电控柜都可能需要额外冷却。 对冻水温度要求通常在15-22℃之间，对冻水精度要求通常为±1K 或 ±2K。部分设备可能要求±0.5K， 另外部分设备对冻水电导率，耐腐蚀等有一定的要求。激光系统中通常在启动时对水温有一定要求，这样就需要在水回路中增加电加热。在部分系统中的光束控制器会要求独立冷却回路。对于激光系统中的特殊应用，都能专门设计工业冷水机以满足不同的要求。

    深熔焊过程产生的金属蒸气和保护气体，在激光作用下发生电离，从而在小孔内部和上方形成等离子体。等离子体对激光有吸收、折射和散射作用，因此一般来说熔池上方的等离子体会削弱到达工件的激光能量。并影响光束的聚焦效果、对焊接不利。通常可辅加侧吹气驱除或削弱等离子体。小孔的形成和等离子体效应，使焊接过程中伴随着具有特征的声、光和电荷产生，研究它们与焊接规范及焊缝质量之间的关系，和利用这些特征信号对激光焊接过程及质量进行监控，具有十分重要的理论意义和实用价值。

    由于经聚焦后的激光束光斑小（0.1～0.3mm），功率密度高，比电弧焊（5×102～104W/cm2）高几个数量级，因而激光焊接具有传统焊接方法无法比拟的显著优点：加热范围小，焊缝和热影响区窄，接头性能；残余应力和焊接变形小，可以实现高精度焊接；可对高熔点、高热导率，热敏感材料及非金属进行焊接；焊接速度快，生产率高；具有高度柔性，易于实现自动化。

    激光焊机焊接技术是一种高新技术，由于其的特点，特别适合在传感器密封焊中使用，国外许多生产传感器的厂家均利用激光焊接工艺生产传感器，而国内采用此工艺的厂家不多，主要是一些生产军用传感器产品的厂家和部分科研机构在采用此种工艺，且采用国外激光焊接机的较多。国内激光焊接机在性能上已和国外产品相差不远，完全可以胜任国内生产传感器的工艺要求，但价格是国外同类产品的1/3-1/5。

机械使用

    激光焊机焊接有两种基本模式：热导焊和深熔焊，前者所用激光功率密度较低（105～106W／cm2），工件吸收激光后，仅达到表面熔化，然后依靠热传导向工件内部传递热量形成熔池。这种焊接模式熔深浅，深宽比较小。后者激光动车密度高（106～107W／cm2），工件吸收激光后迅速熔化乃至气化，熔化的金属在蒸汽压力作用下形成小孔激光束可直照孔底，使小孔不断延伸，直至小孔内的蒸气压力与液体金属的表面张力和重力平衡为止。小孔随着激光束沿焊接方向移动时，小孔前方熔化的金属绕过小孔流向后方，凝固后形成焊缝。这种焊接模式熔深大，深宽比也大。在机械制造领域，除了那些微薄零件之外，一般应选用深馆焊。

    激光焊机的结构模式一般分为封闭式和开放式，这两种结构各有优缺点。封闭式是设计成一个可开合的封闭箱的结构，激光工作的时候都必须在箱中进行，封闭式的焊机设有焊烟吸附过滤系统，因此，在焊接过程中的剩余辐射能量和金属焊烟都能屏蔽掉，大限度地保护操作者的健康；但由于封闭式的焊机的所有操作都必须在一个封闭工作箱中进行，而且结构固定，这样就限制了工件的大小，因此，这种焊机不适合进行大型模具的修复焊接。

    考虑到焊接时剩余的辐射激光能量小，焊烟在通风效果好的地方对人伤害较少，因此也出现开放式的激光焊机。但开放式的机构也存在很多的结构方式，而且其实用性也差别较大。按照同普的多年经验，模具修补用的焊机都要求必须体积轻巧多变，能轻易地移动，适合不同模具修补的需要。国内一般的激光焊接机器体积庞大笨重，激光总成一般做成固定式，难以移动，不适合对大型的难以移动的模具进行修补工作。

    激光焊点表面存在金属堆积，焊点中心则呈现不同程度的下塌，这主要是由于金属来不及回填产生的。当激光功率达到一定值时，熔池中的液态金属急剧蒸发形成匙孔，并产生一个反冲力，把液态金属推向熔池的边缘，堆积在焊点周围。当激光停止作用时，金属不再蒸发，反冲力消失，堆积的金属在重力的作用下重填匙孔，同时液态金属冷却凝固。如果金属在没有完全回填匙孔的情况下凝固，就会在焊点表面形成下塌。

应用

    激光焊接在工业中的应用

    （1）激光焊接在国外汽车工业中的应用

    1） 白车身激光焊接

    汽车工业中的在线激光焊接大量用在白车身冲压零件的装配和连接上。主要应用包括车顶盖激光焊、行李箱盖激光钎焊及车架激光焊接。

    另一项比较重要的车身激光焊接应用,是车身结构件（包括车门、车身侧围框架及立柱等）的激光焊接。采用激光焊的原因是可提高车身强度,并可解决一些部位难以实施常规电阻点焊的难题。

    2） 不等厚激光拼焊板

    车身制造采用不等厚激光拼焊板可减轻车身重量、减少零件数量、提高安全可靠性及降低成本。

    3） 齿轮及传动部件焊接

    20世纪80年代末,克莱斯勒公司的Kokomo分公司购进九台6kWCO2激光器,用于齿轮激光焊接,生产能力提高40%。90年代初,美国三大汽车公司投入40多台激光器用于传动部件焊接。奔驰公司经研究利用激光焊接代替电子束焊接,因为前者焊缝热影响区小。美国福特汽车公司用4。7kWCO2激光器焊接车轮钢圈,钢圈厚1mm,焊接速度为2。5m/min。该公司还采用带有视觉系统的激光焊接机,将六根轴与锻压出来的齿轮焊在一起,成为轿车自动变速器的齿轮架部件,生产率为200件/h。

    （2） 光纤激光焊在造船及海洋工程方面的应用

    许多轮船都是先制造出许多独立的局部组件结构单元,再在水中的船台上一个个进行组装。采用激光焊技术制造海洋建筑物局部组件非常合适,因为它结合了焊接切割自动化技术与激光技术。与弧焊方法相比,采用该技术可以大大提高生产率。

    造船中,采用光纤激光技术,可以无需进行焊接边缘预处理和焊前或焊后热处理就能将部件焊接在一起。与弧焊相比,激光焊的焊接接头窄,热影响区小,而且没有传统弧焊方法中出现的由于弧吹或电极磨损引起的焊接缺陷。所以,接头采用光纤激光焊,可以实现新的焊接结构设计,这在以前是不可能实焊接接头比弧焊焊接接头更加经济, 质量更好。

    （3） 激光焊在飞机制造中的应用

    激光束焊具有能量密度高,热影响区小,空间位置转换灵活,可在大气环境下焊接,焊接变形极小等优点。它主要应用于飞机大蒙皮的拼接以及蒙皮与长桁的焊接,以保证气动面的外形公差。另外在机身附件的装配中也大量使用了激光束焊接技术,如腹鳍和襟翼的翼盒,结构不再是应用内肋条骨架支撑结构和外加蒙皮完成,而是应用了的钣金成形技术后,采闲激光焊接技术在三维空间完成焊接拼合,不仅产量好,生产效率高,而且工艺再现性好,减重效果明显。

    激光焊也多见于薄壁零件的制造中,如进气道、波纹管、输油管道、变截面导管和异型封闭件。这些零件的传统焊接方法多采用微弧等离子弧焊,或者是小电流钨极氩弧焊。随着钛合金材料的大量使用,即便采用了这些低线能量的焊接技术,仍然由于薄壁材料引起的焊接变形超出公差范围和焊接缺陷的无法修复等原因,导致传统焊接工艺面临淘汰的命运。激光束焊接配以局部保护措施,非常适合焊接薄壁钛合金壳体零件。

    （4）复合激光焊的应用

    复合激光焊技术结合了激光焊和传统气体保护焊（GMAW）两者的优点,激光焊能在较小的热输入量和小的焊接热影响区（HAZ）情况下获得较大的熔深；所附加的气保焊（GMAW）可以大大扩展接头根部间隙的大小,改善表面状态和杂质的允许量；提高根部间隙填充和成形质量以及加强对焊接冶金的控制。

    （5） 激光焊在医学上的应用

    激光焊是用激光来加热, 所以它可以穿透透明介质, 能够焊到透明介质容器的里边去。这是其他焊接方法难以做到的。这种方法也被利用到医学里边,比方讲我们有些患者视网膜脱落,视网膜是在眼球的后面,视网膜脱落以后眼睛就会失明。利用激光的办法,透过眼球焊到眼球后面,把这个视网膜和眼球焊起来。这个已经是很成功的手术了；