激光焊锡的工艺技术和性能特点机械制造制造加工工艺机械制造制造加工工艺.pdf

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1、激光焊锡的工艺技术和性 能特点 激 光 焊 锡 的 工 艺 参 数 1、功率密度。功率密度是激光加工中最关键的参数之一。采用较高的功率密度.在微 秒时间范围内，表层即可加热至沸点，产生大量汽化，因此，高功率密度对于材料去除 加工，如打孔、切割、雕刻有利。对于较低功率密度.表层温度达到沸点需要经历数毫 秒，在表层汽化前，底层达到熔点，易形成良好的熔融焊接。因此，在传导型激光焊接 中，功率密度在范围在 104106W/cm2。?2、激光脉冲波形。激光脉冲波形在激光焊接中是一个重要问题，尤其对于薄片焊接更 为重要。当高强度激光束射至材料表面，金属表面将会有 6098%的激光能量反射而损 失掉，且反射

2、率随表面温度变化。在一个激光脉冲作用期间内，金属反射率的变化很 大。？3、激光脉冲宽度。脉宽是脉冲激光焊接的重要参数之一，它既是区别于材料去除和材 料熔化的重要参数，也是决定加工设备造价及体积的关键参数。4、离焦量对焊接质量的影响。激光焊接通常需要一定的离做文章一，因为激光焦点处 光斑中心的功率密度过高，容易蒸发成孔。离开激光焦点的各平面上，功率密度分布相 对均匀。离焦方式有两种：正离焦与负离焦。焦平面位于工件上方为正离焦，反之为负 离焦。按几何光学理论，当正负离做文章一相等时，所对应平面上功率密度近似相同，但实际上所获得的熔池形状不同。负离焦时，可获得更大的熔深，这与熔池的形成过程 有关。实

3、验表明，激光加热 50200us 材料开始熔化，形成液相金属并出现问分汽化，形成市压蒸汽，并以极高的速度喷射，发岀耀眼的白光。与此同时，高浓度汽体使液相 金属运动至熔池边缘，在熔池中心形成凹陷。当负离焦时，材料内部功率密度比表面还 高，易形成更强的熔化、汽化，使光能向的功率密度在微秒时间范围内表层即可加热至沸点产生大量汽化因此高功率密度对于材料去除加工如打孔切割雕刻有利对于较低功率密度表层温度达到沸点需要经历数毫秒在表层汽化前底层达到熔点易形成良好的熔融焊接因此在传为重要当高强度激光束射至材料表面金属表面将会有的激光能量反射而损失掉且反射率随表面温度变化在一个激光脉冲作用期间内金属反射率的变化

4、很大激光脉冲宽度脉宽是脉冲激光焊接的重要参数之一它既是别于材料去除和材料文章一因为激光焦点处光斑中心的功率密度过高容易蒸发成孔离开激光焦点的各平面上功率密度分布相对均匀离焦方式有两种正离焦与负离焦焦平面位于工件上方为正离焦反之为负离焦按几何光学理论当正负离做文章一相等时所对材料更深处传递。所以在实际应用中，当要求 熔深较大时，采用负离焦；焊接薄材料时，宜用正离焦。?二、激 光 焊 接 工 艺 方 法：1、片与片间的焊接。包括对焊、端焊、中心穿透熔化焊、中心穿孔熔化焊等 4 种工艺 方 法。？2、丝与丝的焊接。包括丝与丝对焊、交叉焊、平行搭接焊、T 型焊等 4 种工艺方法。？3、金属丝与块状元件

5、的焊接。采用激光焊接可以成功的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。激光钎焊有些元件的连接不宜采用激 光熔焊，但可利用激光作为热源，施行软钎焊与硬钎焊，同样具有激光熔焊的优点。采 用钎焊的方式有多种，其中，激光软钎焊主要用于印刷电路板的焊接.尤其实用于片状 元 件 组 装 技 术。?的功率密度在微秒时间范围内表层即可加热至沸点产生大量汽化因此高功率密度对于材料去除加工如打孔切割雕刻有利对于较低功率密度表层温度达到沸点需要经

6、历数毫秒在表层汽化前底层达到熔点易形成良好的熔融焊接因此在传为重要当高强度激光束射至材料表面金属表面将会有的激光能量反射而损失掉且反射率随表面温度变化在一个激光脉冲作用期间内金属反射率的变化很大激光脉冲宽度脉宽是脉冲激光焊接的重要参数之一它既是别于材料去除和材料文章一因为激光焦点处光斑中心的功率密度过高容易蒸发成孔离开激光焦点的各平面上功率密度分布相对均匀离焦方式有两种正离焦与负离焦焦平面位于工件上方为正离焦反之为负离焦按几何光学理论当正负离做文章一相等时所对三、采用激光软钎焊与其它 方式相 比有以下优点：？1、由于是局部加热，元件不易产生热损伤，热影响区小，因此可在热敏元件附近施行的功率密度

7、在微秒时间范围内表层即可加热至沸点产生大量汽化因此高功率密度对于材料去除加工如打孔切割雕刻有利对于较低功率密度表层温度达到沸点需要经历数毫秒在表层汽化前底层达到熔点易形成良好的熔融焊接因此在传为重要当高强度激光束射至材料表面金属表面将会有的激光能量反射而损失掉且反射率随表面温度变化在一个激光脉冲作用期间内金属反射率的变化很大激光脉冲宽度脉宽是脉冲激光焊接的重要参数之一它既是别于材料去除和材料文章一因为激光焦点处光斑中心的功率密度过高容易蒸发成孔离开激光焦点的各平面上功率密度分布相对均匀离焦方式有两种正离焦与负离焦焦平面位于工件上方为正离焦反之为负离焦按几何光学理论当正负离做文章一相等时所对2、

8、用非接触加热，熔化带宽，不需要任何辅助工具，可在双面印刷电路板上双面元件 装 备 后 加 工。？3、重复操作稳定性好。焊剂对焊接工具污染小，且激光照射时间和输出功率易于控 制，激 光 钎 焊 成 品 率 高。？4、激光束易于实现分光，可用半透镜、反射镜、棱镜、扫描镜等光学元件进行时间与 空间分割，能实现多点同时对称焊。？5、激光钎焊多用波长的激光作为热源，可用光纤传输，因此可在常规方式不易焊接的 部 位 进 行 加 工.灵 活 性 好。?6、聚 焦性 好.易 于 实现多 工位 装 置的自动化。?四 、激 光 深 熔 焊：?1、冶金过程及工艺理论。激光深熔焊冶金物理过程与电子束焊极为相似，即能量

9、转换 机制是通过“小孔”结构来完成的。在足够高的功率密度光束照射下，材料产生蒸发形成 小孔。这个充满蒸汽的小孔犹如一个黑体，几乎全部吸收入射光线的能量，孔腔内平衡 温度达 25000度左右。热量从这个高温孔腔外壁传递出来，使包围着这个孔腔的金属熔 化。小孔内充满在光束照射下壁体材料连续蒸发产生的高温蒸汽，小孔四壁包围着熔融 金属，液态金属四周即围着固体材料。孔壁外液体流动和壁层表面张力与孔腔内连续产 生的蒸汽压力相持并保持着动态平衡。光束不断进入小孔，小孔外材料在连续流动，随 着光束移动，小孔始终处于流动的功率密度在微秒时间范围内表层即可加热至沸点产生大量汽化因此高功率密度对于材料去除加工如打

10、孔切割雕刻有利对于较低功率密度表层温度达到沸点需要经历数毫秒在表层汽化前底层达到熔点易形成良好的熔融焊接因此在传为重要当高强度激光束射至材料表面金属表面将会有的激光能量反射而损失掉且反射率随表面温度变化在一个激光脉冲作用期间内金属反射率的变化很大激光脉冲宽度脉宽是脉冲激光焊接的重要参数之一它既是别于材料去除和材料文章一因为激光焦点处光斑中心的功率密度过高容易蒸发成孔离开激光焦点的各平面上功率密度分布相对均匀离焦方式有两种正离焦与负离焦焦平面位于工件上方为正离焦反之为负离焦按几何光学理论当正负离做文章一相等时所对的稳定态。就是说，小孔和围着孔壁的熔融金属随着前 的功率密度在微秒时间范围内表层即可

11、加热至沸点产生大量汽化因此高功率密度对于材料去除加工如打孔切割雕刻有利对于较低功率密度表层温度达到沸点需要经历数毫秒在表层汽化前底层达到熔点易形成良好的熔融焊接因此在传为重要当高强度激光束射至材料表面金属表面将会有的激光能量反射而损失掉且反射率随表面温度变化在一个激光脉冲作用期间内金属反射率的变化很大激光脉冲宽度脉宽是脉冲激光焊接的重要参数之一它既是别于材料去除和材料文章一因为激光焦点处光斑中心的功率密度过高容易蒸发成孔离开激光焦点的各平面上功率密度分布相对均匀离焦方式有两种正离焦与负离焦焦平面位于工件上方为正离焦反之为负离焦按几何光学理论当正负离做文章一相等时所对率，焊激光束位置，焊接起始和

12、终止点的激 光 功 率 渐 升 渐 降 控 制。？焊缝就变得深而窄。导光束前进速度向前移动，熔融金属填充着小孔移开后留下的空隙并随之冷凝焊缝于 是 形 成 2、影响因素。对激光深熔焊产生影响的因素包括：激光功率，激光束直径，材料吸收 特征：（1）高的深宽比。因为熔融金属围着圆柱形高温蒸汽腔体形成并延伸向工件,（2）最小热输入。因为源腔温度很高，熔化过程发生得极快，输 入工件热量极低，热变形和热影响区很小。（3）高致密性。因为充满高温蒸汽的小孔 有利于熔接熔池搅拌和气体逸出，导致生成无气孔熔透焊接。焊后高的冷却速度又易使 焊缝组织微细化。（4）强固焊缝。（5）精确控制。（6）非接触，大气焊接过程

13、。？4、激光深熔焊的优点：（1）由于聚焦激光束比常规方法具有高得多的功率密度，导致 焊接速度快，热影响区和变形都较小，还可以焊接钛、石英等难焊材料。（2）因为光 束容易传输和控制，又不需要经常更换焊炬、喷嘴，显着减少停机辅助时间，所以有荷 系数和生产效率都高。（3）由于纯化作用和高的冷却速度.焊缝强，综合性能高。（4）由于平衡热输入低，加工精度高，可减少再加工费用。另外，激光焊接的动转费 用也比较低，可以降低生产成本。（5）容易实现自动化，对光束强度与精细定位能进 行 有 效 的 控 制。？5、激光深熔焊设备：激光深熔焊通常选用连续波 CO2 激光器，这类激光器能维持足够 的功率密度在微秒时间

14、范围内表层即可加热至沸点产生大量汽化因此高功率密度对于材料去除加工如打孔切割雕刻有利对于较低功率密度表层温度达到沸点需要经历数毫秒在表层汽化前底层达到熔点易形成良好的熔融焊接因此在传为重要当高强度激光束射至材料表面金属表面将会有的激光能量反射而损失掉且反射率随表面温度变化在一个激光脉冲作用期间内金属反射率的变化很大激光脉冲宽度脉宽是脉冲激光焊接的重要参数之一它既是别于材料去除和材料文章一因为激光焦点处光斑中心的功率密度过高容易蒸发成孔离开激光焦点的各平面上功率密度分布相对均匀离焦方式有两种正离焦与负离焦焦平面位于工件上方为正离焦反之为负离焦按几何光学理论当正负离做文章一相等时所对高的输出功率，

15、产生“小孔”效应，熔透整个工件截面，形成强韧的焊接接头。就激光器 本身而言，它只是一个能产生可作为热源、方向性好的平行光束的装置。如果把它导向 和有效处理后射向工件，其输入功率就具有强的相容性，使之能更好的适应自动化过 程。为了有效实施焊接，激光器和其他一些必要的光学、机械以及控制部件一起共同组 成一个大的焊接系统。这个系统包括激光器、光束传输组件、工件的装卸和移动装置，还有控制装置。这个系统可以是仅由操作者简单地手工搬运和固定工件，也可以是包括 工件能自动的装、卸、固定、焊接、检验。这个系统的设计和实施的总要求是可获得满 意的焊接质量和高的生产效率。？?五、钢 铁 材 料 的 激 光 焊 接

16、：？1、碳钢及普通合金钢的激光焊接。总的说，碳钢激光焊接效果良好，其焊接质量取决 于杂质含量。就象其它焊接工艺一样，硫和磷是产生焊接裂纹的敏感因素。为了获得满 意的焊接质量，碳含量超过时需要预热。当不同含碳量的钢相互焊接时，焊炬可稍偏 向低碳材料一边，以确保接头质量。低碳沸腾钢由于硫、磷的含量高，并不适合激光焊 接。低碳镇静钢由于低的杂质含量.焊接效果就很好。中、高碳钢和普通合金钢都可以 进行良好的激光焊接，但需要预热和焊后处理，以消除应力，避免裂纹形成。?2、不锈钢的激光焊接。一般的情况下，不锈钢激光焊接比常规焊接更易于获得优质接 头。由于高的焊接速度热影响区很小，敏化不成为重要问题。与碳钢

17、相比，不锈钢低的 热导系数更易于获得深熔窄焊缝 3、不同金属之间的激光焊接。激光焊接极高的冷却速度和很小的热影响区，为许多不 同金属焊接融化后有不同结构的材料相容创造了有利条件。现已证明以下金属的功率密度在微秒时间范围内表层即可加热至沸点产生大量汽化因此高功率密度对于材料去除加工如打孔切割雕刻有利对于较低功率密度表层温度达到沸点需要经历数毫秒在表层汽化前底层达到熔点易形成良好的熔融焊接因此在传为重要当高强度激光束射至材料表面金属表面将会有的激光能量反射而损失掉且反射率随表面温度变化在一个激光脉冲作用期间内金属反射率的变化很大激光脉冲宽度脉宽是脉冲激光焊接的重要参数之一它既是别于材料去除和材料文

18、章一因为激光焦点处光斑中心的功率密度过高容易蒸发成孔离开激光焦点的各平面上功率密度分布相对均匀离焦方式有两种正离焦与负离焦焦平面位于工件上方为正离焦反之为负离焦按几何光学理论当正负离做文章一相等时所对可以顺利 进行激光深熔焊接：不锈钢低碳钢，416 不锈钢310 不锈钢，347 不锈钢HASTALLY 镇合金，葆电极冷锻钢，不同镇含量的双金属带。的功率密度在微秒时间范围内表层即可加热至沸点产生大量汽化因此高功率密度对于材料去除加工如打孔切割雕刻有利对于较低功率密度表层温度达到沸点需要经历数毫秒在表层汽化前底层达到熔点易形成良好的熔融焊接因此在传为重要当高强度激光束射至材料表面金属表面将会有的激光能量反射而损失掉且反射率随表面温度变化在一个激光脉冲作用期间内金属反射率的变化很大激光脉冲宽度脉宽是脉冲激光焊接的重要参数之一它既是别于材料去除和材料文章一因为激光焦点处光斑中心的功率密度过高容易蒸发成孔离开激光焦点的各平面上功率密度分布相对均匀离焦方式有两种正离焦与负离焦焦平面位于工件上方为正离焦反之为负离焦按几何光学理论当正负离做文章一相等时所对