对接焊、搭接焊、填丝焊——焊接术 语的范围和这个技术本身一样广泛多变。激光焊 接和激光钎焊是热接缝方法中的两种标准化的接缝工艺。

  激光器的优势

  与传统 的电弧焊接工艺相比,激光束 接缝有很多好处:小区域 内选择性的能量应用:降低热 应力和减小热影响区,极低的畸变。接合缝窄、表面平滑:降低甚至消灭再加工。高强度 与低焊接体积结合:焊接后 的工件可以经受弯曲或者液压成形。易于集成:可与其 他生产操作结合,例如对准或者弯曲。接缝只 有一边需要接近。高工艺 速度缩短加工时间。特别适 用于自动化技术。良好的程序控制:机床控 制和传感器系统检测工艺参数并保证质量。激光束 可以不接触工件表面或者不对工件施加力的情况下产生焊点。

  焊接和钎焊金属

热传导焊接中,表面被熔化

  激光束 可以在金属表面连接工件或者产生深焊缝,也可以 和传统的焊接方法相结合或用作钎焊。

  1  热传导焊接

  热传导焊接中,激光束 沿着共同的接缝熔化相配零件,熔融材 料流到一起并凝固,产生一 个不需要任何额外研磨或精加工的平滑、圆形的焊缝。

深熔焊 产生一个充满蒸气的孔,或者叫小孔效应

  热传导 焊接深度范围在仅仅几十分之一毫米到一毫米。金属的 热导率限制了最大的焊接深度,焊接点 的宽度总是大于它的深度。

显微镜 下观察到的激光焊接横截面

  如果热 量不能迅速地散去,加工温 度就会上升到气化温度以上,金属蒸气形成,焊接深度急剧增加,工艺变成了深熔焊。

  2  深熔焊

  深熔焊需要大约 1 MW/cm2的极高功率密度。激光束 熔化金属的同时产生蒸气,蒸气在 熔融金属上施加压力并部分取代它,同时,材料继续熔化,产生一个深、窄、充满蒸气的孔,即小孔效应。激光束沿着焊缝前进,小孔随之移动,熔融金 属环流小孔并在其轨迹内凝固,产生一个深、窄的内 部结构均匀的焊接,焊接深 度可能比焊接宽度的大十倍,达到25mm 或者更深。

  深熔焊 的特征在于高效率和快速的焊接速度,热影响区很小,畸变可 控制在最低限度,常用于 需要深熔焊接或者多层材料需要同时焊接的应用中。

  3  活跃气体和保护气体

  活跃气 体和保护气体在焊接过程中辅助激光束。活跃气体用于 CO2激光器焊接,以防止 工件表面形成等离子体云阻碍激光束。保护气 体用以保护焊接表面不受环境空气影响,保护气 体到工件的流动是非湍流的(层流)。

  4  填充材料

  填充材 料通常以丝或者粉末添加到要被连接的点上。其作用:

  1. 填补过 宽或不规则的缝隙,减少接 缝准备所需的工作量。

  2. 填充物 以特定形式的成分添加到熔融金属上从而改变材料的焊接适用性、强度、耐久性和抗腐蚀性等。

  5  复合焊接技术

  复合焊 接技术是指激光焊接和其他焊接方法相结合的工艺。可兼容的工艺是 MIG(惰性气体保护焊)或者 MAG(活性气体保护焊)焊接,TIG(钨极惰性气体焊接)或者等离子体焊接。复合焊 接技术比单独的 MIG 焊接更快、零件变形更少。

  6  激光钎焊

  激光钎焊中,相配零 件通过填充材料或者钎料连接在一起。钎料的 熔化温度低于母材的熔化温度,在钎焊 过程中只有钎料被熔化,相配零件仅被加热。钎料熔 化流入到零件之间的缺口并与工件表面结合(扩散结合)。

  钎焊接 头强度和焊料材料一样,接缝表面平滑清洁,无需精加工,常用于汽车车身加工,比如后 备箱盖或者车顶。

使用填充焊丝,活跃气 体和保护气体的激光焊接

  传感器

  传感器 用于检测和调节某些参数,包括工作距离、激光束 在接缝间隙的位置、光学透 镜调整角度以及填充材料的数量,以保证 零件加工过程中的焊接质量,并且检 测出劣质的零件。

  1  焊缝跟踪

  当激光 束用来焊接材料中的对接接头时,追踪接 缝间隙轨迹和正确定位激光束,确保激 光束保持在接缝间隙的同一个位置。

  2  保持监视整个过程

  可以将 传感器系统结合来实现对焊接过程更全面的监测。包括“焊接前”、“焊接内”、“焊接后”传感器。

  焊接前 传感器位于焊点之前追踪焊缝和定位激光束。焊接中 传感器在焊接中使用照相机或者二极管检测焊接过程,基于相 机的系统分析锁眼和焊接池,采用二 极管的系统能够检测加工光、热辐射 或者反射激光的强度。焊接后 传感器检查完成的焊点,确定焊 点是否符合质量要求。

  传感器 依靠程序化的极限值来区别零件的优劣。

  激光焊接机

  激光焊 接机的设计取决于很多因素,如工件形状、焊接几何结构、焊接类型、生产量、生产自动化程度,以及工艺和材料等等。

  1  人工焊接

  小型工 件通常采用手动工作站执行焊接工作,例如焊 接珠宝或者修复工具。

  2  应用

  有时候,激光束 只需要沿着单一的移动轴焊接。比如使 用缝焊接机或者管焊接系统进行管材焊接或者缝焊接。

  3 系统和机器人

  激光束 通常连接以立体焊接几何结构为特征的三维零件。采用五 轴基于坐标的激光单元和一组可移动的光学配件。

  4  扫描振 镜或者远程焊接

  扫描振 镜在离工件很远的距离引导激光束,而在其他焊接方法中,光学透 镜是在离工件很近的距离引导激光束。

  扫描振 镜依靠一个或者两个可移动的反射镜,快速定位激光束,使得复 位焊缝之间的光束所需时间接近为0,从而提高产能,适用于 生产大量的短焊缝,并可以 优化焊接顺序来保证最小的热量输入和畸变。

  5  远程焊接系统

  远程焊 接系统有两种实现方式。第一种 是一个远程焊接系统。工件放 置在扫描光学振镜下工作区域内,然后被焊接。在短时 间内焊接大量零件时,在光学 振镜下通过机器连续不断地运输零件,这个过 程被称作飞行焊接。

  第二种 是承载扫描光学振镜的机器人执行大的移动量,同时,扫描光 学振镜保证激光束沿着工件来回移动时的精密定位。机器控 制同步机器人和扫描光学透镜的重叠移动,它测量 机器人几毫米内的精确的空间位置,控制系 统将测量的位置与程序路径对比。如果检测到偏差,就会通 过扫描光学振镜进行补偿控制。

  激光焊 接将变得更容易

  激光焊 接工艺开发了大范围的应用可能性。高质量、极小的再加工、低成本 效益成为大力推广激光焊接工艺的有力论据。未来激 光焊接工艺会变成像激光切割那样成熟。