一種激光焊接工藝的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及一種激光焊接工藝。
【背景技術(shù)】
[0002]激光自1960年問世以來，在焊接方面的應(yīng)用潛力即受到人們重視并逐漸得以實(shí)現(xiàn)。早期的應(yīng)用均是采用脈沖固體激光器，進(jìn)行小型零部件的點(diǎn)焊和由點(diǎn)焊點(diǎn)搭接而成的焊縫，焊接過程屬傳導(dǎo)焊接。高功率二氧化碳激光器的出現(xiàn)，開辟了激光焊接的新領(lǐng)域。但二氧化碳激光器輸出波長長，金屬表面對它的反射率高，早期應(yīng)用較低功率二氧化碳激光于傳導(dǎo)型焊接的試驗(yàn)均不很成功。直至1971年，采用數(shù)千瓦連續(xù)二氧化碳激光，人們得到了與電子束焊接類似的基于“小孔效應(yīng)”的深熔焊接，消除了金屬高反射率造成的壁障，激光深熔焊接技術(shù)才得到迅速發(fā)展，并在機(jī)械工業(yè)中得到日益廣泛的應(yīng)用。二氧化碳激光器雖然在金屬表面的反射率高，但由于其功率輸出高、光束質(zhì)量好，得到了廣泛應(yīng)用。20世紀(jì)末期，國際商用激光加工系統(tǒng)的產(chǎn)值中，二氧化碳激光加工系統(tǒng)約占三分之二，YAG激光加工系統(tǒng)約占三分之一。二氧化碳激光器的最大應(yīng)用領(lǐng)域是切割和焊接，這類用途占50%以上。20?45kW的大功率激光器現(xiàn)己用于橋梁、造船、建筑機(jī)械和原子技術(shù)等領(lǐng)域。該種激光器可切割厚度達(dá)30mm以上的鋼板。
[0003]激光焊接是一種新型的特殊焊接方法，它所需要的功率密度達(dá)105?107W/cm2。激光焊接的應(yīng)用始于1964年，七十年代以來，隨著大功率激光器的出現(xiàn)，激光深熔焊接得到了迅速的發(fā)展。激光焊接的厚度己從零點(diǎn)幾毫米提高到50mm，目前在世界各國激光加工的應(yīng)用領(lǐng)域中，激光焊接的應(yīng)用僅次于激光切割的應(yīng)用，約占20.9%。
[0004]激光深熔焊接的本質(zhì)特征是存在小孔效應(yīng)，其中起主要作用的不是激光的功率，而是激光焦斑有足夠高的的功率密度。在一定的激光功率下，提高焊接速度，線能量(單位長度焊縫輸入能量)下降，熔深減少。因而適當(dāng)降低焊接速度可加大熔深。作為一種粗略的估算，可以認(rèn)為熔深和激光功率成正比。更粗略的說，熔深的毫米數(shù)等于激光功率的千瓦數(shù)。這個估計(jì)值比最大熔深小。為了得到高的焊縫質(zhì)量，熔深應(yīng)小于其最大值。到目前為止，激光深熔焊接主要采用二氧化碳激光進(jìn)行。大多數(shù)激光深熔焊接要采用數(shù)千瓦至數(shù)十千瓦低階模激光器。
[0005]二氧化碳激光焊接還有凈化熔化區(qū)的作用。金屬對二氧化碳激光有高反射率，而金屬中的雜質(zhì)，如金屬氧化物、硅酸鹽和硫化物等則對c02激光具有高的吸收率。在深熔焊接過程中，激光在小孔壁上經(jīng)歷多次反射和吸收。如果激光在孔壁上碰到的是純凈的金屬，則大部分被反射，僅有少部分被吸收。如果激光碰到的是非金屬雜質(zhì)，則大部分吸收。從而激光選擇性她將雜質(zhì)加熱氣化，從熔化區(qū)中排除當(dāng)然，激光焊接凈化的前提是采用惰性氣體對焊接區(qū)加以有效的保護(hù)，使之不受大氣污染。
[0006]激光焊接是利用高功率密度的激光束使材料瞬時加熱到氣化溫度而實(shí)現(xiàn)的熔化一一凝固過程。由于激光束的發(fā)散角很小，光束能夠聚焦成很小尺寸的光斑，功率密度通常達(dá)到106W/cm2，可對常規(guī)方法難以加工的高熔點(diǎn)、高硬度和脆性材料進(jìn)行焊接。與傳統(tǒng)的焊接方法相比，激光焊接具有許多突出的特點(diǎn)(I)能量密度高，激光焊接的能量密度高達(dá)106W/em2，而電弧焊僅為103?104W/cm2，這對高熔點(diǎn)、高導(dǎo)熱率或熱物理特性相差較大的異種金屬焊接特別有利，顯然，激光焊可以獲得比電弧焊更高的焊接速度；
[0007](2)光束斑點(diǎn)小，定位精度高，適合于精密高速焊接；
[0008](3)熱影響區(qū)極小，激光焊的結(jié)晶速度比一般熔焊快10 —100倍，加熱和冷卻速度快，因此熱影響區(qū)極??；
[0009](4)焊縫質(zhì)量高，不易產(chǎn)生收縮、變形、脆化及熱裂等熱副作用，激光焊接具有熔池凈化效應(yīng)，能凈化焊縫金屬，焊縫機(jī)械性能相當(dāng)于或優(yōu)于母材；
[0010](5)激光易傳送，通過光束導(dǎo)向聯(lián)結(jié)反射鏡或光導(dǎo)纖維可以對任意位置進(jìn)行加工:
[0011 ] (6)光束可控性好，易于實(shí)現(xiàn)微機(jī)控制。
[0012]與激光焊接的應(yīng)用和發(fā)展相適應(yīng)，新型激光器的研制(包括激光逆變電源)、大功率激光焊接中的基本現(xiàn)象研究、高速激光焊接過程的精密控制，已成為當(dāng)今國內(nèi)外激光焊接界十分重視的課題。
[0013]激光束能量極為集中，與其他傳統(tǒng)焊接能源如電弧焊相比有效得多。此外，不同于電子束，激光不受焊接過程中工件產(chǎn)生的磁場的影響。高的激光功率密度產(chǎn)生的熔池和熱影響區(qū)小，伴隨著熔池附近區(qū)域極高的加熱和冷卻速度，因此產(chǎn)生的焊接變形小。
[0014]激光功率密度必須達(dá)到能夠確保輸入的能量比率超過在金屬中熱傳導(dǎo)而傳輸?shù)臒崃勘嚷?。通過這種方式，激光提供的能量快速加熱工件，達(dá)到熔化點(diǎn)溫度以上，產(chǎn)生熔池，這是形成焊接接頭的必要條件。大多數(shù)金屬產(chǎn)生強(qiáng)烈汽化過程所需的最低功率密度在105?107W/cm2范圍內(nèi)變動，這與金屬本身的汽化潛熱和熱傳導(dǎo)率有關(guān)。必須保證充分的功率密度使熔池溫度穩(wěn)定，同時汽化速率不能過高。激光焊接速率高，并且無需在焊前開坡口，焊縫污染小，因此，激光焊接接頭質(zhì)量高，得到廣泛應(yīng)用。
[0015]高能量束(激光、電子束)焊接與傳統(tǒng)的焊接方式中熱量僅僅傳播到工件表面有根本的不同。相反，激光聚集在材料表面很小的范圍內(nèi)，能量密度超過106W/cm2，局部的電磁能量的吸收引起材料劇烈的加熱，金屬將會蒸發(fā)，隨著快速的汽化，在光束作用下，到達(dá)材料的底層形成小的毛細(xì)管。光束能量通過整個毛細(xì)管傳輸?shù)浇饘賰?nèi)部，形成小孔。穩(wěn)定的小孔是獲得高質(zhì)量焊縫的基本條件。當(dāng)小孔跟著光束在在材料中向前運(yùn)動時，在小孔的前方形成一個傾斜的燒蝕前沿，小孔周圍為熔池所包圍，在熔池金屬的外面是未熔化金屬及一部分凝固金屬，熔化金屬的重力和表面張力有使小孔閉合的趨勢，而小孔中連續(xù)產(chǎn)生的金屬蒸汽壓力則力圖維持小孔的穩(wěn)定存在。小孔周圍存在著很高的溫度梯度，溫度梯度的存在使得氣一一液分界面的表面張力隨溫度升高而減少，從而沿小孔周圍建立了一個表砸張力梯度，前沿處表面張力小，后沿處表面張力大，這就進(jìn)一步驅(qū)使熔融材料繞小孔周邊由前沿向后沿流動，最后在小孔后方凝固起來形成焊縫。能量通過這種方式在工件中的聚集非常有效，通過熱傳導(dǎo)損失的能量很少，因此可以有更高的焊接速度。
[0016]激光照射下形成小孔可分為四個階段:
[0017](I)光束加熱工件；
[0018](2)金屬局部區(qū)域熔化。隨著金屬對光束能量吸收率上升，熔化不斷進(jìn)行，溫度迅速提尚;
[0019](3)在溫度最高的區(qū)域發(fā)生汽化。金屬蒸汽產(chǎn)生的過大的壓力在熔化帶形成一個小孔，入射光束能量通過形成的小孔傳輸?shù)讲牧蟽?nèi)部。
[0020](4)電離的金屬蒸汽聚集在小孔和工件表面，在小孔上方形成等離子體云。
[0021]在激光深熔焊接過程中，小孔的形成對激光與材料間的能量耦合機(jī)制影響很大，這一點(diǎn)已為激光深熔焊接的實(shí)際情況所證實(shí)。在小孔形成以前，激光入射到工件表面上，一部分被反射，一部分被工件材料所吸收，吸收的能量轉(zhuǎn)化為熱能并通過熱傳導(dǎo)的方式向工件材料內(nèi)部傳遞，焊接過程屬于熱傳導(dǎo)焊。由于大部分金屬材料表面對激光有強(qiáng)烈的反射，因此在激光熱傳導(dǎo)焊中，大部分的激光能量被工件表面反射掉了，激光能量的有效利用率不高。尤其是對于c02激光這樣的長波長而言，情況更為嚴(yán)重。但是，一旦小孔形成后，情況就有了根本性的改變。當(dāng)小孔形成以后，激光直接入射到小孔的內(nèi)部，并在小孔孔壁上發(fā)生多次反射，每次反射都有部分激光能量被小孔孔壁所吸收，如此經(jīng)過孔壁的多次反射吸收而使得工件材料對激光的吸收大大增強(qiáng)。這個過程叫Fresnel吸收。只有當(dāng)照射到工件上的功率密度足夠高(105?106W/cm2)時才會形成上述的四個連續(xù)過程。如果不具備這個條件，大多數(shù)的熱量通過工件的熱傳導(dǎo)而散失，即使延長激光輻照時間，溫度也無法上升到超過金屬的汽化點(diǎn)。因此形成小孔有一個能量閾值，該閩值的大小取決于材料的熱力學(xué)常數(shù)和對入射激光的吸收率。激光焊接過程的穩(wěn)定性是影響材料焊接質(zhì)量和接頭組織性能的重要方面，也往往成為生產(chǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0022]本發(fā)明的目的在于提出一種激光焊接工藝。
[0023]為達(dá)此目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:
[0024]一種激光焊接工藝，將二氧化碳激光器固定于機(jī)器人的末端，調(diào)整激光器的功率、離焦量、脈沖頻率等參數(shù)，通過控制機(jī)器人末端的軌跡實(shí)現(xiàn)激光焊接，包括:選擇接頭形式一一夾緊工件一一調(diào)整激光器參數(shù)一一機(jī)器人末端軌跡規(guī)劃一一焊接。接頭形式包括對接和搭接。激光器功率為500W——4KW，離焦量為-0.5mm---2mm，脈沖頻率5kHz——
1kHz，焊接速度為10mm/s--100mm/s，保護(hù)氣體流量為4L/min--5L/min。
【具體實(shí)施方式】
[0025]實(shí)施例1
[0026]一種激光焊接工藝，將二氧化碳激光器固定于機(jī)器人的末端，調(diào)整激光器的功率、離焦量、脈沖頻率等參數(shù)，通過控制機(jī)器人末端的軌跡實(shí)現(xiàn)激光焊接，包括:選擇接頭形式夾緊工件調(diào)整激光器參數(shù)機(jī)器人末端軌跡規(guī)劃焊接。焊接材料為招合金，接頭形式包括對接和搭接。激光器功率為800W，離焦量為-0.5mm，脈沖頻率6kHz，焊接速度為50mm/s，保護(hù)氣體為氧氣，流量為4L/min。
[0027]實(shí)施例2
[0028]一種激光焊接工藝，將二氧化碳激光器固定于機(jī)器人的末端，調(diào)整激光器的功率、離焦量、脈沖頻率等參數(shù)，通過控制機(jī)器人末端的軌跡實(shí)現(xiàn)激光焊接，包括:鋼板的預(yù)處理一一選擇接頭形式一一夾緊工件一一調(diào)整激光器參數(shù)一一機(jī)器人末端軌跡規(guī)劃一一焊接。焊接材料為不銹鋼，接頭形式包括對接和搭接。激光器功率為4000W，離焦量為-0.5mm, 脈沖頻率10kHz，焊接速度為lOOmm/s，保護(hù)氣體為氧氣，流量為5L/min。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種激光焊接工藝，其特征在于將二氧化碳激光器固定于機(jī)器人的末端，調(diào)整激光器的功率、離焦量、脈沖頻率等參數(shù)，通過控制機(jī)器人末端的軌跡實(shí)現(xiàn)激光焊接，包括:選擇接頭形式一一夾緊工件一一調(diào)整激光器參數(shù)一一機(jī)器人末端軌跡規(guī)劃一一焊接。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述的接頭形式包括對接和搭接。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述的激光器功率為500W—一4KW，離焦量為-0.5mm---2mm,脈沖頻率5kHz--10kHz，焊接速度為1mm/s--100mm/s,保護(hù)氣體流量為 4L/min--5L/min0
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種激光焊接工藝，將二氧化碳激光器固定于機(jī)器人的末端，調(diào)整激光器的功率、離焦量、脈沖頻率等參數(shù)，通過控制機(jī)器人末端的軌跡實(shí)現(xiàn)激光焊接，包括：選擇接頭形式—夾緊工件—調(diào)整激光器參數(shù)—機(jī)器人末端軌跡規(guī)劃—焊接。接頭形式包括對接和搭接。激光器功率為500W—4KW，離焦量為-0.5mm—-2mm，脈沖頻率5kHz—10kHz，焊接速度為10mm/s—100mm/s，保護(hù)氣體流量為4L/min—5L/min。該工藝可以實(shí)現(xiàn)對鋁板和鋼板的焊接，焊縫均勻、平整，熱影響區(qū)小，能夠有效提高焊縫的強(qiáng)度，并且焊接效率高，適合于大批量生產(chǎn)。
【IPC分類】B23K26/12, B23K26/24
【公開號】CN105195893
【申請?zhí)枴緾N201510676016
【發(fā)明人】唐靖嵐
【申請人】無錫清楊機(jī)械制造有限公司
【公開日】2015年12月30日
【申請日】2015年10月19日