自動化激光焊接設備
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目前常用的焊接工藝有電弧焊、電阻焊、釬焊、電子束焊等。電弧焊是目前應用最廣泛的焊接方法，它包括手弧焊、埋弧焊、鎢極氣體保護電弧焊、等離子弧焊、熔化極氣體保護焊等。但上述各種焊接方法都有各自的缺點，比如空間限制，對于精細器件不易操作等，而激光焊接不但不具有上述缺點，而且能進行精確的能量控制，可以實現精密微型器件的焊接。并且它能應用于很多金屬，特別是能解決一些難焊金屬及異種金屬的焊接。
激光指在能量相應與兩個能級能量差的光子作用下，誘導高能態的原子向低能態躍遷，并同時發射出相同能量的光子。激光具有方向性好、相干性好、單色性好、光脈沖窄等優點。激光焊接是利用大功率相干單色光子流聚焦而成的激光束為熱源進行的焊接，這種焊接通常有連續功率激光焊和脈沖功率激光焊。激光焊接從上世紀60年代激光器誕生不久就開始了研究，從開始的薄小零器件的焊接到目前大功率激光焊接在工業生產中的大量的應用，經歷了近半個世紀的發展。由于激光焊接具有能量密度高、變形小、熱影響區窄、焊接速度高、易實現自動控制、無后續加工的優點，近年來正成為金屬材料加工與制造的重要手段，越來越廣泛地應用在汽車、航空航天、造船等領域。雖然與傳統的焊接方法相比，激光焊接尚存在設備昂貴、一次性投資大、技術要求高的問題，但激光焊接生產效率高和易實現自動控制的特點使其非常適于大規模生產線。
2. 激光焊接原理
2.1激光產生的基本原理和方法
光與物質的相互作用，實質上是組成物質的微觀粒子吸收或輻射光子。微觀粒子都具有一套特定的能級，任一時刻粒子只能處在與某一能級相對應的狀態，物質與光子相互作用時，粒子從一個能級躍遷到另一個能級，并相應地吸收或輻射光子。光子的能量值為此兩能級的能量差△E，頻率為ν=△E/h。愛因斯坦認為光和原子的相互作用過程包含原子的自發輻射躍遷、受激輻射躍遷和受激吸收躍遷三種過程。我們考慮原子的兩個能級E1和E2，處于兩個能級的原子數密度分別為N1和N2。構成黑體物質原子中的輻射場能量密度為ρ，并有E2 -E1=hν。
2.1.自發輻射
處于激發態的原子如果存在可以接納粒子的較低能級，即使沒有外界作用，粒子也有一定的概率自發地從高能級激發態（E2）向低能級基態（E1）躍遷，同時輻射出能量為（E2-E1）的光子，光子頻率 ν=（E2-E1）/h。這種輻射過程稱為自發輻射。自發輻射發出的光，不具有相位、偏振態上的一致，是非相干光。
2.2.受激輻射
除自發輻射外，處于高能級E2上的粒子還可以另一方式躍遷到較低能級。當頻率為 ν=（E2-E1）/h的光子入射時，也會引發粒子以一定的概率，迅速地從能級E2躍遷到能級E1，同時輻射一個與外來光子頻率、相位、偏振態以及傳播方向都相同的光子，這個過程稱為受激輻射。
2.3.受激吸收
受激輻射的反過程就是受激吸收。處于低能級E1的一個原子，在頻率為 的輻射場作用下吸收一個能量為hν的光子，并躍遷至高能級E2，這種過程稱為受激吸收。自發輻射是不相干的，受激輻射是相干的。
由受激輻射和自發輻射的相干性可知，相干輻射的光子簡并度很大。普通光源在紅外和可見光波段實際上是非相干光源。如果能夠創造這樣一種情況：使得腔內某一特定模式的ρ很大，而其他所有模式的都很小，就能夠在這一特定模式內形成很高的光子簡并度，使相干的受激輻射光子集中在某一特定模式內，而不是平均分配在所有模式中。激光器就是采用各種技術措施減少腔內光場的模式數、使介質的受激輻射恒大于受激吸收來提高光子簡并度，從而達到產生激光的目的。
產生激光的基本條件：一是能在外界激勵能源的作用下形成粒子數密度反轉分布狀態的增益介質；二是要使受激發射光強超過受激吸收，必須實現粒子數反轉N2/G2- N1/G1>0；三是要使受激發射光強超過自發發射，必須提高光子簡并度。
2.2.激光焊接原理
激光焊接可以采用連續或脈沖激光束加以實現，激光焊接的原理可分為熱傳導型焊接和激光深熔焊接。功率密度小于104～105 W/cm2為熱傳導焊接，此時熔深淺、焊接速度慢；功率密度大于105～107 W/cm2時，金屬表面受熱作用下凹成“孔穴”，形成深熔焊，具有焊接速度快、深寬比大的特點[1]。其中熱傳導型激光焊接原理為：激光輻射加熱待加工表面，表面熱量通過熱傳導向內部擴散，通過控制激光脈沖的寬度、能量、功率和頻率等參數使工件熔化形成特定的熔池。
激光深熔焊接一般采用連續激光光束完成材料的連接，其冶金物理過程與電子束焊接極為相似，能量轉換機制是通過小孔完成。在高功率密度激光的照射下，材料蒸發形成小孔，這個充滿蒸氣的小孔猶如一個黑體，幾乎吸收全部的入射光能量，熱量從這個高溫孔腔外壁傳遞出來，使包圍著這個孔腔四周的金屬熔化。在光束照射下的壁體材料連續蒸發產生高溫蒸汽，孔壁外液體流動形成的壁層表面張力與孔腔內連續產生的蒸汽壓力相持并保持動態平衡。光束不斷進入小孔，小孔始終處于流動的穩定狀態，圍著孔壁的熔融金屬隨著前導光束前進而向前移動，熔融金屬填充小孔移開后留下的空隙并隨之冷凝，焊縫于是形成。
3.激光焊接的優缺點
激光焊接具有很多優點。激光焊接可以將熱量降到最低的需要量，熱影響區金相變化范圍小，而且因熱傳導所導致的變形也很低；不需使用電極，沒有電極污染或受損的顧慮；激光束易于聚焦、對準及受光學儀器所導引，可放置在離工件適當的距離，且可在工件周圍的機具或障礙間再導引，其他焊接法則因受到上述的空間限制而無法發揮作用；工件可放置在封閉的空間內，激光束可聚焦在很小的區域，可焊接小型或間隔相近的部件。另外激光焊接可焊材質的種類范圍很大，可以相互接合各種異質材料，并且易于以自動化進行高速焊接，也可以數位或電腦控制；用激光焊接薄材或細徑線材時，不會像電弧焊接容易有回熔的困擾，而且激光焊接不受磁場所影響，能精確地對準焊件。
激光焊接也有一些缺點，主要表現在以下幾個方面。一是焊件位置需非常精確，務必在激光束的聚焦范圍內；二是焊件需使用夾具時，必須確保焊件的最終位置需與激光束將沖擊的焊點對準；三是最大可焊厚度受到限制，滲透厚度遠超過19mm的工件在生產線上不適合使用激光焊接。四是當進行中能量至高能量的激光束焊接時，需使用等離子控制器將熔池周圍的離子化氣體驅除，以確保焊道的再出現。最后，能量轉換效率太低，通常小于10%；焊道快速凝固，可能有氣孔及脆化的顧慮，并且設備昂貴。表1對各種焊接工藝進行了比較。
表1 不同焊接工藝的各種性能比較
焊接工藝 精度 變形 熱影響 焊縫質量 焊料
激光焊 精密 小 很小 好 無
釬焊 精糙 一般 一般 一般 需要
電阻焊 精糙 大 大 一般 無
氬弧焊 一般 大 大 一般 需要
等離子焊 較好 一般 一般 一般 需要
電子束焊 精密 小 小 好 無
4.激光焊接的工藝參數
一般而言，激光焊接的工藝參數有功率密度、激光脈沖波形、激光脈沖寬度、離焦量、焊接速度和保護氣體等，圖1是激光焊接的主要工藝參數圖。
4.1. 功率密度：功率密度是激光加工中最關鍵的參數之一。采用較高的功率密度，在微秒時間范圍內，表層即可加熱至沸點，產生大量汽化。因此，高功率密度對于材料去除加工如打孔、切割、雕刻十分有利。對于較低功率密度，表層溫度達到沸點需要經歷數毫秒，在表層汽化前，底層達到熔點，易形成良好的熔融焊接。
4.2.激光脈沖波形：當高強度激光束射至材料表面，金屬表面將會有60～98%的激光能量反射而損失掉，尤其是金、銀、銅、鋁、鈦等材料反射強、傳熱快。一個激光脈沖訊號過程中，金屬的反射率隨時間而變化。當材料表面溫度升高到熔點時，反射率會迅速下降，當表面處于熔化狀態時，反射穩定于某一值。
4.3.激光脈沖寬度：脈寬是脈沖激光焊接的重要參數，。脈寬由熔深與熱影響分區確定，脈寬越長熱影響區越大，熔深隨脈寬的1/2 次方增加。但脈沖寬度的增大會降低峰值功率，因此增加脈沖寬度一般用于熱傳導焊接方式，形成的焊縫尺寸寬而淺，尤其適合薄板和厚板的搭接焊。但是，較低的峰值功率會導致多余的熱輸入，每種材料都有一個可使熔深達到最大的最佳脈沖寬度[2]。
4.4.離焦量：激光焊接通常需要一定的離焦量，因為激光焦點處光斑中心的功率密度過高，容易蒸發成孔。離開激光焦點的各平面上，功率密度分布相對均勻。離焦方式有兩種：正離焦與負離焦。焦平面位于工件上方為正離焦，反之為負離焦。按幾何光學理論，當正負離焦平面與焊接平面距離相等時，所對應平面上的功率密度近似相同，但實際上所獲得的熔池形狀有一定差異。負離焦時，可獲得更大的熔深，這與熔池的形成過程有關。
4. 5.焊接速度：焊接速度對熔深有較大的影響，提高速度會使熔深變淺，但速度過低又會導致材料過度熔化、工件焊穿。因此，對一定激光功率和一定厚度的特定材料有一個合適的焊接速度范圍，并在其中相應速度值時可獲得最大熔深。
3.6.保護氣體：激光焊接過程常使用惰性氣體來保護熔池，對大多數應用場合則常使用氦、氬、氮等氣體作保護。保護氣體的第二個作用是保護聚焦透鏡免受金屬蒸氣污染和液體熔滴的濺射，在高功率激光焊接時，噴出物非常有力，此時保護透鏡則更為必要。保護氣體的第三個作用是可以有效驅散高功率激光焊接產生的等離子屏蔽。金屬蒸氣吸收激光束電離成等等離子體，如果等離子體存在過多，激光束在某種程度上會被等離子體消耗掉。
5.激光焊接的應用
隨著大功率激光器的出現，激光焊接在機械、造船、汽車、航空航天等領域獲得日益廣泛的應用。激光焊接早已應用在汽車制造業，隨著車身防腐蝕和降低車重的要求，鋁材料已經廣泛應用在發動機、輪圈、儀表板等零部件上。激光焊接在航空制造業的應用也已經非常廣泛，飛機機身由眾多零部件組成，需要鉚釘連接，鉚釘技術已經發展到了極限，很難再有所突破，激光焊接成為一種理想的替代技術，采用激光焊接技術還可以使機身的重量減輕15%。近年來，雙光束激光焊接正成為激光焊接領域的熱門技術，研究發現，采用雙光束激光焊接能降低熔池的冷卻速率，對含碳量較高的鋼材能顯著提高焊縫質量，同時，雙光束激光焊接的表面熔化蒸氣團更為穩定，有利于形成穩定的焊縫質量，減少氣孔等缺陷。
在汽車工業中， 板材拼焊能生產出面積更大的鋼板， 而將不同材料和厚度的鋼板連接在一起，又可減輕車體重量，減少廢料，從而節約原材料。因而拼焊成形已成為汽車制造的重要工藝[3]。激光拼焊具有其他拼焊技術沒有的一些優點，比如焊接性能高、壓制性能好、噴涂能力好、拼板平整度好。另外激光焊接還可以應用在造船業中，由于激光焊接具有速度快、熔深大的特點，在造船業中可以大大提高生產率，而且可以單道焊接或減少焊道數。并且船塢焊接工作量大大減少，使船舶的精度制造成為可能。
6.總結
激光焊接具有焊縫深窄、深寬比高、焊接速度快、熱輸入低、焊縫熱影響區窄、焊接變形小、焊縫質量好等優點；采用激光復合焊還可降低間隙要求，可用于各類工業制造。激光焊接不僅工藝簡單，而且易于實現計算機控制。由于激光焊接技術的眾多優點，預計激光焊接技術將逐步得到廣泛應用。
