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激光精密焊接应用介绍

自动激光堆焊

在使用自动激光堆焊时,由机器将助焊剂引导到加工位置。助焊剂同样可以是焊丝,但是在这种技术中关键是金属粉末。将金属粉末一层层地涂敷到基材上,没有微孔和裂纹地与基材熔合在一起。金属粉末变成与表面连接的高强度焊缝。在冷却后就形成了一个金属层,可以对其进行机械加工。特殊之处在于,可以有针对性地形成多层同样或者不同的金属镀层。

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【热传导焊接】
在热传导焊接时,激光束将对接工件沿着结合部位熔化。熔体相互融合在一起,凝固成焊缝。

热传导焊接用于连接薄壁类零件,例如设备外壳可见表面的角焊缝。此外还广泛应用于电子工业。激光产生平坦、圆滑的焊缝,无需再作后续加工。对于上述用途,可以使用脉冲固体激光器或者连续波固体激光器。在热传导焊接时,能量只通过热传导到达工件。因此,焊缝深度只有十分之几毫米到一毫米。材料的导热性限制了最大焊缝深度。焊缝宽度通常比焊缝深度大。如果无法足够快地让热量散发出去,加工温度就会超过蒸发温度。产生金属蒸汽,焊入深度急剧增大,这个焊接工艺就转变为深熔焊。

【激光深熔焊】
在深熔焊时需要很高的功率密度,达到大约 1 MW/cm2。激光束不仅仅熔化金属,而且还产生蒸汽。

当蒸汽流出时,就向熔体施加压力,将其部分挤出。工件继续熔化。产生了一个又深又窄、充满蒸汽的孔:金属蒸汽毛细管,俗称钥匙孔(英语:Keyhole)。金属蒸汽毛细管周围环绕着金属熔体。如果激光束在结合部位上方移动,那么金属蒸汽毛细管就随其移动,穿过工件。金属熔体环绕着毛细管,在工件的背面凝固。通过这种方式,形成了又深又窄而且结构均匀的一条焊缝。焊缝深度是焊缝宽度的最多10倍以上,可达25mm。在金属蒸汽毛细管流过熔体的外壁上,激光束被多次反射。在这个过程中熔体几乎将激光束全部吸收,提高了焊接工艺的效率。如果用CO2激光器焊接,则毛细管内的金属蒸汽吸收激光,然后被部分电离。这样就产生了等离子体。等离子体同样将能量传导到工件上。因此,深熔焊具有效率高、焊接速度快的特点。由于速度快,热影响区很小,并且几乎没有变形。当要求焊入深度很大或者一次性焊接多层材料时,就使用这种工艺。

【激光扫描焊接】
采用扫描焊接技术,可以将生产设备设计得生产率高、灵活,从而使大批量生产中的焊接工艺比传统的焊接工艺更快、更精确、更经济。

在采用扫描焊接时,通过可移动的反射镜 [1] 实现对加工光束的引导。通过反射镜的角度变化引导激光束 [4]。这样就产生了一个加工区[3],在这其中可以高度动态、精确地实施焊接作业。加工区的大小取决于工作距离和激光束的偏转角度。加工速度和工件上的光斑直径取决于镜组的成像特性、激光束的入射角度、光束质量和材料。通过一个辅助透镜系统 [2] 的移动,焦点也可以在 Z 轴方向以极高的动态性移动,从而无需移动激光头或者工件,就可以对三维工件进行完整地加工。由于激光束的偏移运动速度非常快,就几乎没有非生产时间,激光器可以在将近100%的生产时间内进行作业。


此外,在焊接过程中,与一个机器人相连接的扫描透镜可以从一个工件上方经过。这个“飞行”运动被人们称为“飞行焊接”。机器人和扫描镜组实时地将它们的运动相互同步。使用机器人大幅扩大了工作空间,可以实现真正的三维工件加工。可以用一个操作方便的编辑器对可编程聚焦镜组进行编程,这个编辑器可以设计和保存在一个工件上的焊接图形。光束质量高的大功率碟片式激光器用作激光源。一条或者几条灵活的光纤将激光束从激光器引导到加工站。


【复合焊接】
针对困难情况:激光焊接和另一种焊接工艺的组合,用于建筑钢材加工业的特殊用途。

复合焊接将激光焊接与另一种焊接工艺相组合。适合与激光焊接组合的焊接工艺既可以是MIG焊接( 熔化极惰性气体保护焊)或MAG焊接( 熔化极活性气体保护焊),也可以是WIG焊接(钨极惰性气体保护焊)或等离子焊接。这样,在船舶制造业中可以焊接长度最长 20 m、厚度最大 15 mm 的大型船用钢板。钢板之间的距离非常大,仅凭激光束是无法将其焊接在一起的。在这种情况下,人们将MIG焊接与激光焊接组合使用。激光对较深的焊缝提供了很高的功率密度。加快了焊接速度,减少了热输入量和变形。MIG 焊炬横跨钢板之间的空隙,通过焊接助剂将接缝封闭。复合焊接比单独采用MIG焊接的速度更快,并且在这个过程中工件的变形很小。
 


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