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激光焊接加工原理

2022-11-15

昆山激光焊接

1.激光焊接加工原理
激光焊接可经过接连或脉冲激光束实现。激光焊接的原理可分为热传导焊接和激光深熔焊接。功率密度小于104~105 W/cm2为热传导焊,熔深慢,焊接速度慢;功率密度大于105~107 W/cm2时,金属外表受热凹成孔,构成深熔焊,具有焊接速度快、深宽比大的特点。
热传导激光焊接原理为:激光辐射加热待加工外表,外表热量经过热传导向内分散,经过控制激光脉冲的宽度、能量、峰值功率和重复频率,熔化工件,构成特定的熔池。
激光焊轮焊接和冶金板焊接的激光焊机首要触及激光深熔焊接。以下是激光深熔焊接的原理。

激光深熔焊接一般选用接连激光束完成资料衔接,其冶金物理工艺与电子束焊接非常类似,即能量转换机制经过小孔(Key-hole)结构完成。在足够高的功率密度激光下,资料蒸腾并构成小孔。这个充溢蒸汽的小孔就像一个黑体,几乎吸收了一切的入射光束能量,孔腔内的平衡温度抵达2500 0C左右,热量从高温孔腔的外壁传递熔化孔腔周围的金属。孔内充溢了光束照射下壁资料接连蒸腾发生的高温蒸汽,孔周围包围熔融金属,液体金属周围包围固体资料(在大多数传统焊接工艺和激光传导焊接中,能量首先沉积在工件外表,然后经过传输输送到内部)。孔壁外的液体活动和壁外表张力与孔腔内接连发生的蒸汽压力保持一致,并保持动态平衡。光束持续进入小孔,小孔外的资料持续活动。跟着光束的移动,小孔始终处于安稳的活动状况。也就是说,小孔和环绕孔壁的熔融金属跟着前导光束的行进速度向前移动,熔融金属填充小孔移除后留下的间隙,然后冷凝,构成焊缝。一切这些过程都发生得如此之快,使焊接速度很简略抵达每分钟几米。

2. 激光深熔焊接的首要工艺参数

1)激光功率。激光焊接中有一个激光能量密度阈值,低于此值,熔化深度非常浅。一旦抵达或超越此值,熔化深度将大大提高。只有当工件上的激光功率密度超越阈值(与资料有关)时,才会发生等离子体,这标志着安稳的深熔焊。假如激光功率低于此阈值,则工件只发生外表熔化,即焊接以安稳导热性。当激光功率密度接近小孔构成的临界条件时,深熔焊和导电焊交替进行,成为一个不安稳的焊接过程,导致熔化深度波动较大。激光深熔焊时,激光功率一起控制熔化深度和焊接速度。焊接的熔化深度与光束功率密度直接相关,是入射光束功率和光束焦点的函数。一般来说,跟着光束功率的添加,关于必定直径的激光束。

2)光束焦点。光束点的大小是激光焊接Z重要的变量之一,由于它决定了功率密度。但关于高功率激光来说,虽然有许多间接丈量技能,但丈量它是一个难题。

光束焦点衍射极限光斑的尺度能够依据光衍射理论核算,但由于聚集镜像差的存在,实际光斑大于核算值。Z简略的丈量办法是等温度概括法,即用厚纸烧焦并穿透聚丙烯板后丈量焦点和穿孔直径。该办法应经过丈量实践把握激光功率和光束功能的时间。
3)资料吸收值。资料对激光的吸收取决于吸收率、反射率、导热率、熔化温度、蒸腾温度等资料的一些重要性,其间Z重要的是吸收率。

影响激光束资料吸收率的因素包括两个方面:一是资料的电阻系数,资料吸收率与电阻系数的平方根成正比,电阻系数随温度改变;其次,资料的外表状况(或光洁度)对光束吸收率有重要影响,对焊接效果有显着影响。

CO激光器的输出波长一般为10.6μm,陶瓷、玻璃、橡胶、塑料等非金属对它的吸收率在室温就很高,而金属资料在室温时对它的吸收很差,直到资料一旦熔化乃至气化,它的吸收才急剧添加。选用外表涂层或外表生成氧化膜的办法,提高资料对光束的吸收很有用。

4)焊接速度。焊接速度对熔深有很大影响。提高速度会使熔深变浅,但过低的速度会导致资料过度熔化和工件焊接。因而,当相应的速度值时,对必定激光功率和必定厚度的特定资料具有适当的焊接速度范围并取得熔深。图10-2显示了1018年钢焊接速度与熔深的关系。

5)维护气体。惰性气体一般用于激光焊接过程中维护熔池。当某些资料焊接时,不考虑外表氧化,但氦、氩、氮等气体常常用于大多数应用,使工件在焊接过程中免受氧化。

氦不简略电离(高电离能量),能够使激光顺利经过,光束能量直接抵达工件外表。这是激光焊接中Z有用的气体维护,但价格相对昂贵。

氩气更廉价,密度更高,所以维护效果更好。但是,它很简略被高温金属等离子体电离,然后阻挡了部分光束对工件的射击,下降了焊接的有用激光功率,也损害了焊接速度和熔化深度。氩气维护焊件的外表比氦气维护更光滑。

氮是Z廉价的维护气体,但不适用于某些类型的不锈钢焊接,首要是由于冶金问题,如吸收,有时在搭接区域发生气孔。

维护气体的第二个作用是维护聚集透镜免受金属蒸汽污染和液体熔滴溅射。特别是在高功率激光焊接中,更有必要维护透镜,由于它的喷射变得非常强大。

维护气体的第三个作用是有用地屏蔽遣散高功率激光焊接发生的等离子体。金属蒸汽吸收激光束电离成等离子体云,金属蒸汽周围的维护气体也会因加热而电离。假如等离子体过多,激光束在必定程度上被等离子体耗费。等离子体作为作业外表的第二种能量存在,使熔体深度变浅,焊接熔池外表变宽。添加电子复合速率,下降等离子体的电子密度等离子体中的电子密度。中性原子越轻,碰撞频率越高,复合速率越高;另一方面,只有高电离维护气体才不会因气体自身的电离而添加电子密度。

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