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发布时间:2020-12-02
激光焊原理及分类①焊接原理

      激光焊原理

激光焊是利用激光能(可见光或紫外线)作为热源熔化并连接工件的焊接方法。激光焊 能得以实现,不仅是因为激光本身具有极高的能量,更重要的是因为激光能量被高度聚焦于 一点,使其能量密度很大。

      激光焊接时,激光照射到被焊接材料的表面,与其发生作用,一部分被反射,一部分被 吸收,进入材料内部。对于不透明材料,透射光被吸收,金属的线性吸收系数为107108m-1  对于金属,激光在金属表面0. 01~0. 1μm的厚度中被吸收转变成热能,导致金属 表面温度急剧升高,再传向金属内部。

      CO2激光器的工作原理示意如图3. 1所示。反射镜和透镜组成的光学系统将激光聚焦 并传递到被焊工件上。大多数激光焊接是在计算机控制下完成的,被焊接的工件可以通过二 维或三维计算机驱动的平台移动(如数控机床);也可以固定工件,通过改变激光束的位置 来完成焊接过程。

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      激光焊接的原理是光子轰击金属表面形成蒸气,蒸发的金属可防止剩余能量被金属反射 掉。如果被焊金属有良好的导热性能,则会得到较大的熔深。激光在材料表面的反射、透射 和吸收,本质上是光波的电磁场与材料相互作用的结果。激光光波入射材料时,材料中的带 电粒子依着光波电矢量的步调振动,使光子的辐射能变成了电子的动能。物质吸收激光后, 首先产生的是某些质点的过量能量,如自由电子的动能、束缚电子的激发能或者还有过虽的 声子,这些原始激发能经过一定过程再转化为热能。

      激光除了与其他光源一样是一种电磁波外,还具有其他光源不具备的特性,如高方向 性、高亮度(光子强度)、高单色性和高相干性。激光焊接加工时,材料吸收的光能向热能 的转换是在极短的时间(约为10-9s)内完成的。在这个时间内,热能仅仅局限于材料的激 光辐照区,而后通过热传导,热量由高温区传向低温区。

      金属对激光的吸收,主要与激光波长、材料的性质、温度、表面状况以及激光功率密度 等因素有关。一般来说,金属对激光的吸收率随着温度的上升而增大,随电阻率的增加而 増大。

      用于激光焊接的激光器包括CO2激光器、YAG激光器、半导体激光器和光纤激光器。 焊接领域目前主要采用以下几种激光器:YAG固体激光器(含Nd3+的Yttrium-Alumin-ium-Garnet, 简称YAG); CO2气体激光器;光纤激光器。

      这几种激光器的特点见表3.1,它们可以互相弥补彼此的不足。脉冲YAG和连续CO2激光焊接应用示例见表3. 2。

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      影响金属激光焊接性的因素有材质的化学和力学性能、表面条件、工艺参数等。高反射 率的表面条件不利于获得良好的激光焊接质量。激光能使不透明的材料汽化或熔成孔洞,而 且激光能自由地穿过透明材料而又不会损伤它,这一特点使激光焊能够焊接预先放置在电子 管内的金属。

      激光焊过程中,工件和光束做相对运动,由于剧烈蒸发产生的强驱动力使小孔前沿形企 的熔化金属沿某一角度得到加速,在小孔后面的近表面处形成如图3. 2所示的熔流(大旋涡)。此后,小孔后方液态金属由于传热的作用,温度迅速降低,液态金属很快凝固,形瓦 连续的焊缝。


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