激光焊接

激光焊接是一种尖端技术，正在改变材料在整个行业中的加入方式.

它无与伦比的精度, 效率, 并且多功能性成为需要高质量和耐用关节的应用中的主食.

本指南将探索您有关激光焊接的所有内容, 它的类型, 以及如何工作.

什么是激光焊接?

激光焊接是一个高精度的过程，它使用聚焦激光束作为热源，以在其关节处融化和融合材料.

该技术是金属的理想选择, 合金, 还有一些塑料, 提供干净, 具有最小热影响区域的强焊缝 (haz).

该技术广泛用于航空航天, 汽车, 电子产品, 和医疗设备制造, 准确性和力量至关重要的地方.

激光焊接可以连接薄或厚的材料，甚至是较厚的金属, 使其具有难以置信的通用性.

激光焊接如何工作?

基本原则

1. 激光束的产生:

• • 激光来源: 该过程以激光源开头, 产生高强度光束.
    常见的激光源包括Co₂激光器, ND: yag (培养北二氧化氢铝石榴石) 激光, 和纤维激光器.
  • 光束聚焦: 激光束使用镜子和镜头指向和聚焦.
    聚焦光学元件将光束集中在一个很小的位置, 通常几微米直径为毫米, 创建高功率密度.

2. 材料加热:

• • 吸收: 当聚焦激光束撞击材料时, 能量被吸收, 导致材料迅速加热.
  • 融化: 强烈的热量导致材料在接触点融化.
    熔化区域的深度和宽度取决于激光的功率和暴露时间.

3. 焊接形成:

• • 合并: 随着材料融化, 它形成一个熔融池. 激光束沿关节线的运动导致熔融材料流动并混合.
  • 凝固: 一旦激光束移开, 熔融池冷却和固化, 形成一个强, 内聚焊缝.

关键组件

1. 激光来源:

• • CO₂激光: 这些是使用二氧化碳作为激光介质的气体激光器. 它们适合焊接厚的材料，可以产生高功率梁.
• • ND: YAG激光器: 这些是固态激光器，使用掺杂纽约米亚的晶体. 它们用途广泛，可用于厚和薄的材料.
  • 纤维激光器: 这些是最先进的类型, 使用掺杂的光纤电缆作为增益介质.
    他们高效, 袖珍的, 并可以提供非常高的功率密度.

2. 光学系统:

• • 镜子和镜头: 这些组件直接并将激光束聚焦在工件上. 高质量的光学元件确保精确控制光束的位置和尺寸.
  • 梁输送系统: 在某些设置中, 激光光束通过光纤电缆传递到遥远的头部, 允许灵活而精确的定位.

3. 工件处理:

• • 固定: 工件必须牢固地固定在适当的位置，以确保准确的对齐和一致的焊接质量.
  • 运动控制: CNC (计算机数值控制) 系统通常用于将工件或激光头移动所需路径.

激光焊接的类型

激光焊接是连接材料的多功能和精确的方法, 以及几种类型的激光焊接技术适合不同的应用和材料. 每种类型都有其独特的优势和挑战. 这是一个全面的概述:

1. 连续波 (连续波) 激光焊接

过程: 在连续波激光焊接中, 激光束在焊接过程中连续排放. 这种恒定的热量输入使其适合更长的时间, 连续焊接.

申请: CW激光焊接被广泛用于汽车和航空航天行业，用于焊接较厚的材料并实现深度渗透率.

优势:

• 高渗透: CW激光器可以实现深而窄的焊接, 使它们非常适合厚材料.
• 稳定的热量输入: 连续光束确保一致的焊接条件, 导致均匀且可靠的焊缝.

缺点:

• 较大的热影响区 (haz): 连续热输入可能导致更大的HAZ, 潜在影响材料特性.
• 更高的能耗: 与脉冲激光器相比，CW激光通常消耗更多的能量.

数据:

• 功率范围: 通常范围从 1 KW到 10 KW.
• 穿透深度: 可以实现最多的深度 20 毫米 钢.
• 焊接速度: 到 10 每分钟仪表, 取决于材料厚度和功率.

2. 脉冲激光焊接

过程: 脉冲激光焊接涉及在短时间内发射激光束, 高能脉冲. 每个脉冲都会释放出一股能量, 允许精确控制热输入并最大限度地减少热影响区.

申请: 脉冲激光焊接非常适合薄材料, 精密部件, 和需要最小热输入的应用, 例如电子和医疗设备.

优势:

• 精确控制: 脉冲性质允许对焊缝尺寸和形状进行精细控制.
• 最小热影响区: 降低材料变形和翘曲的风险, 使其适用于薄且敏感的材料.

缺点:

• 浅渗透: 仅限于较薄的材料和浅焊缝.
• 过程较慢: 对于较长的焊缝，可能比连续波焊慢.

数据:

• 脉冲持续时间: 通常范围从微秒到毫秒.
• 功率范围: 从几瓦到几千瓦.
• 穿透深度: 到 1 毫米 钢.
• 焊接速度: 到 2 每分钟仪表, 取决于材料厚度和脉冲频率.

3. 混合激光焊接

过程: 混合激光焊接将激光束与另一个热源结合在一起, 通常是电弧焊接过程 (像Mig或Tig).

激光束提供主要的热源, 弧线稳定焊接池，并在需要时添加填充材料.

申请: 混合激光焊接用于焊接较厚的材料和需要高沉积速率的应用, 例如在造船和重型机械中.

优势:

• 深度渗透: 结合激光的深度渗透与电弧焊接的灵活性.
• 高沉积率: 更快的焊接速度和更高的材料沉积速率, 使其适用于大规模的工业应用.

缺点:

• 复杂的设置: 需要更复杂的设备和设置, 增加初始投资.
• 成本更高: 由于需要多种热源和专业设备，因此更昂贵.

数据:

• 功率范围: 激光功率通常从 1 KW到 10 KW, 弧电量从 100 a to 500 一个.
• 穿透深度: 可以实现最多的深度 25 毫米 钢.
• 焊接速度: 到 15 每分钟仪表, 取决于材料厚度和功率.

4. 远程激光焊接

过程: 远程激光焊接使用高速扫描系统将激光束引导到大面积.

光束使用镜子或仪表扫描仪偏转, 允许多点或路径的快速，精确的焊接.

申请: 远程激光焊接用于大量生产环境, 例如，在车身装配的汽车行业和焊接的电子行业中.

优势:

• 高速: 极快的焊接速度, 适合批量生产.
• 灵活性: 可以快速，准确地焊接多个点或路径, 使其非常适合复杂的几何形状.

缺点:

• 渗透率有限: 通常不太适合深入焊接.
• 精确要求: 需要精确控制和对齐扫描系统, 这可能具有挑战性.

数据:

• 扫描速度: 到 100 每秒米.
• 焊接速度: 到 50 每分钟仪表, 取决于焊道的复杂性.
• 功率范围: 通常范围从 1 KW到 5 KW.

5. 传导模式焊接

过程: 传导模式焊接涉及加热要连接的材料的表面, 使他们融化并融合.

热量是在材料中进行的, 导致更宽, 较浅的焊池.

申请: 传导模式焊接用于薄材料和应用, 浅焊缝是可以接受的, 例如在电子和珠宝行业.

优势:

• 表面熔化: 适用于薄材料和细腻的组件, 最大程度地减少损害的风险.
• 最小的失真: 降低物质扭曲和失真的风险, 确保高质量的焊缝.

缺点:

• 浅渗透: 仅限于浅焊缝和薄材料.
• 较低的强度: 与更深的穿透焊缝相比，所得的焊缝的强度可能较低.

数据:

• 功率范围: 通常范围从 100 在那 1 KW.
• 穿透深度: 到 0.5 毫米 钢.
• 焊接速度: 到 2 每分钟仪表, 取决于材料厚度和功率.

6. 匙孔模式焊接

过程: 钥匙孔模式焊接涉及将激光束聚焦以创建一个小的, 深孔 (锁孔) 在材料中.

锁孔充当激光能量深入穿透的通道, 导致狭窄的, 深焊缝.

申请: 小孔模式焊接用于厚材料和需要深熔透的应用, 例如在汽车和航空航天行业.

优势:

• 深度渗透: 能够实现深而窄的焊缝, 使其成为厚材料的理想选择.
• 高力量: 产生强劲, 高质量焊接，变形最小.

缺点:

• 复杂的设置: 需要精确控制激光参数以保持锁孔.
• 物质限制: 这可能并不适合所有材料, 尤其是那些反射率高的.

数据:

• 功率范围: 通常范围从 1 KW到 10 KW.
• 穿透深度: 可以实现最多的深度 20 毫米 钢.
• 焊接速度: 到 10 每分钟仪表, 取决于材料厚度和功率.

激光焊接类型汇总表

激光焊接类型	流程说明	申请	优势	缺点	功率范围	穿透深度	焊接速度
连续波 (连续波)	连续激光束发射	厚材料, 深度渗透	高渗透率, 稳定的热输入	更大的危险, 更高的能源消耗	1 KW到 10 KW	到 20 毫米	到 10 M/我
脉冲式	短的, 高能激光脉冲	薄材料, 精密部件	精确控制, 最小HAZ	浅渗透, 过程较慢	几瓦到几千瓦	到 1 毫米	到 2 M/我
杂交种	激光与电弧焊的结合	厚材料, 高沉积率	深度渗透, 高沉积率	复杂的设置, 成本更高	1 KW到 10 KW (激光), 100 a to 500 一个 (弧)	到 25 毫米	到 15 M/我
偏僻的	高速扫描系统	高体积生产, 多个点	高速, 灵活性	渗透率有限, 精确要求	1 KW到 5 KW	多变的	到 50 M/我
传导模式	表面加热和熔化	薄材料, 精密部件	表面熔化, 最小的失真	浅渗透, 较低的强度	100 在那 1 KW	到 0.5 毫米	到 2 M/我
钥匙孔模式	创建一个深钥匙孔	厚材料, 深度渗透	深度渗透, 高力量	复杂的设置, 物质限制	1 KW到 10 KW	到 20 毫米	到 10 M/我

哪些材料可以通过激光焊接连接?

激光焊接是一种能够连接多种材料的多功能技术. 它提供精确的能力, 高能梁使其适用于金属, 合金, 和某些非金属.

这是通常使用激光焊接加入的材料的概述:

1. 金属和合金

激光焊接对金属和合金特别有效, 为各种应用提供高精度和强度.

钢

• 不锈钢: 汽车等行业的理想, 航天, 和医疗, 激光焊接可提供出色的耐腐蚀性和干净的焊接.
• 碳钢: 可焊接最小的热影响区域, 虽然必须注意控制热量以避免裂缝.
• 工具钢: 适合精确焊接应用, 尤其是在工具和模具行业.

铝 和铝合金

• 铝的高导热性使其具有挑战性, 但现代激光可以很好地处理它, 特别是对于像这样的合金 6061, 5052, 和 7075.

钛及钛合金

• 常用于航空航天和医疗行业, 钛由于其低热膨胀和高强度而焊接良好.

镍及镍合金

• 铬镍铁合金等镍基合金广泛应用于高温和腐蚀环境, 例如发电厂和喷气发动机.

铜和铜合金

• 铜的高反射率和导热率需要高功率激光器, 但它是可焊接的, 特别是对于电气元件.

其他金属

• 镁合金: 重量轻，常用于汽车和航空航天应用.
• 锌和镀锌金属: 常见于镀锌钢和其他耐腐蚀应用.

2. 异种材料

激光焊接可以连接两种不同的材料, 尽管必须仔细管理兼容性和热性能.

• 钢到铝: 可以使用专门技术来管理热膨胀差异.
• 钛镍合金: 用于航空航天以实现轻量化, 坚固的关节.
• 铜铝: 存在于电池连接等电气元件中.

3. 塑料

激光焊接还可以使用专门的系统连接某些热塑性塑料.

• 聚碳酸酯 (个人电脑): 常见于电子和汽车应用.
• 丙烯腈丁二烯苯乙烯 (腹肌): 用于消费品和电器.
• 尼龙和聚丙烯: 存在于工业部件和包装中.

4. 涂层和电镀材料

带涂层的材料 (例如。, 镀锌钢, 阳极氧化铝) 也可以焊接.

必须小心考虑涂层如何与激光相互作用, 因为它可能会影响焊接质量.

5. 贵金属

激光焊接非常适合连接小型, 精密部件由:

• 金子: 用于珠宝和电子产品.
• 银: 用于电气和装饰应用.
• 铂金和钯金: 常见于医疗和高科技行业.

激光焊接与传统焊接的区别

激光焊接与传统焊接技术在几个方面有所不同, 包括焊接原理, 焊接速度, 焊接质量,

热影响区, 操作灵活性, 设备成本, 和运营成本.

焊接原理

• 激光焊接: 它采用高能量密度的激光束作为热源，通过非接触加热的方式实现材料的连接.
  激光束可以精确聚焦在微小区域, 使材料瞬间熔化并蒸发以形成焊​​缝 .
• 传统焊接: 例如, 电弧焊和氩弧焊通常采用电弧, 电阻加热, 或用于焊接的气体火焰,
  其中涉及物理接触或高能离子转移, 焊接接头可能比较粗糙，焊缝宽度可能比较宽.

焊接速度

• 激光焊接: 焊接速度很快, 可以在短时间内完成大量焊接工作, 这有助于提高生产效率 .
• 传统焊接: 焊接速度相对较慢, 特别是在需要精细控制的情况下 .

焊接质量

• 激光焊接: 焊缝狭窄, 制服, 并具有良好的表面质量, 热影响区域很小,
  适用于高需求焊接质量的字段, 例如航空航天和汽车制造业.
• 传统焊接: 它可能会产生一个相对较大的热影响区, 增加材料变形和损坏的风险,
  焊接质量可能会受到多种因素（例如操作员技能）的影响, 设备稳定性, 和物质特征 .

运营灵活性

• 激光焊接: 它可以实现非接触式焊接，并且可以达到一些传统焊接机以焊接的位置.
  同时, 它也可以进行自动焊接, 提高生产的自动化程度 .
• 传统焊接: 一些方法 (例如TIG焊接) 是基于接触的，可能存在诸如工具磨损和材料污染之类的问题 .

设备成本和运营成本

• 激光焊接: 设备成本相对较高, 最初的投资很大.
  然而, 在批量生产和高焊接质量要求的情况下, 它的综合成本可能更有利.
• 传统焊接: 设备相对成熟, 而且费用可能很低, 但是其性能和应用范围可能有限.

激光焊接的缺点

尽管其技术具有多重优势, 它也有一些缺点, 主要有以下几种:

• 成本问题: 激光焊接系统的成本相对较高, 包括激光, 光学元件, 和控制系统. 这意味着大量的初始投资.
• 技术要求: 操作激光焊接设备需要专业培训和技术知识, 对操作人员的技能要求较高.
• 对材料的适应性: 虽然它适用于多种材料, 对于高反射率的材料 (例如铝, 铜, 和他们的合金),
  激光吸收率较低, 可能会影响焊接质量.
• 设备维护: 激光焊接设备需要定期维护和校准, 这将增加长期运营成本.
• 环境敏感性: 该过程对环境条件有很高的要求. 例如, 灰尘和湿度可能会影响焊接质量.
• 焊接质量的局限性: 在某些情况下, 例如焊接厚板或特定的异质材料,
  可能会遇到焊接质量挑战, 例如裂缝, 毛孔, 和其他缺陷.
• 焊接速度和效率: 虽然激光焊接速度很快, 用于特定应用, 例如大规模生产或特殊材料的焊接,
  它可能仍需要优化以满足生产效率要求.
• 设备的体积和重量: 高性能激光焊接设备可能笨重, 这可能会限制其在某些空间有限的工作环境中的应用.

影响激光焊接的因素

激光焊接是一种高效且精确的焊接技术, 它的焊接质量受众多因素的影响. 主要因素如下:

激光功率

在激光焊接中, 有能量密度阈值. 如果电源低于此值, 焊接渗透深度将相对浅.

一旦电源达到或超过此值, 穿透深度将大大增加. 激光功率还可以控制焊接速度和穿透深度.

梁焦点

梁焦点的大小确定功率密度. 测量高功率激光焊接的焦点大小是一项具有挑战性的任务.

实践, 实际点大小通常大于理论上计算的值.

材料吸收率

激光材料的吸收率取决于诸如材料的电阻率和表面状况等因素.

这会影响材料可以吸收的激光能量，从而影响焊接效果.

焊接速度

焊接速度对焊接渗透深度有重大影响. 提高焊接速度将导致较浅的穿透深度.

然而, 如果速度太低, 它会导致材料过度融化，甚至可能通过工件燃烧.

有适当的焊接速度可用于达到最佳的渗透深度.

屏蔽气体

惰性气体通常用于保护激光焊接期间熔融池. 不同的屏蔽气体对焊接质量有不同的影响.

例如, 氦, 这不容易电离, 是激光焊接中最有效的屏蔽气, 但这相对昂贵.

氩的密度更高，可以提供良好的保护, 但这可能会阻塞一部分激光器.

氮是一种低成本的屏蔽气, 但这不适合焊接某些不锈钢.

焦点位置 (散焦量)

焦点位置对焊缝的形状和穿透深​​度有重要影响.

当散焦量为正时, 那是, 焦点在工件表面上方, 它有益于获得光滑的焊接表面.

当散焦量为负数时, 这意味着焦点在工件内部, 它可以增加穿透深度.

环境条件

激光焊接过程对环境条件有很高的要求. 例如, 灰尘和湿度可能会影响焊接质量.

材料的均匀性

材料的均匀性直接影响材料的有效利用率和焊接质量.

合金元素分布不均匀或材料内部存在杂质都会影响焊缝的一致性.

焊接设备和固定装置

焊接设备质量及维护现状, 以及夹具的精度, 都影响焊接质量.

保证焊接工件的加工精度和装配精度对于提高焊接质量至关重要.

操作员技能

操作人员的技能和经验也是影响激光焊接质量的重要因素. 专业培训和技术知识对于实现高质量焊接至关重要.

激光焊接的常用应用

激光焊接技术以其高精度在金属材料制造中得到广泛应用, 高效率, 热影响区小, 和良好的品质.

以下是它在金属材料制造中的一些常见应用领域:

结论

激光焊接是一种强大而精确的技术，与传统焊接方法相比具有许多优势.

通过了解所涉及的原理和组件, 制造商可以利用这项技术来提高产品质量, 减少生产时间, 并提高整体效率.

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