1、激光焊与切割一、激光焊(一)、焊接(含切割)用激光器的特点为了便于比较，现将主要的焊接用激光器的特点加以比较，见表1。表1 焊接( 含切割)用激光器的特点(二)、激光焊接分类根据激光对工件的作用方式，激光焊接可分为脉冲焊和连续激光焊。脉冲焊接时，输入到工件上的能量是断续的、脉冲的。脉冲激光焊中大量使用的脉冲激光器主要是YAG激光器。YAG激光器适用的重复频率宽。此外还可将连续输出的YAG激光器和CO2激光器用于脉冲焊接，最简单的办法就是打开或关闭装在激光器上的光闸。根据实际作用在工件上的功率密度，激光焊接可分为热传导焊接(功率密度小于105W/cm2)和深熔焊接(功率密度大于等于105W/cm
2、2。热传导焊接时，工件表面温度不超过材料的沸点，工件吸收的光能转变为热能后，通过热传导将工件熔化，无小孔效应发生，焊接过程与非熔化极电弧焊相似，熔池形状近似为半球形。深熔焊接时，金属表面在光束作用下，温度迅速上升到沸点，金属迅速蒸发形成的蒸汽压力、反冲力等能克服熔融金属的表面张力以及液体的静压力等面形成小孔，激光束可直接深入材料内部，因而能形成深宽比大的焊缝。图1为激光深熔焊接示意图。图1激光深熔焊接示意图(三)、金属材料的激光焊接所有可以用常规方法进行焊接的材料或具有治金相容性的材料都可采用激光焊接，一些用常规方法难焊的材料，如高碳钢、高合金工具钢以及钛合金等，也可采用激光焊接。影响材料激光
3、焊接性的因素除了材料本身的治金特性以外，还包括材料的光学性能，亦即材料对激光的吸收能力。吸收能力强的材料易于焊接，而吸收能力差(反射率大)的材料(如AI、Cu等)焊接较困难。(1)碳钢及合金钢采用合适的规范参数对低碳钢进行焊接时，焊缝具有良好的拉伸和冲击等机械性能，用X射线进行检验的结果也很好。国内外均已采用激光焊接汽车齿轮，而这种齿轮原来只用电子束焊接国外对三种民用船舶船体结构钢(编号分别为A、B、C)的激光焊接进行了实验研究。实验板材的厚度范围为:A级-9.512.7mm,B级-12.719.0mm,C级-25.428.6mm。钢的W(C)不大于0.23%，W(Mn)为0.6%1.03%，
4、钢的脱氧能力从A级到C级依次递增。焊接时，使用的激光功率在10KW左右，焊接速度为0.61.2m/min。除对厚度为19.0mm和25.4mm的板材进行正反两边焊外，其他试件均为一次焊双面成形。通过对试件进行拉伸、弯曲以及冲击等实验表明，激光焊接头性能良好。美国海军对潜艇压壳用Hy-130合金钢的激光焊接表明，接头的力学性能，如断裂强度、伸长率等，比其他常规方法所焊接头的性能优越。冲击实验表明，激光焊接头的DT能(动态撕裂能)接近母材，而且冲击韧度优于母材。(2)不锈钢用激光焊接18-8型(304型)不锈钢，从薄板到厚板(0.112mm)均可获得成形美观、性能良好的焊接接头。对镍-铭系300型
5、不锈钢进行深熔焊接表明，焊缝深宽比可达12:1;经X射线检验表明，焊缝致密，无缺陷。当焊接工艺参数合适时，接头可与母材等强度。对薄壁18-8钛型(321型)不锈钢管的焊接实验也获得了满意的结果，焊缝抗拉强度达6560Mpa，并破断在母材区，焊缝区硬度值也较高，扫描电镜实验显示焊缝为极细的指状组织。(3)耐热合金许多镍基和铁基耐热合金都可进行脉冲和连续激光焊接。通过对铁基合金M-152和航空发动机中使用的三种镍基耐热合金(PK33、C263、N75)的激光焊接表明，接头力学性能与母材几乎相当。Dop-14合金和Dop-26合金是两种宇航用铱基合金，它们具有很高的熔点，具有优良的高温强度和抗氧化性
6、，用激光对其进行焊接时，焊缝晶粒很细，可消除金属钍在晶界偏析所产生的热裂现象，获得无裂纹的焊缝，而用常规的钨极氩弧焊则是难以办到的。国外对厚度为6.4mm的Inco-718镍基合金组件，用大功率(814KW)CO2激光器对其进行了成功的焊接，表2是接头的力学性能实验数据。表2Inco-718合金激光焊接头的力学性能(4)铝及铝合金铝及其合金的激光焊接是比较困难的，一方面是由于工件表面在开始时的反射率极高(超过90%);反射率又不稳定;另一方面，随着温度的升高，氢在铝中的溶解度急剧增加，焊缝中普遍存在着气孔。因此，对这类材料进行焊接时，工件表面需进行预处理，且需要大功率的激光器。国外有人使用8K
7、W的CO2激光焊透12.7mm的5456型铝合金，但焊缝强度比母材低的多，这主要是因为母材中的Mg、Mn元素地激光吸收能力强，形成了择优蒸发，最后导致焊缝中的AI3Mg2强化相减少。尽管激光焊铝及其合金存在较大困难，但通过大量研究表明，采用10KW左右的激光束和气保护系统，对抗海洋腐蚀性能良好的铝，镁合金(5000系列)已进行了成功地焊接。采用6KW的激光器焊接9.5mm的板材料，焊缝虽仍有气孔，但焊道成形良好，平均接头强度达343Mpa，与母材强度相当，但焊缝塑性较低。(5)铜及铜合金由于铜及铜合金的热导率和反射率比铝合金还高，一般很难进行焊接。在极高的激光功率和对表面进行处理的前提下，可对
8、小数合金，如磷青铜、硅青铜等进行焊接。由于Zn元素易挥发，黄铜的焊接性能不好。(6)钛及钛合金钛合金采用激光焊接可得到满意的结果。对1mm厚的Ti-6AI-4V板材采用1.4KW的激光输出功率，焊接速度可超过15m/min。经X射线检查显示，接头致密，无裂缝，无气孔、无夹杂物、接头强度与母材相近，疲劳强度亦与母材相当。当放慢焊接速度时，使用3.8KW的激光功率可焊接7.5mm的厚板。表3是对工业纯钛和钛合金(Ti-6AI-4V)进行深熔焊接所得到的强度实验结果。表3钛及钛合金激光焊接的强度实验结果(7)异种金属激光焊接可在许多类异种金属间进行，研究表明，铜一镍、镍一钛、钛一铝、低碳钢一铜等异种
9、金属在一定条件下均可进行激光焊接。图2是对不同材料组合进行激光焊接的实例。图2不同金属间采用激光焊接的可焊性另外，不锈钢一铜、可伐合金一铜、普通碳钢一硬质合金以及因瓦镍合金一不锈钢间也可采用激光焊接。(四)、非金属材料的激光焊接激光还可以焊接陶瓷、玻璃、算命材料等。焊接陶瓷时需要预热以防止裂纹产生，一般预热到1500，然后在空气中进行焊接，见图3所示，通常采用长焦距的聚焦透镜。为了提高接头强度，也可添加焊丝。图3陶瓷激光焊接示意图焊接金属基复合材料(MetalMatrisComposites-MMCs)时，易产生脆性相，这些脆性相会导致裂纹以及降低接头强度，虽然在一定条件下可以获得满意的接头，
10、但总体仍处于研究阶段。(五)、激光焊接复合技术激光焊接复合技术是指将激光焊接与其他焊接组合起来的集约式焊接技术，其优点是能充分发挥每种焊接方法的优点并克服某些不足。(1)激光-电弧焊图4和图5分别是激光-TIG和激光-MIG复合焊接法示意图。进行这种复合焊接的主要优点是:图4激光-TIG复合焊接法示意图图5激光-MIG复合焊接示意图1)有效地利用激光能量母材处于固态时对激光的吸收率很低，而熔化后可高达50%100%。采用复合焊接法时，TIG电弧或MIG电弧先将母材熔化，紧接着用激光照射，从而提高母材对激光的吸收率。2)增加熔深在电弧的作用下，母材熔化形成熔池，而激光束又作用在电弧形成熔池的底部
11、，加之液体金属对激光束的吸收率高，因而复合焊接较单纯激光焊接的熔深大。3)稳定电弧单独采用电弧焊时，焊接电弧有时不稳定，特别是在小电流情况下，当焊接速度提高到一定值时会引起电弧飘移，使焊接无法进行;而进行激光-电弧复合焊接时，激光产生的等离子体有助于稳定电弧。图6为单纯TIG焊接和激光-TIG复合焊接时电弧电压和电弧电流的波形。图6a中焊接速度为135cm/min。TIG焊接电流为100A，可以看出，复合焊接时，电弧电压明显下降，焊接电流明显上升。图6b中焊接速度为270cm/min。TIG焊接电流为70A，可以看出，单纯TIG焊接时，电弧电压及焊接电流均不稳定，很难进行焊接，而与激光进行复合
12、焊接时，电弧电压和电弧电流均很稳定，可顺利进行焊接。图6单纯TIG焊接和激光-TIG复合焊接时电弧电压和电弧电流的波形(2)激光-高频焊图7是激光-高频焊示意图，它是在采用高频焊管的同时，采用激光对尖劈进行加热，从而使尖劈在整个厚度上的加热更均匀，这样，有利于进一步提高焊管的生产率和质量。图7激光-高频焊示意图(3)激光压焊图8是采用激光压焊对薄钢带焊接的示意图。对薄钢进行激光熔焊时，如果焊接速度大于30m/min时，往往出现缺陷;而采用如图8所示的方法时，两待焊的薄钢带通过导槽形成60张角，经聚焦的激光束照射到两薄带之间，在上下两压辊的作用下，两钢带在未熔化前被压焊在一起，其结果是不仅焊缝强
13、度很好，而且焊接速度亦达到240m/min，是原来的8倍。图8采用激光压焊时薄钢带焊接的示意图二、激光切割(一)、激光切割的特点激光切割与其他切割相比，具有如下一系列优点:(1)切割质量好表4是对厚6.2mm的低碳钢板采用激光切割、气切割及等离子切割时，切缝的宽度和形状以及其他情况的比较。表4几种切割方法的比较激光切割的切缝几何形状好，切口两边平行，切缝几乎与表面垂直，底面完全不粘附熔渣，切缝窄，热影响区小，有些零件切后不需加工即可直接使用。(2)切割材料的种类多通常气割只限于含铬量少的低碳钢、中碳钢及合金钢。在等离子弧切割中，使用非转移弧虽能切割金属和非金属，但容易损伤喷嘴;常用的是转移弧，
14、故只能切割金属。激光能切割金属、非金属、金属基和非金属基复合材料、皮革、木材及纤维等。(3)切割效率高激光的光斑极小，切缝狭窄，比其他切割方法节省材料。另外，激光切割机上一般配有数控工作台，只须改变一下数控程序，就可适应不同的需要。(4)非接触式加工激光切割是非接触式加工，不存在工具磨损的问题，也不存在更换“刃具“的问题。(5)噪声低。(6)污染小激光切割的不足之处是设备费用高，一次性投资大，目前，主要用于中小厚度的板材和管材。(二)、激光切割的机理及分类根据切割材料的机理，激光切割可分为，激光气化切割、激光熔化切割、激光氧气切割以及激光划片与控制断裂。(1)激光气化切割当激光束照射时，金属材
15、料被迅速加热气化，并以蒸发的形式由切割区逸散掉。(2)激光熔化切割材料被迅速加热到熔点，借助喷射惰性气体，如氩、氦、氮等，将熔融材料从切缝中吹掉。(3)激光氧气切割金属材料被迅速加热到熔点以上，以纯氧或压缩空气作辅助气体，此时熔融金属与氧激烈反映，放出大量热的同时，又加热了下一层金属，金属继续被氧化，并借助气体压力将氧化物从切缝中吹掉。(4)激光划片与控制断裂划片是用激光在一些脆性材料表面刻上小槽，再施加一定外力使材料沿槽口断开。控制断裂是利用激光刻槽时所产生的陡峭的温度分布，在脆性材料里产生局部热应力，使材料沿刻槽断开。一般来说，激光气化切割多用于极薄金属材料以及纸、布、木材、塑料、橡皮等的
16、切割，非金属材料一般都不是氧化，且对10.6um波长的激光吸收率特别高，传热系数极低。激光熔化切割用于不锈钢、钛、铝及其合金等。激光氧化切割主要用于碳钢、钛钢以及热处理钢等易氧化的金属材料。(三)、激光切割设备激光切割设备主要由激光器、导光系统、CNC控制的运动系统等组成，此外还有抽吸系统以保证有效地去除烟气和粉尘。激光切割时割矩与工件间的相对移动有三种情况:1)割矩不动，工件通过工件台作运动，这主要用于尺寸比较小的工件:2)我件不动，割矩移动。3)割炬和工作台同时移动。图9是割炬移动式切割装置示意图。图10是激光割炬示意图。图9割炬移动式切割装置示意图1-激光振荡器2-反射镜3-激光束4-反
17、射镜5-激光光圈6-CNC装置7-反射镜8-反射镜9-聚焦透镜图10激光割炬示意图1-工件2-切割喷嘴3-氧气进气管4-氧气压力表5-透镜冷却水套6-聚焦透镜7-激光束8-反射冷却水套9-反射镜10-伺服电动机11-滚珠丝杆12-放大控制及驱动电器13-位置传感器激光切割时，对割炬的特殊要求是:1)割炬能喷射出足够的气流;2)要求气体喷射的方向和反射镜的光轴是同轴的。3)切割时金属的蒸汽和金属的飞溅不损伤反射镜;4)焦距便于调节。(四)影响切割质量的因素(1)光束横摸1)基模(TEM00)，又称高斯模，是切割最理想怕模式，主要出现在千瓦以下的激光器。2)低阶模(TEM01或TEM10)，接近T
18、EM00模，主要出现在12KW的中功率激光器。3)多模，是高阶模的混合，出现在3KW以上的激光器。图11是切割速度与横模及板厚的关系。由图6可以看出，300W的单模激光和500W的多模有同等的切割能力。多模的聚焦性差，切割能力低，单模激光的切割能力优于多模。表5是一些材料的单模激光切割工艺参数，表6是一此材料的多模激光切割工艺参数。图11切割速度与横模及板厚的关系(2)激光功率切割所需的激光功率主要决定于切割机里以及被切割材料性质。气化切割所需功率最大，熔化切割次之，氧气切割最小。材料的导电性好、导热性好、熔点高、厚度大时，所需激光功率高。切割速度大时，所需激光功率高。表5一些材料的单模激光切割工艺参数表6一些材料的多模激光切割工艺参数
