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使用激光焊接的基礎知識和訣竅

發布日期: 2023-09-12

激光焊接是使用激光的金屬加工技術的一個領域,在汽車、精密設備、電器、航空航天、醫療等各種工業領域被廣泛使用。此次我將從眾多的激光焊接用途中,選擇尤其在鈑金加工領域使用的激光焊接,介紹其基本事項。

 

 

何謂激光焊接?(特征)

首先“激光”是取英文的“Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation(通過受激釋放輻射光擴大)”的含義的術語的開頭字母而得到的造詞。

從眾多的激光焊接用途中,選擇尤其在鈑金加工領域使用的激光焊接,介紹其基本事項

剛開始思考含義時,可能會感覺有些復雜,其實只要將其理解為“人造光”,就沒錯。與我們日常所見的太陽光、照明等普通光相比,作為人造光的激光具有“波長”、“相位”、“方向”恒定的特點。通過調整和使用被統稱“相干性”的這三大要素,能夠將激光用于各種加工。

激光焊接是將作為人造光的激光進行聚光并照射對象物、使金屬局部熔融和凝固來接合金屬的加工方法。在鈑金加工領域引入激光焊接的情況下,相比于以往加工方法的電弧焊,具有容易抑制熱變形、容易管理焊接條件、焊道不明顯等優點。

 

激光焊接的原理

激光焊接中,使用激光振蕩器產生成為熱源的激光,并將其擴大,使用光纖進行傳輸,首先將光輸送至工件附近。在該階段需要激光加工頭。激光加工頭的內部設置有透鏡,將傳輸來的激光聚光為適合加工的狀態。通過借助透鏡對光進行聚光,能夠使光能集中于較小的面積,從而能夠獲得熔化金屬的較高能量。為了防止熔融金屬的氧化,通常會一邊吹送氬氣、氮氣等保護氣體一邊焊接。

鈑金加工領域使用的激光焊接的原理

 

激光焊接的種類

下面讓我們看看適合鈑金加工的手焊的激光焊接的種類。從20世紀90年代起,在日本率先開始普及的是使用YAG激光器的便攜式激光焊接機。自此以來,日本的鈑金行業長期認為“激光焊接機=YAG激光器”,但在21世紀10年代中期光纖激光焊接機上市以后,近年來,光纖激光器成為便攜式激光焊接機的主流。此外還有利用盤式激光器制作的便攜焊接裝置。

鈑金加工領域使用的激光焊接,使用光纖激光焊接機的手焊

 

使用光纖激光焊接機的手焊

· YAG激光焊接

YAG是名為釔鋁柘榴石 (Yttrium Aluminum Garnet)的晶體,YAG激光器是向YAG晶體照射強光來產生激光。YAG激光具有金屬易于吸收的1064nm的波長,因此能以較少的能量熔融金屬,這一點適合激光焊接。另一方面,為了產生激光,需要使閃光燈閃爍,且因為發熱多而需要使用制冷器對振蕩器至焊炬進行冷卻,因此耗電量大,與所使用的電力相比,用于加工的能量較少,故而也存在焊不透的情況。冷卻水、燈等易耗品的維護成本負擔也較大,這也可以說是使用上的一大缺點。

· 光纖激光焊接

光纖激光是使用光纖對所生成的勵起光進行擴大和傳輸的激光,具有金屬易吸收的1070nm的波長。在眾多激光中,能量密度特別高,具有容易將光束聚集的特點,對金屬能夠實現深熔是其一大優點。與YAG激光相比,具有深熔、運行成本低、幾乎沒有調整和維護的麻煩和成本等諸多優點,近年來正在加速普及。雖然光纖激光具有高功率、高效率的特點,但在鈑金的手焊中,如果功率過高,會對作業者造成危險,因此制作產品時通常將功率限制在1kW左右。追求更高功率、更大焊透深度時,可以研究使用機械焊接、機器人焊接。

· 盤式激光焊接

盤式激光是使用圓盤狀的YAG晶體放大所生成的勵起光后使用光纖進行傳輸的激光。德國的快通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得到廣泛普及,近年來其可能性被重新審視,新用途的開發也在積極進行。日本沒有能夠使用盤式激光進行手焊的單體設備,但是擁有快通公司的激光切割機的用戶能可選地引進手焊用的焊炬。

 

激光焊接的優缺點

鈑金加工中使用的激光焊接與以往廣泛使用的TIG焊接相比,具有如下特點。

鈑金加工領域使用的激光焊接的優缺點

優點

· 即使為薄板,熱變形也較小

TIG焊接因為焊透較淺且熱影響層較大,因此對金屬的焊接線能量較多,產品會產生較大熱變形。對所產生的熱變形的處理很大程度上依賴于工匠的技術,這方面是TIG焊接最難的地方。另一方面,激光焊接中,是聚光激光,將較高的能量集中于較小的焦點來熔融金屬,因此焊透寬度較細,熱影響層也較小,故而不易產生熱變形。而且在頻繁地反復進行激光的ON/OFF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,因此更能抑制變形。

· 確保焊接部的足夠強度

激光焊接的焊道較細,有時會擔心強度不夠,但焊透較深,因此與外觀相比,內部具有足夠的強度。激光焊接中暫時熔融、凝固的合金部分較少,不會斷裂,在工業試驗場實施的強度試驗中,也確認起具有超過TIG焊接的強度。

鈑金加工領域使用的激光焊接優點之一確保焊接部的足夠強度

 

· 縮短加工工時

激光焊接的焊接線能量較小,不易產生變形,因此能夠大幅減少消除變形的工時。另外,激光焊接基本上都是母材焊接,因此還能省去研磨焊接突起部分的工序。而且只要加工條件具備,就幾乎不會產生焊縫燒傷,因此也有可能能夠減少電解研磨工序??s減了以往辛苦應對的加工工時,促使提高生產效率,降低制造成本。

· 焊接條件易管理易操作

激光焊接機還有將焊接條件作為方法登記后能夠調用的機型,可以說易管理和再現焊接條件是其一大優點。此種情況下只要由熟練者給出條件,由此非熟練者很容易再現熟練者的加工條件。由此如果非熟練者也能負責薄板焊接,熟練者就能集中于附加價值高的工作,有助于提高焊接工序整體的生產效率。

缺點

· 縫隙處理能力較差

激光焊接具有將激光能量聚集在φ0.1~φ0.6mm左右的極小的焦點來使金屬熔融的性質,出于這一性質,其具有如果有縫隙就無法焊接的弱點。在光斑直徑為φ0.1mm的機型的情況下,如果存在0.1mm的縫隙,則激光會從中間走過而無法焊接,因此需要采取提高折彎工序的精度、設置夾具等措施。

· 不擅長堆焊

激光焊接擅長母材焊接,不擅長堆焊。除了在使焊條熔融之處激光的能量有可能無法全部到達母材外,焊接點/焊條/焦點全部精準地會齊在同一線上也很難,有可能無法確保足夠的強度。當圖紙中指示堆焊時,需要研究是否應該采用激光焊接,相反為了確保強度、美觀而希望使用激光焊接時,最好不要寫入堆焊指示。

· 需要采取安全措施

激光如果使用方法錯誤,可能會導致重大事故,因此全部激光產品都在JIS規格“激光產品安全標準”中規定了安全相關規格。使用激光的手焊裝置全部劃歸危險度最高的“四級”,制造商也會采取各種安全措施。請注意按照規格和操作說明書采取正確的使用方法,例如設定激光管理區域、使用激光焊接專用的焊接面罩/護目鏡、使用附帶安全裝置的便攜焊炬、妥善管理設備的鑰匙等。

鈑金加工領域使用的激光焊接缺點之一需要采取安全措施

 

激光焊接的加工事例

下面讓我們看看激光焊接的實際加工事例。
(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SUS304的板厚0.5mm、板厚1.0mm的對接焊的加工事例。對于激光焊接擅長處理的薄板,能夠實現低變形焊接。在焊接后沒有去除變形和燒痕的狀態下,能夠實現漂亮的精加工。

 

鈑金加工領域使用的激光焊接的實際加工事例之一SUS304的板厚0.5mm、板厚1.0mm的對接焊

 

下面在SUS304 板厚1.0mm的板上焊接管。在管下面的里側能夠看到焊道,不使用焊條,進行了母材焊接。為了便于看清焊道,拍攝時傾斜了板材,但SUS板側幾乎沒有產生變形。里側也沒有焊接燒痕。

 

鈑金加工領域使用的激光焊接的實際加工事例之一在SUS304 板厚1.0mm的板上焊接管

 

最后是SUS304 板厚1.2mm的箱體焊接的樣本。使用夾具保持工件,使用激光定位焊接后,實施正式焊接。以較低的變形完成了產品,省去了精加工的麻煩。

鈑金加工領域使用的激光焊接的實際加工事例之一SUS304 板厚1.2mm的箱體焊接的樣本

 

激光焊接的訣竅

激光焊接能夠實現焊接強度和美觀的一舉兩得,是薄板的低變形焊接、條件管理容易等優點較多的接合方法,但另一方面也存在縫隙處理能力較差、不擅長堆焊等缺點。巧妙利用激光焊接的訣竅請注意以下幾點。

·? ? ?提高折彎工序的精度,設置夾具,在創建無縫狀態后進行焊接

·? ? ?如果事先問熟練者提供加工條件并登記方法,非熟練者也容易再現加工

·? ? ?如果保持以TIG焊接等以往加工方法為前提的圖紙不變,僅將加工方法變更為激光焊接,則很難順利完成加工。有時可以考慮研究變更設計。

·? ? ?如果希望最大限度的發揮強度、美觀等激光焊接的優點,建議從設計階段起以激光焊接為前提進行設計。

 

總結

激光焊接的最大優點在于能夠低變形地焊接薄板。而且非熟練者也能焊接,因此有可能極大地改良以往依靠工匠技藝的焊接工藝。只要能正確地了解其缺點并適當應對,剩下的就只有優點了。請最大限度地有效利用激光焊接的優點吧。

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