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激光焊接機(jī)的原理

日期:2020-07-07    點(diǎn)擊數(shù):

激光焊接機(jī)的激光焊接是利用高能量的激光脈沖對(duì)材料進(jìn)行微小區(qū)域內(nèi)的局部加熱,激光輻射的能量通過熱傳導(dǎo)向材料的內(nèi)部擴(kuò)散,將材 料熔化后形成特定熔池。它是一種新型的焊接方式,激光焊接主要針對(duì)薄壁材料、精密零件的焊接,可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)焊、對(duì)接焊、疊 焊、密封焊等,深寬比高,焊縫寬度小,熱影響區(qū)小、變形小,焊接速度快,焊縫平整、美觀,焊后無需處理或只需簡(jiǎn)單處理 ,焊縫質(zhì)量高,無氣孔,可精確控制,聚焦光點(diǎn)小,定位精度高,易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。

     通常不采用填充焊料,因此零件之間的配合間隙要小于最精細(xì)零件厚度的15%。零件各部分都要相對(duì)清潔,因?yàn)楹附铀俣群芸?,來不及將雜質(zhì)燒掉。多數(shù)活性金屬的焊接要求有保護(hù)氣體,但是許多合金也可以在空氣中進(jìn)行焊接。

    焊接時(shí)的熱能輸入和焊點(diǎn)形狀可以由參數(shù)及部件控制,分別進(jìn)行熱傳導(dǎo)模式焊接,熔透焊接,和小孔焊接。熱傳導(dǎo)焊接的 深度較淺,范圍較寬,類似于GTAW或TIG焊縫形狀。這種焊接常常用于一些小型器件,比如和工具,或者中繼罐及電池這樣的 電子產(chǎn)品,它們需要焊接處光滑,外形美觀。熔透模式焊接的深度與焊接寬度相當(dāng)或略深于寬度。采用熔透模式焊接時(shí),輸入 的熱能小,熔池小而深,可以用更低平均的。由于焊接周期中維持小孔的需要,小孔模式焊接只用連續(xù)或超級(jí)模式的連續(xù)激光 器。小孔焊接熔池深度寬度比高,達(dá)到6:1,是效率最高的焊接過程。脈沖,連續(xù),超級(jí)模式的連續(xù)激光器都能在熱傳導(dǎo)模式 下工作,連續(xù)激光器可以用熔透模式,而只有超級(jí)模式連續(xù)激光器可以用于小孔焊接模式。

        焊接系統(tǒng)

     脈沖Nd: 激光器能發(fā)出多種多樣的脈沖,焊接時(shí)可以設(shè)置脈沖的能量,峰值功率,局部的走勢(shì)和形狀等。正是通過控制這 些脈沖參數(shù),脈沖YAG激光器成為全面的焊接系統(tǒng)。即使是低平均功率的脈沖YAG激光器也能進(jìn)行大點(diǎn)焊,深度點(diǎn)焊和縫焊,因 為與材料的相互作用由以上的脈沖參數(shù)決定,而平均功率對(duì)焊接的影響不大。脈沖YAG激光器能產(chǎn)生幾十焦耳能量的脈沖,而 激光器的平均功率只有100w。脈沖的峰值功率通常最小為2KW,也可高達(dá)10KW??偟膩碚f,脈沖Nd:YAG激光器可用于各種點(diǎn)焊 ,或者是熱敏的縫焊,以及鋁和銅合金的焊接。脈沖的能量越高,單個(gè)脈沖所熔化的材料就越多,所以熔深是由脈沖能量而不 是平均功率來決定的。脈沖激光器的峰值功率將克服鋁,銅及其他類似合金的反射和散熱等不利因素。脈沖激光器焊接深度能 達(dá)到3mm。鐵合金與高鎳合金焊接時(shí)的峰值功率需要達(dá)到1KW,鋁合金峰值功率需要大約3KW,銅合金需要5KW。可以分段調(diào)整脈 沖的形狀使焊接質(zhì)量最優(yōu)化,并實(shí)現(xiàn)不相近的金屬之間的焊接。JK激光器擁有最新的脈沖整形技術(shù)。通過在整個(gè)脈沖范圍內(nèi)調(diào) 整峰值功率來控制冷卻速率,減少裂縫,消除氣孔,改善焊接外觀。

      連續(xù)激光器與超級(jí)模式連續(xù)激光器用于快速,低熱能輸入,縫焊和拼焊的情況。這些激光器能進(jìn)行連續(xù)的或高速模式及超 級(jí)模式的激光輸出,為高速焊接和深度焊接提供連續(xù)的熔池。真正的脈沖激光器每次脈沖都形成新的熔池并覆蓋前次脈沖高達(dá) 90%,而連續(xù)激光器輸入很低的熱能就可以焊接了。

      然而,連續(xù)或超級(jí)模式的連續(xù)激光器必須用較高的平均功率來進(jìn)行更深的熔透焊接。為了提高焊接深度,激光器要加大平 均功率或者降低焊接速度。這些激光器能進(jìn)行熱傳導(dǎo)模式,熔透模式,甚至是近似電子束焊接的小孔模式焊接??梢詫?duì)激光束 進(jìn)行不同的調(diào)整,如定點(diǎn)模式,縫焊模式以功率爬升模式。而許多模式都包含在受到專利保護(hù)的超級(jí)模式中。采用超級(jí)模式能 將鐵合金焊接深度或速度提高40%,鋁合金的焊接能力提高600%。

      超級(jí)模式可實(shí)現(xiàn)正弦波形和方波輸出,激光的峰值功率達(dá)到平均功率的2倍,而平均功率與連續(xù)輸出時(shí)相同。比如,平均 功率1KW的激光器能產(chǎn)生100-1000Hz范圍內(nèi)的波形輸出,峰值功率達(dá)到2KW,而平均功率仍然為1KW。焊接區(qū)產(chǎn)生的煙塵及微粒 子會(huì)使激光束發(fā)生散射,大約有40%的激光能量會(huì)在焦點(diǎn)處損失。煙塵集中到能反射激光束的程度需要一些時(shí)間。當(dāng)激光能量 減少時(shí),煙塵會(huì)迅速消散。超級(jí)模式就是利用了這一點(diǎn),在煙塵達(dá)到一定濃度之前迅速輸入能量,然后等煙塵降到反射濃度閾 值之下后開始輸出下一個(gè)高峰值功率。不同的合金有不同的超級(jí)調(diào)整頻率。在焊接中使用超級(jí)調(diào)整也能減少孔隙及發(fā)熱量。在 鐵合金中,這些超級(jí)模式的連續(xù)激光器能在平均功率500W的情況下達(dá)到1.5mm的熔深,在1KW情況下達(dá)到3.5mm的熔深,而2KW情 況下熔深可達(dá)到8mm。

     這兩種激光通常都采用束傳輸,簡(jiǎn)化了焊接系統(tǒng)設(shè)計(jì),并使焊接過程更加一致可靠。光纖標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度為5-50m,末端有稱為 聚焦頭的標(biāo)準(zhǔn)聚焦裝置,聚焦頭將過來的激光束聚焦到工件上。這些聚焦頭可以是簡(jiǎn)單的直筒形狀元件,也有90度角的拐角形 狀。CCTV監(jiān)視系統(tǒng)是常用選項(xiàng),它可以透過激光棱鏡將照相機(jī)的焦點(diǎn)投射到工件表面,再加一個(gè)十字交叉線發(fā)生器,系統(tǒng)就具 備了簡(jiǎn)單的“對(duì)準(zhǔn)、加工”功能。其他的選項(xiàng)還包括多點(diǎn)棱鏡,環(huán)形焦點(diǎn),焊嘴,氣刀等。

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