浅谈特种加工技术--激光焊接

计算机科学等相关知识、技术于一体的激光焊接应运而生。

        一、激光焊接的工作原理

        激光焊接是将具有优异的方向性、高亮度、高强度、高单色性、高相干性等特点的激光束辐射至加工工件表面区域内，激光束经过光学系统聚焦后，其激光焦点的功率密度为104-107W/cm2，通过激光与被焊物的相互作用，在极短的时间内使被焊处形成一个能高度集中的热源区，热能使被焊物区域熔化后冷却结晶形成牢固的焊点和焊缝。根据所用激光器及其工作方式的不同，常用的激光焊接方式有两种，一种是脉冲激光焊，主要用于单点固定连续和簿件材料的焊接，焊接时形成一个个圆形焊点；另一种为连续激光焊，主要用于大厚件的焊接和切割，焊接过程中形成一条连续焊缝。就一般而论，焊接材料的选择、激光焊接机的选择，加工工作台的选择，是影响激光焊接效果的主要因素。而对于焊接过程中熔化现象能否产生和产生的强弱程度则主要取决于激光作用材料表面的时间、功率密度和峰值功率，控制好上述各参数就可利用激光进行各种不同的焊接加工。激光焊接中，光束焦点位置是最关键的控制工艺参数之一，在一定激光功率和焊接速度下，只有焦点处于最佳位置范围内才能获得最大熔深和好的焊缝形状。

        二、激光焊接的主要特性

        与其他传统的焊接技术相比，激光焊接具有如下的优点：

        1、激光焊接属非接触式焊接，作业过程不需加压，焊接速度快、功效高、深度大、残余应力和变形小，能在室温或特殊条件下(如封闭的空间)进行焊接，焊接设备装置简单，不产生X射线。

        2、可焊接如高熔点金属的难熔材料，甚至可用于如陶瓷、有机玻璃等非金属材料的焊接，对异形材料施焊，效果良好，且具有很大的灵活性，可对于焊接难以接近的部位施行非接触远距离焊接。

        3、激光束经聚焦可获得很小的光斑，由于不受磁场影响且能精确定位，因此，可进行微型焊接，适用于大批量自动化生产的微、小型工件的组焊中。

        4、激光束易实现光束按时间与空间分光，可以切换装置将激光束传送举多个工作站，因此，能进行多光束同时加工及多工位加工，为更精密的焊接提供了条件。

        5、激光焊接因属无接触加工，没有工具损耗和工具调换等问题，同时，其不需使用电极，因此没有电极污染或受损的顾虑，且易于以自动化进行高速焊接。亦可以数位或电脑控制。然而，激光焊接也存在着一定的局限性：

        首先，激光器及其相关系统的成本较高，一次性设备投资较大。
 
        其次，在焊接过程中，要求焊接装配精度高，且要求光束在工件上的位置不能有显著偏移。

        另外，焊接厚度比电子束焊小，焊接一些高反射率的金属还比较困难。

        三、激光焊接的工艺方法

        1、片与片间的焊接。一般采用手动焊接和自动化焊接，其包括对焊、端焊、中心穿透熔化焊、中心穿孔熔化焊等四种工艺方法。

        2、丝与丝的焊接。一般采用手动焊接和半自动焊接，其包括丝与丝对焊、交叉焊、平行搭接焊、T型焊等四种工艺方法。

        3、金属丝与块状元件的焊接。采用激光焊接可以成功地实现金属丝与块状元件的连接，块状元件的尺寸可以任意。在焊接中应注意丝状元件的几何尺寸。

        4、不同金属的焊接。焊接不同类型的金属要解决可焊性与可焊参数范围，不同材料之间的激光焊接只有某些特定的材料组合才有可能。

        5、块状物件补焊。采用激光将激光焊丝熔化沉积到基材上，一般适合模具等产品的修补。

        四、激光焊接的质量控制

        随着激光的发展，激光焊接技术日益趋于成熟。然而，在实际焊接生产过程中，也会因为各种原因而产生各样的问题。如何辨别问题出现的原因，如何解决质量问题的出现，这是生产工艺管理过程中非常重要的一环。

        首先，要对焊接品质进行检查焊接品质的检查。一般有目视检验和破坏性检验两种方法。目视检验顾名思义，是工作人员根据自己丰富的工作经验来判定焊接产品是否合格，但若凭此检验就下结论，还不充分，这就需要进行破坏性检验，即撕开焊接母材进行确认。另外，也可利用拉伸仪进行拉伸强度的检验。

        其次，根据现象进行原因分析。一般来说，若出现焊接加工不良，可能材料有问题，需要在检查材料质量后更换材料或改变激光焊接机波形设定工艺条件进行解决；若所焊接产品的同一部位连续出现焊接不良，很可能是工作台和夹具有问题；若偶尔有焊穿和虚焊现象，可以检查焊接机的能量稳定性或工作台及夹具是否存在问题。

        再次，加强焊接品质保证管理。在焊接过程中，一要经常用压力测试仪对焊接压力进行测试，以使压力保持不变，同时，要经常对焊接机头的动作状况进行检查；二要加强对电流的监测，避免出现电源电压的波动、焊接机超载运作而引起的过热使电流输出减少、工件接触不良导致电流减少、焊接机性能不良等问题；三要考虑工件厚度、镀层厚度、金属成分等的变化，避免焊接不良品的出现。

        五、激光焊接的注意事项

        激光同一般的光一样具有生物效应(熟效应、光效应、压力效应以及电磁场效应)，这种生物效益在给人类带来益处的同时，若无防护或防护不好也会对如眼睛、皮肤以及神经系统等人体组织造成直接或间接的损害。为了确保激光焊接时的安全与防护，必须对激光危害严加控制，做好工程控制、个人防护及安全管理。

        1、工程控制

        工程控制是指对激光器或激光加工系统在结构上所采取的安全措施，主要包括：防护罩——用以防止工作人员接受超过最大允许照射量；安全连锁——指与防护罩相连的、在移开防护罩时可避免辐射的自动装置；安全光路——对辐照可能引起燃烧或次级辐射的光路予以封闭；钥匙开关——泛指取下钥匙时，激光器转；光束终止——为了使激光束不超越受控的加工作业区，可使用光束终止器或衰减器。

        2、个人防护

        主要指穿戴耐火、耐热的激光防护服，配戴能够选择性地衰减特定激光波长的激光防护眼镜、配戴用于紫外激光源的激光防护面罩、配戴可避免直射或散射激光造成损害的激光防护手套。

        3、安全管理

        安全管理主要包括设置专门机构或人员，明确职责、权利：包括安全培训以及医学监督等。

        六、激光焊接的发展趋势

        人们在广泛应用激光焊接技术的同时，亦不断对其进行深入的研究，针对其存在的缺点，利用其他热源的加热性能来改善激光对工件的加热，在保持激光加热优点的基础上，从而把激光与其他热源一起进行复合热源焊接，主要有激光与电弧、激光与等离子弧、激光与感应热源复合焊接以及双激光束焊接等。复合焊接可增加焊接熔深，改善接头性能，降低设备成本，提高焊接速度与生产率。总之，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良好。在新设备、新材料、新技术和新工艺层出不穷、不断更新的时代，生产者不仅要了解激光焊接的特性、优点和要求，还应认识到此领域的诸多创新和未来趋势，只有这样才能把握技术流行趋势，才能时刻走在时代的前沿。