激光焊接 Laser welding

2022-11-10 13:22:50 浏览:329

定义

通过激光束熔化零件来连接零件。

焊接本质上意味着通过加热零件的边界使其熔化(或至少使某人变软)来连接零件,随后的凝固导致熔化——形成稳定的连接(接缝)。 与激光焊接相比,连接表面的所谓固相线温度会超过一定程度。 在许多情况下,不会使用额外的填充材料。 因此,要焊接在一起的部件必须非常紧密地配合在一起。 然而,也有使用额外填充材料的焊接工艺,例如粉末或焊丝的形式。 这种填充材料允许人们在稍宽的初始间隙下工作,并且工件的准备可能不太精确。

在激光焊接(=激光束焊接)的情况下,加热是通过吸收激光完成的,激光以激光束的形式照射到工作场所。 通常,激光辐射(通常是红外光)在缓慢移动光束或工件时是连续的,但有时使用激光脉冲,例如来自TEA CO的激光脉冲2激光器。

激光焊接是工业激光材料加工中最重要的技术之一。 它可以应用于各种金属,尽管并非所有技术上重要的金属都非常适合焊接;有些材料容易形成质量差的接缝,即使通过优化的工艺也很难改善。

激光焊接工艺也可以应用于各种其他材料,如聚合物,主要是热塑性塑料。

图1:铜激光焊接的实验装置,带有绿色导向光束。高速摄像头用于过程诊断,空气用作过程气体。资料来源:安德烈亚斯·海德,斯图加特斯特拉尔维克泽格研究所。

一系列可能的焊接几何形状带来了不同的挑战。

各种不同的焊接几何形状是可能的,具有特定的优点和缺点,例如在准备工作、可接近性和实现的机械稳定性方面。 例如,可以简单地面对面连接金属件,或者在弯曲面后或以 90° 角连接一些重叠。 在其他情况下,焊接应用于具有闭路接缝的圆柱形零件。

激光焊接通常与其他激光辅助工艺相结合,例如激光切割和激光打标。

虽然焊接通常只是一种连接技术,但也有添加剂技术,称为堆焊或激光熔覆。 有关详细信息,请参阅有关激光熔覆的文章。

激光焊接的应用

激光焊接在现代工业制造中应用非常广泛,特别是在大型环境中。 一些例子:

  • 它在汽车制造中变得非常重要,需要连接不同种类的钢、铝化合物和其他金属件,并且可能会出现不同的焊接几何形状。
  • 金属管是通过弯曲板材并通过线性焊缝将两端连接在一起制成的。 虽然这主要是用传统技术完成的,但激光适用于需要特别高质量的地方。
  • 各种工业工具、家居用品等都需要用焊接技术制造。

在各种应用领域,将没有替代焊接工艺。 例如,激光工艺允许人们连接完全不同的材料,并实现不寻常的几何形状。

激光焊接的优势

激光焊接的典型优点(与传统焊接技术相比)如下:

  • 一种获得干净和狭窄的接缝,因此以更少的后处理获得高质量的结果。
  • 热影响区可以更窄。
  • 高纵横比(深度与宽度之比)是可能的。
  • 例如,激光焊接可以应用于轮廓复杂或不同材料组合的困难情况。
  • 激光焊接非常适合集成到高度自动化的制造机械中。

技术细节

基本原理

基本上,激光焊接过程的工作原理是将要连接的两个部件靠近(它们之间有狭窄的间隙,或者有时根本没有间隙),然后用激光束加热接触区域一小段时间。 这会导致材料熔化,熔化填充间隙;后来,它凝固并形成接头(接缝)。 在大多数情况下,梁从一端开始,沿着整个界面缓慢移动,从而形成连续的接缝。 在其他一些情况下,仅在某些点(点焊)生成连接。

传导焊接

具有中等高光学强度(大约 105 W/cm2 ),可以进行传导焊接。 在这里,激光的吸收主要发生在表面附近,热量通过热传导传递到周围环境。 因此,接缝的宽度与其深度相似,或者更宽一点。 使用这种方法,焊接深度非常有限,但足以连接不太厚的金属板。 通常,金属的焊接深度在 0.3 mm 到 3 mm 之间。

除了金属熔化外,几乎没有汽化,因此只有微弱的烟雾产生和材料在输入表面上的沉积。 只是,焊缝周围有一些热影响区,这意味着焊接质量有所下降。

对于传导焊接,由于金属表面的反射,激光功率会大量损失。 例如,从一氧化碳2激光被吸收在钢表面上,当然只有该部分可用于焊接过程。 在其他情况下,吸收效率可能更低。 由于更温和的工艺条件,通常无法获得基本上异常的吸收,就像在激光切割等其他工艺中发生的那样。

锁孔焊接(深焊)

深焊发挥了激光的优势——例如,它与传统电弧焊或电阻点焊相比,比传导焊大得多。

通过应用明显更高的激光强度,可以实现锁孔焊接,也称为深熔深激光焊接,或短时间深焊。 通常,应用高于106 W/cm2 = 10 kW/mm2 。 例如,可以将 1 kW 光束聚焦到光束半径为 0.12 mm 的光斑上,从而产生 22 kW/mm2。(如果是高斯光束,则轴上强度甚至高出两倍。 在这种情况下,金属熔体被加热得如此之多,以至于部分材料开始蒸发。 因此,形成蒸汽毛细管(称为钥匙孔),可以向下传播到相当深的深度,并且在焊接位置上方出现羽流(热烟云)。

图2:锁孔焊接。图像平面刚好穿过要焊接的两个零件的边界。激光束以远大于光束直径的深度穿透材料。虽然在所示情况下该深度有限,但它可能会达到金属板的整个厚度。

钥匙孔可以伸入材料超过光束直径的10倍(甚至100倍的数量级)。 因此,可以焊接比传导焊接更厚的金属板,这证明了深焊一词的合理性。 钥匙孔可以通过高蒸气压保持打开,这对抗重力和表面张力,这往往会用熔体将其关闭。 通过焊头的连续运动,整个过程变得更加动态;这可能会导致锁孔轴相对于光束方向有些倾斜。

当使用在1μm光谱区域发射的激光(例如典型的固态激光器)时,其辐射可以沿着钥匙孔传播,光学损耗相对较弱。 但是,该过程也适用于一氧化碳2激光,具有更长的波长,导致蒸汽通道中的大量吸收;然后蒸汽变得非常热(发出强烈的蓝色光),并通过热辐射和对流将能量输送到侧面。

锁孔焊接可显著提高固态激光器和一氧化碳的吸收效率2激光器。

在任何情况下,都可以实现相当有效的激光辐射吸收 - 通常为80%至90%的数量级。 激光在金属上可能仍然存在基本的反射,但如果它是钥匙孔内的反射,辐射会直接照射到其他可以再次被部分吸收的金属部件。 从本质上讲,辐射逃逸到自由空间不再那么容易。

锁孔焊接涉及的物理过程相当复杂。 它们涉及辐射吸收(但具有特殊的表面几何形状,熔化和汽化材料,异常吸收,部分由于逆Bremsstrahlung吸收),由强烈蒸气压驱动的熔体和蒸汽流,表面张力,电离,热传导,等离子体的热辐射等方面。 需要复杂的多物理场模型(通常是数值模型)来分析这些过程的细节;仅仔细观察焊接区域并不能提供足够的洞察力。 与基于 1 μm 光谱区域的固态(或光纤)激光器焊接时,与基于 1 μm 光谱区域的工艺相比,各种工艺细节可能大不相同一氧化碳2激光器在 10.6 μ 波长。

工艺气体

通常,人们使用合适的工艺气体来保护表面。 在大多数情况下,它是一种化学惰性气体,如氮气(N2),氩气(Ar)或氦气(He),可防止表面不必要的氧化。 有时,工艺气体具有化学保护以外的其他功能,例如增加等离子体中的载流子复合以提高其透明度(减少屏蔽效应)。

通常,缓慢的工艺气体流动足以进行焊接(例如,与激光切割相反,其中快速气流通常是必不可少的)。 然而,气体的另一个功能是保护激光加工头的光学元件免受碎屑和烟雾的沉积。 通常,焊头内的额外交叉射流用于额外的保护;它可以安装在光学窗口的正下方,以保护聚焦光学元件。 然后,人们需要减少交换该窗口的频率。

马兰戈尼流

在某些情况下,由于熔体中的快速对流,在深焊中获得的焊缝顶部要宽得多。 这可能是马兰戈尼效应的结果:流动是由温度相关的,因此是位置相关的表面张力引起的,而不仅仅是密度梯度。 另一个驱动力可能是与热蒸汽流动的摩擦。

远程激光焊接

虽然激光焊接通常是在激光加工头非常靠近焊接区域的情况下完成的,但也有远程激光焊接技术,其中激光束被发送到更大的距离,例如数十厘米甚至超过一米。 这称为远程焊接。

远程焊接的一个典型优点是,与需要移动整个激光头和/或工件的情况相比,使用激光扫描仪可以更快地定位焊点。 特别是当激光功率很高时,人们可以快速进行长焊缝,例如在汽车门上。 另一个优点是,碎屑到达加工关键部件的风险大大降低。

另一方面,一个可能的局限性是,只有在不需要施加工艺气体的情况下才能实现远程焊接的全部优势,否则仍然需要提供气体喷嘴和工件的相对运动。

工件准备

在某些情况下,工件需要适当准备。 通常,重要的是让它们足够干净,即可能应用一些清洁程序,例如去除氧化层或机油。 在某些情况下,有必要在焊接前预热零件。

单光束和多光束方法

通常,激光焊接是用一束激光完成的。 但是,有一些改进的方法可以提高质量,其中组合使用几个光束:

  • 双光斑技术使用两个紧密间隔的激光束,具有相同的功率和直径。 通过两个点的线可以沿移动方向对齐或垂直于移动方向。
  • 三焦点焊接是用一个大直径的主梁完成的,前面是两个更紧密聚焦的梁。

混合焊接

对于某些应用,已经开发了混合焊接工艺,其中使用两种不同热源的组合 - 例如,直接二极管激光器和脉冲固态激光器。 也可以将一些激光源与电弧相结合。 后者可以以相对便宜的方式提供额外的工艺能量,同时还支持激光的吸收,并可能有助于将填充材料输送到焊接间隙中。 可能的好处是,尽管激光功率适中,但加工速度更高,而加工质量可能高于纯电弧焊工艺。

聚合物的激光焊接

上述解释都适用于金属的布线,这是通常的情况。 然而,已经开发了各种用于聚合物焊接的激光辅助工艺。 这些材料在固相线温度、可塑性、蒸汽形成或化学解离以及光吸收方面与金属有很大不同。 许多材料性能可以通过添加剂进一步改变,有时是为了优化焊接工艺。

在某些情况下,聚合物的激光焊接方式与金属焊接非常相似:要连接的部件对激光不透明,吸收一些光功率,在焊接区域变软并连接。 可以在孤立点或沿线生成接头。

由于聚合物对激光辐射非常透明,因此可以实现完全不同的过程。 例如,可以将强吸收聚合物部件与透射聚合物部件连接起来,通过透射材料将激光辐射发送到界面(透射激光焊接)。 虽然热量最初仅在吸收材料中产生,但热传导会导致两种材料在界面处软化。 透射激光焊接的一个特殊方面(与任何其他焊接方法相比)是易于接近界面,例如远离任何外表面的位置。

鉴于聚合物的广泛使用,例如作为固体塑料部件或箔,聚合物的激光焊接显然有非常广泛的应用。 这包括廉价的大众产品以及高度专业化的产品。 虽然激光焊接一如既往地与各种其他方法竞争,例如传统的焊接和胶合方法,但在许多情况下它可以发挥其特定优势。 典型的优点是加工速度快,不需要耗材,灵活性高,适用于自动化。

典型的焊接缺陷

激光焊接的结果通常并不完美,尽管通常比电弧焊或电阻焊等传统方法更好。 典型的缺陷或瑕疵是:

  • 接缝中可以形成空隙(例如小气孔或较大的空隙),例如,如果没有足够的时间用熔体完全填充体积,然后熔体凝固。 此外,接缝中可能会出现裂缝。 这种空隙会严重降低接缝的机械强度。
  • 接缝周围有一些热影响区(HAZ),例如氧化。
  • 一些汽化的材料沉积在相邻的表面上(特别是对于锁孔焊接)。 这也可能包括熔融物质的液滴。
  • 顶部和底部表面可能不是完全平坦的——它们可能是凸的或凹的。 例如,当凹槽未完全填充时,由于间隙太大,会产生凸形。 这些细节在很大程度上取决于零件最初对齐的方式。
  • 不完全渗透:接缝可能无法始终如一地达到所需的深度。

ISO 标准 13919-1 提供了对焊接质量进行分类的方法。 为了全面评估焊接质量,通常需要研磨焊缝并用显微镜检查该表面。 当然,这种破坏性方法不能在生产过程中定期应用,但在最初建立焊接过程时可能经常需要。

这种缺陷的倾向在很大程度上取决于许多工艺参数,例如光束参数、焊头的移动速度、零件的对齐、材料细节和施加的工艺气流。

流程优化

激光焊接工艺的优化可以针对例如

  • 最大焊接速度,
  • 对激光功率或每单位长度能量(线能量)的最小要求,
  • 低气体消耗
  • 在机械稳定性、表面平整度和均匀性、热影响区大小等方面获得最高质量的结果。

在给定情况下使用优化参数进行激光焊接需要大量的技术专长。

什么是最佳解决方案可以取决于特定应用程序的优先级。 此外,情况可能在很大程度上取决于给定的情况,例如要连接的材料、它们的厚度和所需的接缝几何形状。 由于涉及如此多的可变参数和兴趣点,因此优化过程并非易事;有很多改进的机会,但可能需要大量时间来确定所有参数和细节的最佳组合。

过程诊断在优化中起着重要作用。 自动化机器部分直接使用过程诊断来优化焊接过程的参数。 例如,在锁孔焊接过程中发生的金属等离子体辐射提供了有用的信息。

至少对于传导焊接,相关的物理过程没有激光切割和钻孔那么复杂,因此也更容易用计算机模型进行描述和预测。 另一方面,所涉及的连接几何形状可以表现出更大的多样性。 对于锁孔焊接,整个情况相当复杂。

焊接用激光器

在绝大多数情况下,应用红外激光。连续波操作在许多情况下是合适的,尽管脉冲激光器在某些焊接应用中使用。

特别适用于重型机械、大功率一氧化碳2激光器仍然被广泛使用。 然而,二极管泵浦固态激光器变得越来越重要,首先是体激光器的形式,后来也越来越多地成为光纤激光器。

高激光束质量有时是有利的,特别是当需要更强的散焦时。 然而,有趣的是,最佳光束质量并不总是能获得最佳加工结果:在某些情况下,由于向锁孔侧壁的能量传输不足,深焊效果不佳。 除了降低光束质量外,还可以有其他选择,例如使用激光扫描仪沿小圆快速旋转光束,从而有效地增加平均强度分布的直径。

激光焊接机

典型的工业激光焊接机包含以下内容:

  • 核心部分是激光源,例如连续波CO2或输出功率为几百瓦或几千瓦的固态激光系统。 它通常需要一些辅助单元,特别是用于冷却激光器。
  • 光束传输系统将激光传输到应用领域。 为了桥接长距离,人们经常使用大功率光缆。
  • 焊接头需要相对于工件移动。 这可以通过仅移动工件,仅移动激光头(飞行光学器件)或使用混合解决方案来完成,为一侧或另一侧分配一定的自由度。 焊接头通常配备有加工气体供应。
  • 可以有额外的设施,用于自动装载和移除工件、清除废料等。
  • 由于激光功率很大,激光安全是一个重要问题。 它可以提供非常不同的方法,例如仅在带有联锁装置的封闭外壳内进行焊接,或者在自动化生产过程中整个区域没有任何人员。

虽然一些焊机完全针对一种特定应用进行了优化,但也有具有极大灵活性的多用途机器,以适应不同的场景。

图3:用于汽车制造的工业远程激光焊接平台,这里应用于铝基汽车门。资料来源:马克斯·科瓦连科,斯图加特斯特拉尔维克泽格研究所。

工业焊接机通常配备复杂的计算机控制,以实现最大生产率,即也可以有效地利用昂贵的激光系统。 通常需要与CAD/CAM软件的接口以及集成到更大的制造环境中。 机器还包含大量用于监控过程的传感器以及用于快速识别可能故障的各种内部参数。

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激光材料加工

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