基于激光焊接技术在工程材料上的研究
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作者: 戴梦楠
摘要:激光焊接是激光材料加工技术应用的重要方面之一。由于其独特的优点,激光焊接技术在机械、汽车、钢铁、医疗等工业部门获得了日益广泛的应用。本文介绍了激光焊接的主要优点与局限性、工艺参数的选择、常见工程材料的焊接特性、应用等方面。
Abstract: Laser welding technology of laser materials rocessing is one imortant asect, its high-intensity laser beam radiation to the metal surface, by laser interaction with metal, so that the formation of weld metal melting. Because of its unique advantages, laser welding technology in machinery, automobile, steel, medical and other industrial deartments have been increasingly widely used. This article describes the main advantages of laser welding and limitations, the choice of arameters, the welding characteristics of common engineering materials, alication etc.
关键词:激光焊接技术焊接特性应用
Keywords: Shock weldingWelding characteristicsAlication1
一、引言
激光焊接技术是激光器在材料加工方面的一个重要应用。高功率CO2及高功率YAG激光器的出现,开辟了激光焊接的新领域。
二、激光焊接的主要优点与局限性
因为激光焊接具有其独特的优点:(1)激光功率密度高,可以对高熔点、难熔金属或两种材料进行焊接;(2)聚焦光斑小,加热速度快,作用时间短,热影响区小,热变形可忽略;(3)激光焊接属于非接触焊接,无机械应力和机械变形;(4)激光焊接装置易于与计算机联机,能精确定位,实现自动焊接,而且激光可通过玻璃在真空中焊接;(5)激光焊接可在大气中进行,无环境污染;等
3 工艺参数的选择激光焊接参数是决定焊接能力的重要因素,对焊接质量也有影响,激光焊接加工条件参数主要有功率密度、脉冲波形、脉冲宽度、离焦量、焊接速度、保护气体等。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(即工件上功率密度>106 W/cm2)。随着熔化层加厚,热阻增加,熔化区温度继续上升。当金属表面温度达到沸点时,发射率又一次迅速下降,铜为19%,钢为14%。根据铜和钢在室温、熔点、沸点时的绝对反射率,若需保证金属表面维持在熔、沸点间传递能量,根据热传导方程则可求出不同时刻焊接以上两种材料所需激光功率密度的相对值。
四、激光焊接特性
4.1 碳钢与普通合金钢
碳钢激光焊接效果良好,其焊接质量取决于杂质含量,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。碳当量小于0.30%,预热温度视情况而定;0.30%-0.60%, 预热温度200-500。C ;超过0.60% ,预热温度400-800。C 。
4.2 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。与碳钢相比,不锈钢低的热导系数更易于获得深熔窄焊缝。在工业生产中,不锈钢的激光焊接取得了大量的成功应用。
4.3铜、铝及其合金
铝合金的激光焊接需要相对较高的能量密度。这有两方面的原因:一是铝合金的反射较高;二是铝合金的导热系数很高。LY16、L1-L6和LF21系列的铝合金能够成功的实现激光焊接,且不需要填充金属。但是,许多其他铝合金中含有易挥发的元素,如硅、镁等,因此无论采取哪一种激光自动焊接方法(不填充金属),焊缝中都有很多气孔。而激光焊接纯铝时不存在以上问题。
4.4 钛及其合金
钛和钛合金很适合激光焊接,可获得高质量、塑性好的焊接接头。但是钛对氧化很敏感,对由氧气、氢气、氮气和碳原子引起的间隙脆化很敏感,所以要特别注意接头的清洁和气体保护问题。
五、激光焊接的应用
钢材行业应用
CO2激光焊在钢铁行业中主要用于以下几个方面。
1. 硅钢板上的焊接:生产中半成品硅钢板,一般厚为0.2～0.7mm,幅宽为50～5000mm,常用的焊接方法是TIG焊,但焊后接头脆性大,用1kW CO2激光焊焊接这类硅钢板,最大焊接速度可达10m/min,焊后接头的性能得到了很大的改善。
2.冷轧低碳钢的焊接:板厚为0.4～2.3mm,宽为508～1270mm的低碳钢板,用1.5kW CO2激光器焊接,最大焊接速度为10m/min,投资成本仅为闪光对焊的2/3。
3. 酸洗线用CO2激光焊接机:酸洗线上板材最大厚度为6mm,最大板宽为1880mm,材料种类多,从低碳钢到高碳钢、硅钢、低合金钢等,一般采用闪光对焊。焊高碳钢时不稳定的闪光及硬化,造成接头性能不良。用激光焊可以焊最大厚度为6mm的各种钢板,接头塑性、韧性比闪光对焊有较大改进,可顺利通过焊后的酸洗、轧制和热处理工艺而不断裂。
4.钢管的激光焊接:当采用激光焊接技术焊接钢管时,金属的熔化深度和几何形状与所焊金属的热物理性能、激光辐射的吸收及反射能的数量、激光束的总功率及单位功率、焊接速度、气体保护方法和保护气体的成分都有关系。焊缝区的气体保护可采用3种送气方式:①与激光束轴心线呈一定夹角;②平行于焊接件表面;③与激光束同轴。方式②可使所焊金属的熔化状态更为稳定;方式①可使金属达到最大的熔化深度,但却不能保证金属熔化的稳定性;方式③适用于焊接厚度小于3mm的金属。另外激光焊接在汽车工业、电子工业、生物医学等其他领域也有相当广泛的应用!
参考文献:
[1]Koechner W.固体激光工程[M].北京科学出版社,2002
[2]关振中编著.激光加工工艺手册[M].中国计量出版社,1998
[3]陈家璧编.激光原理及应用[M].电子工业出版社,2004
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