激光焊接的基礎知識與技巧

發布日期: 2024-05-07

激光焊接是利用激光進行金屬加工的一種技術方法,廣泛應用于汽車、精密儀器、電器、航空航天、醫療等工業領域。本文我們將介紹激光焊接的基本知識,激光焊接應用廣泛,尤其是在金屬板材加工領域。

 

 

?什么是激光焊接?(特征)

首先,“激光”是一個組合詞,取英語中 “通過誘導釋放發射放大光線”這句話的首字母組成。

首先,“激光”是一個組合詞,取英語中 “通過誘導釋放發射放大光線”這句話的首字母組成。

剛開始思考其含義時,可能會感覺有些復雜,但關鍵要理解它是一種 “人造光”就可以了。與我們日常所見的陽光和燈光等普通光相比,作為人造光的激光具有“波長”、“相位”、“方向”恒定不變的特點。通過調整和利用這三個被稱為“相干性”的要素,激光可以用于各種加工工藝。激光焊接是一種將激光束(人造光)聚焦到物體上,使金屬局部熔化?凝固,從而將金屬連接在一起的加工方法。激光焊接在鈑金件加工領域的應用中,與傳統的電弧焊接方法相比,它有幾個優點,如能都更好地控制熱變形、更好地控制焊接條件、可見焊珠更少。

 

?激光焊接的原理

在激光焊接中,作為熱源的激光束由激光振蕩器產生,經放大后通過光纖傳輸,首先將光束送至工件附近。在這個階段需要的是激光加工頭。激光加工頭內置一個透鏡,用于將傳輸過來的激光束聚焦到適合加工的狀態。 通過透鏡聚焦光束,光能可以集中在一個很小的區域,從而獲得較高功率,甚至可以熔化金屬。為了防止熔融金屬氧化,焊接時一般會噴射氬氣和氮氣等保護氣體。

激光焊接原理

(激光焊接原理)
?激光焊接的類型

下面我們就來看看適用于鈑金件手工焊接的激光焊接類型。從1990年開始,日本最早開始普及使用YAG激光器的便攜式激光焊接機。從那時起,日本鈑金行業長期認為“激光焊接機=YAG激光器”,但自 2010 年代中期推出光纖激光焊接機以來,光纖激光器近年來已取代手持式激光焊接機成為主流。此外,還有利用碟片激光器的便攜焊接設備。
使用光纖激光焊接機的手焊作業
(使用光纖激光焊接機的手焊作業)

?YAG激光器焊接
YAG是一種名為釔鋁石榴石(Yttrium Aluminum Garnet)的晶體,YAG激光器通過向YAG晶體照射強光來產生激光。YAG激光波長為1064nm,容易被金屬吸收,只需少量能量就能熔化金屬,因此適用于激光焊接。另一方面,由于需要閃光燈產生激光束,且發熱量大,從振蕩器到焊炬都需要用冷卻器冷卻,用于冷卻的耗電量較大,與整體功率相比,可用于加工的能量較小,故而也存在焊不透的情況。另一個缺點是冷卻水和燈具等消耗品的維護成本較高。
?光纖激光器焊接
光纖激光器是利用光纖來放大和傳輸產生的勵起光,其波長為1070nm,容易被金屬吸收。在眾多激光器中,光纖激光器的能量密度特別高,其特點是光束易于聚焦,并對金屬能夠實現深熔。與 YAG 激光器相比,光纖激光器具有許多優點,如焊接深度更深、運行成本更低、幾乎不會發生調整和維護等工作及成本,近年來正在加速普及。盡管光纖激光器具有高輸出和高效率的特點,但由于在手工焊接金屬板材時過高的輸出可能會對操作者造成危險,因此一般商業化的光纖激光器輸出功率都限制在 1 kW 左右。 如果需要更高的輸出功率和焊接深度,則應考慮使用機械或機器人焊接。
?碟片激光器焊接
碟片激光器是用圓盤狀YAG晶體放大產生勵起光,然后通過光纖傳輸。由于德國通快公司成功實現了高功率化和穩定化,因此其作為工業用激光器得到了廣泛的普及,近年來,對其潛力進行了重新評估,并正在開發新的應用領域。日本還沒有可以用盤式激光器進行手工焊接的單體設備,但擁有快通公司激光切割機的用戶可選配割炬,用于手工焊接。

 

?激光焊接的利弊

與廣泛使用的TIG焊接相比,用于鈑金件加工的激光焊接具有以下特點。

激光焊接和TIG焊接截面畫像
(激光焊接和TIG焊接截面畫像)

優點
?薄板的熱變形少
TIG焊接的熔深較淺,熱影響層較寬,這就增加了熱量對金屬的影響,使產品產生明顯的熱變形。如何處理產生的熱變形在很大程度上是一個工藝問題,這也是TIG焊接最困難的部分。而激光焊接則是將激光束聚焦,將高能量集中在一個小焦點上熔化金屬,從而使焊縫寬度更窄,熱影響層更小,因此不易產生熱變形。而且在頻繁地反復進行激光開/關的“脈沖振蕩”中,每秒鐘會重復進行數次至數十次的熔融和凝固,由此也可以進一步抑制變形。
?確保足夠的焊接強度
有時有人會擔心激光焊接的焊縫較窄,強度不夠,但實際上由于熔深較深,因此與外觀比較而言,內部確保具有足夠的強度。通過激光焊接熔化?凝固后的合金部件很少斷裂,工業研究院進行的強度測試證實,激光焊接的強度高于TIG焊接。

光纖激光焊接深熔橫截面
(光纖激光焊接深熔橫截面(圖片來源:laserx株式會社)
?減少精整工時
激光焊接的熱量影響小,不易引起變形,從而大大減少了去除應變所需的工時。此外,由于激光焊接以母材焊接為基礎,可以省去打磨堆焊區域的工序。此外,如果加工條件恰當,幾乎不會出現焊縫燒傷,這意味著電拋光工序也可以省略。如果能夠減少一直以來難以應對的精整工時,就可以提高生產率并降低制造成本。
?易于控制和再現焊接條件
有些激光焊接機可以將焊接條件以數字化的形式記錄保存下來,便于以后調用,從而便于管理和復制焊接條件,這是其一大優勢。這種情況下只要熟練者以往設定過的條件,非熟練人員就可以非常容易地復制熟練人員的加工條件。如果能讓非熟練操作人員負責板材焊接,熟練者就能集中精力對應附加價值高的工作,從而有助于提高焊接工序整體的生產效率。

 

缺點
?間隙部無法焊接
激光焊接的缺點是無法在有間隙的情況下進行焊接,這是因為激光焊接過程的本質是將激光束的功率集中在一個非常小的焦點(φ0.1~φ0.6mm)上并熔化該范圍金屬。對于光斑直徑為φ 0.1 mm的機型,如果有0.1 毫米的間隙,就會導致無法焊接,出現脫焊的情況,因此需要通過提高折彎精度和調整夾具等措施來避免這個問題的發生。
?不擅長堆焊
激光焊接擅長母材焊接,而不擅長堆焊。這是因為焊條熔化時,激光的功率可能不足以實現焊條和母材的熔接,而且很難將焊接點/焊條/焦點都精確定位在同一條線上,這樣可能無法確保足夠的強度。如果圖紙上有堆焊的指示,我們則需要考慮是否真的應該采用激光焊接的方法;相反為了確保強度、美觀而希望使用激光焊接時,則不應該標注堆焊指示。
?需要安全措施
如果激光使用不當會導致嚴重事故,因此所有激光產品都必須遵守 JIS “激光產品安全標準 “中的安全標準。所有基于激光的手工焊接設備都被歸類為 “四級”,即最危險的設備,制造商已采取了各種安全措施。必須根據標準和說明書,正確設置激光管理區域,使用專用的激光焊接面罩/護目鏡,使用帶安全裝置的便攜焊炬,妥善管理設備的鑰匙等。

激光管理區示例
(激光管理區示例)

 

?激光焊接加工事例

下面讓我們來看看激光焊接的一些實際加工事例吧。(測試機型:便攜焊炬型光纖激光焊接機OPTICEL FH-450)
首先介紹一下厚度分別為0.5mm和1.0mm SUS304板材的對焊加工實例。激光焊接擅長薄板加工,可以實現低變形焊接。焊接后無需消除變形及去除燒結處理,即可實現漂亮的表面效果。
厚0.5mm(圖左面)和1.0 mm(圖右面)的SUS304板材對焊
(厚0.5mm(圖左面)和1.0 mm(圖右面)的SUS304板材對焊)
接下來,在厚度1.0 mm的SUS304板材上焊接管道??梢钥匆姾缚p在管道與板材的連接部,在不使用焊條的情況下將母材焊接在一起。為了便于觀察焊縫,我們將SUS板材傾斜拍攝,可以看到SUS板材幾乎沒有發生變形,焊接部位也沒有燒結的現象。
管道與SUS304板材焊接
(管道與SUS304板材焊接)
最后是厚度1.2mm SUS304板材的箱體焊接的樣品。工件通過夾具固定,用激光進行臨時連接后,進行焊接。完成的產品變形小,減少了精整工作時間。
SUS304 箱體焊接
(SUS304 箱體焊接)

?激光焊接的技巧

激光焊接是一種可以兼顧焊接強度和美觀性,可實現薄板的低變形焊接和焊接條件易于管理等諸多優點,但也存在間隙部無法焊接和不擅長堆焊等缺點。以下幾點可作為正確使用激光焊接的技巧。
?提高折彎工序的精度并正確的使用夾具,形成無間隙狀態后進行焊接
?如果熟練操作者已設定并記錄加工條件,非熟練人員就可以非常容易地復制加工
?如果圖紙是以TIG焊接等傳統工藝為前提設計出來的,僅將工藝改為激光焊接,則很難順利進行作業。建議根據具體情況判斷是否有必要進行設計變更。
?如果想最大限度地發揮激光焊接在強度、美觀性等方面的優勢,建議從設計階段就以激光焊接為前提進行設計。

?總結

激光焊接最大的優勢在于焊接薄板變形小。而且不熟練的人也能進行焊接作業,因此有可能極大地改善以往依靠工匠技能水平的焊接工藝。如果能正確了解其缺點并妥善處理,那么就只剩下優點了。請充分利用激光焊接的優勢吧。
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(樣品?圖片提供:laserx株式會社)「非焊接鈑金的接合方法」請參考此資料

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