雷射焊機

雷射焊機針對模具和金屬工件的磨損、劃傷、針孔、裂紋、缺損變形、硬度降低、砂眼等缺陷進行沉積、封孔、補平等修復功能。修復後基體不變形、不退火、不咬邊和沒殘餘應力，不改變其金屬組織狀態，修復精度高，塗層厚度從幾微米到幾毫米，只需打磨拋光。大功率氬氣保護，可長時間工作。雷射束能量可調，移動速度可調，可以多種焊接加工。雷射焊接自動化程度高，可以用計算機進行控制，焊接速度快，功效高，可方便的進行任何複雜形狀的焊接。

基本介紹

• 中文名：雷射焊機
• 外文名：無
• 針對：模具和金屬工件的磨損
• 特點：基體不變形、不退火、不咬邊

機械簡介

雷射焊機也稱為雷射焊接機，是利用雷射束作為熱源的一種熱加工工藝，它與電子束等離子束和一般機械加工相比較，具有許多優點。雷射束的雷射焦點光斑小，功率密度高，能焊接一些高熔點、高強度的合金材料。雷射焊接是無接觸加工，沒有工具損耗和工具調換等問題。

雷射焊機焊接熱影響區小，材料變形小，無需後續工序處理。雷射可通過玻璃焊接處於真空容器內的工件及處於複雜結構內部位置的工件。雷射束易於導向、聚焦，實現各方向變換。雷射焊接與電子束加工相比較，不需要嚴格的真空設備系統，操作方便。雷射焊接生產效率高，加工質量穩定可靠，經濟效益和社會效益好。

雷射焊機用來封焊感測器金屬外殼是一種最先進的加工工藝方法，主要基於雷射焊接有以下特點高的深寬比。焊縫深而窄，焊縫光亮美觀。最小熱輸入。由於功率密度高，熔化過程極快，輸入工件熱量很低，焊接速度快，熱變形小，熱影響區小。高緻密性。焊縫生成過程中，熔池不斷攪拌，氣體易出，導致生成無氣孔熔透焊縫。焊後高的冷卻速度又易使焊縫組織微細化，焊縫強度、韌性和綜合性能高。強固焊縫。高溫熱源和對非金屬組份的充分吸收產生純化作用，降低了雜質含量，改變夾雜尺寸和其在熔池中的分布，焊接過程中無需電極或填充焊絲，熔化區受污染小，使焊縫強度、韌性至少相當於甚至超過母體金屬。

精確控制。因為聚焦光斑很小，焊縫可以高精度定位，光束容易傳輸與控制，不需要經常更換焊炬、噴咀，顯著減少停機輔助時間，生產效率高，光無慣性，還可以在高速下急停和重新啟始。用自控光束移動技術則可焊複雜構件。非接觸、大氣環境焊接過程。因為能量來自雷射，工件無物理接觸，因此沒有力施加於工件。另磁和空氣對雷射都無影響。由於平均熱輸入低，加工精度高，可減少再加工費用，另外，雷射焊接運轉費用較低，從而可降低工件成本。容易實現自動化，對光束強度與精細定位能進行有效控制。

主要優點是

1．速度快、深度大、變形小。

2．能在室溫或特殊條件下進行焊接，焊接設備裝置簡單。例如，雷射通過電磁場，光束不會偏移；雷射在真空、空氣及某種氣體環境中均能施焊，並能通過玻璃或對光束透明的材料進行焊接。

3．可焊接難熔材料如鈦、石英等，並能對異性材料施焊，效果良好。

4．雷射聚焦後，功率密度高，在高功率器件焊接時，深寬比可達5：1，最高可達10：1。

5．可進行微型焊接。雷射束經聚焦後可獲得很小的光斑，且能精確定位，可套用於大批量自動化生產的微、小型工件的組焊中。

6．可焊接難以接近的部位，施行非接觸遠距離焊接，具有很大的靈活性。尤其是近幾年來，在YAG雷射加工技術中採用了光纖傳輸技術，使雷射焊接技術獲得了更為廣泛的推廣和套用。

7．雷射束易實現光束按時間與空間分光，能進行多光束同時加工及多工位加工，為更精密的焊接提供了條件

機械種類

泵浦固體雷射焊機

半導體雷射(LD)浦固體雷射焊機設備，其開發研究在世界上很活躍。在日本作為“光子工程”國家項目已研究開發出10 kw小型(Rod型和Slab型)設備。在美國，作為“精密雷射加工”國家項目。研究開發出了3 kW LD泵浦Slab型固體雷射設備可獲得20-30 mm的大熔深焊縫。由於焊縫寬度極小，可使雷射束作橫向運動擴大了熔化寬度。現在德國開發的LD泵浦薄圓盤固體雷射最受注目它具有體積小、質量好、效率高和可大功率化等特點Hass公司已開發出LD泵浦4 kW的圓盤雷射設備並將開發10 kW級的設備。

封閉式雷射焊機

半導體雷射焊機設備

許多公司正在研製大功率的半導體，現已出現2~6 kW級的商用小型設備。由於體積小、質量輕，半導體雷射器可直接搭載於機器人上進行焊接等加工，另外也可用光纖傳輸半導體雷射進行焊接。儘管半導體雷射器效率高、波長短但由於存在雷射發散角度大、工作距離(焦深)短這一缺點僅用於雷射釺焊及塑膠等的焊接。

雷射遠程焊機設備

由於高光束質量的雷射器相繼問世如板條CO2雷射器、光纖雷射器和盤式YAG雷射器(Disc Laser)使得雷射遠程焊接或稱雷射掃描焊接(Laser Scanning Welding)成為可能並極大地提高了汽車車身件雷射焊接速度。已有固定龍門式加工機+CO2雷射器、機器人+光纖雷射器或盤式YAG雷射器等汽車車身件製造用雷射遠程焊接設備。

機械原理

雷射焊機的冷水機的原理在雷射（鐳射）系統中的雷射發生源、光束控制器和電控櫃都可能需要額外冷卻。對凍水溫度要求通常在15-22℃之間，對凍水精度要求通常為±1K 或±2K。部分設備可能要求±0.5K， 另外部分設備對凍水電導率，耐腐蝕等有一定的要求。雷射系統中通常在啟動時對水溫有一定要求，這樣就需要在水迴路中增加電加熱。在部分系統中的光束控制器會要求獨立冷卻迴路。對於雷射系統中的特殊套用，都能專門設計工業冷水機以滿足不同的要求。

振鏡掃描雷射焊接機

深熔焊過程產生的金屬蒸氣和保護氣體，在雷射作用下發生電離，從而在小孔內部和上方形成電漿。電漿對雷射有吸收、折射和散射作用，因此一般來說熔池上方的電漿會削弱到達工件的雷射能量。並影響光束的聚焦效果、對焊接不利。通常可輔加側吹氣驅除或削弱電漿。小孔的形成和電漿效應，使焊接過程中伴隨著具有特徵的聲、光和電荷產生，研究它們與焊接規範及焊縫質量之間的關係，和利用這些特徵信號對雷射焊接過程及質量進行監控，具有十分重要的理論意義和實用價值。

由於經聚焦後的雷射束光斑小（0.1～0.3mm），功率密度高，比電弧焊（5×102～104W/cm2）高几個數量級，因而雷射焊接具有傳統焊接方法無法比擬的顯著優點：加熱範圍小，焊縫和熱影響區窄，接頭性能優良；殘餘應力和焊接變形小，可以實現高精度焊接；可對高熔點、高熱導率，熱敏感材料及非金屬進行焊接；焊接速度快，生產率高；具有高度柔性，易於實現自動化。

雷射焊機焊接技術是一種高新技術，由於其獨有的特點，特別適合在感測器密封焊中使用，國外許多生產感測器的廠家均利用雷射焊接工藝生產感測器，而國內採用此工藝的廠家不多，主要是一些生產軍用感測器產品的廠家和部分科研機構在採用此種工藝，且採用國外雷射焊接機的較多。國內雷射焊接機在性能上已和國外產品相差不遠，完全可以勝任國內生產感測器的工藝要求，但價格是國外同類產品的1/3-1/5。

機械使用

雷射焊機焊接有兩種基本模式：熱導焊和深熔焊，前者所用雷射功率密度較低（105～106W/cm2），工件吸收雷射後，僅達到表面熔化，然後依靠熱傳導向工件內部傳遞熱量形成熔池。這種焊接模式熔深淺，深寬比較小。後者雷射動車密度高（106～107W/cm2），工件吸收雷射後迅速熔化乃至氣化，熔化的金屬在蒸汽壓力作用下形成小孔雷射束可直照孔底，使小孔不斷延伸，直至小孔內的蒸氣壓力與液體金屬的表面張力和重力平衡為止。小孔隨著雷射束沿焊接方向移動時，小孔前方熔化的金屬繞過小孔流向後方，凝固後形成焊縫。這種焊接模式熔深大，深寬比也大。在機械製造領域，除了那些微薄零件之外，一般應選用深館焊。

雷射焊機的結構模式一般分為封閉式和開放式，這兩種結構各有優缺點。封閉式是設計成一個可開合的封閉箱的結構，雷射工作的時候都必須在箱中進行，封閉式的焊機設有焊煙吸附過濾系統，因此，在焊接過程中的剩餘輻射能量和金屬焊煙都能禁止掉，最大限度地保護操作者的健康；但由於封閉式的焊機的所有操作都必須在一個封閉工作箱中進行，而且結構固定，這樣就限制了工件的大小，因此，這種焊機不適合進行大型模具的修復焊接。

考慮到焊接時剩餘的輻射雷射能量小，焊煙在通風效果好的地方對人傷害較少，因此也出現開放式的雷射焊機。但開放式的機構也存在很多的結構方式，而且其實用性也差別較大。按照同普的多年經驗，模具修補用的焊機都要求必須體積輕巧多變，能輕易地移動，適合不同模具修補的需要。國內一般的雷射焊接機器體積龐大笨重，雷射總成一般做成固定式，難以移動，不適合對大型的難以移動的模具進行修補工作。

雷射焊點表面存在金屬堆積，焊點中心則呈現不同程度的下塌，這主要是由於金屬來不及回填產生的。當雷射功率達到一定值時，熔池中的液態金屬急劇蒸發形成匙孔，並產生一個反衝力，把液態金屬推向熔池的邊緣，堆積在焊點周圍。當雷射停止作用時，金屬不再蒸發，反衝力消失，堆積的金屬在重力的作用下重填匙孔，同時液態金屬冷卻凝固。如果金屬在沒有完全回填匙孔的情況下凝固，就會在焊點表面形成下塌。

套用

雷射焊接在工業中的套用

（1）雷射焊接在國外汽車工業中的套用
1） 白車身雷射焊接
汽車工業中的線上雷射焊接大量用在白車身衝壓零件的裝配和連線上。主要套用包括車頂蓋雷射焊、行李箱蓋雷射釺焊及車架雷射焊接。
另一項比較重要的車身雷射焊接套用,是車身結構件（包括車門、車身側圍框架及立柱等）的雷射焊接。採用雷射焊的原因是可提高車身強度,並可解決一些部位難以實施常規電阻點焊的難題。
2） 不等厚雷射拼焊板
車身製造採用不等厚雷射拼焊板可減輕車身重量、減少零件數量、提高安全可靠性及降低成本。
3） 齒輪及傳動部件焊接
20世紀80年代末,克萊斯勒公司的Kokomo分公司購進九台6kWCO2雷射器,用於齒輪雷射焊接,生產能力提高40%。90年代初,美國三大汽車公司投入40多台雷射器用於傳動部件焊接。賓士公司經研究利用雷射焊接代替電子束焊接,因為前者焊縫熱影響區小。美國福特汽車公司用4。7kWCO2雷射器焊接車輪鋼圈,鋼圈厚1mm,焊接速度為2。5m/min。該公司還採用帶有視覺系統的雷射焊接機,將六根軸與鍛壓出來的齒輪焊在一起,成為轎車自動變速器的齒輪架部件,生產率為200件/h。
（2） 光纖雷射焊在造船及海洋工程方面的套用
許多輪船都是先製造出許多獨立的局部組件結構單元,再在水中的船台上一個個進行組裝。採用雷射焊技術製造海洋建築物局部組件非常合適,因為它結合了焊接切割自動化技術與雷射技術。與弧焊方法相比,採用該技術可以大大提高生產率。
造船中,採用光纖雷射技術,可以無需進行焊接邊緣預處理和焊前或焊後熱處理就能將部件焊接在一起。與弧焊相比,雷射焊的焊接接頭窄,熱影響區小,而且沒有傳統弧焊方法中出現的由於弧吹或電極磨損引起的焊接缺陷。所以,接頭採用光纖雷射焊,可以實現新的焊接結構設計,這在以前是不可能實焊接接頭比弧焊焊接接頭更加經濟, 質量更好。
（3） 雷射焊在飛機製造中的套用
雷射束焊具有能量密度高,熱影響區小,空間位置轉換靈活,可在大氣環境下焊接,焊接變形極小等優點。它主要套用于飛機大蒙皮的拼接以及蒙皮與長桁的焊接,以保證氣動面的外形公差。另外在機身附屬檔案的裝配中也大量使用了雷射束焊接技術,如腹鰭和襟翼的翼盒,結構不再是套用內肋條骨架支撐結構和外加蒙皮完成,而是套用了先進的鈑金成形技術後,采閒雷射焊接技術在三維空間完成焊接拼合,不僅產品質量好,生產效率高,而且工藝再現性好,減重效果明顯。
雷射焊也多見於薄壁零件的製造中,如進氣道、波紋管、輸油管道、變截面導管和異型封閉件。這些零件的傳統焊接方法多採用微弧等離子弧焊,或者是小電流鎢極氬弧焊。隨著鈦合金材料的大量使用,即便採用了這些低線能量的焊接技術,仍然由於薄壁材料引起的焊接變形超出公差範圍和焊接缺陷的無法修復等原因,導致傳統焊接工藝面臨淘汰的命運。雷射束焊接配以局部保護措施,非常適合焊接薄壁鈦合金殼體零件。
（4）複合雷射焊的套用
複合雷射焊技術結合了雷射焊和傳統氣體保護焊（GMAW）兩者的優點,雷射焊能在較小的熱輸入量和小的焊接熱影響區（HAZ）情況下獲得較大的熔深；所附加的氣保焊（GMAW）可以大大擴展接頭根部間隙的大小,改善表面狀態和雜質的允許量；提高根部間隙填充和成形質量以及加強對焊接冶金的控制。
（5） 雷射焊在醫學上的套用
雷射焊是用雷射來加熱, 所以它可以穿透透明介質, 能夠焊到透明介質容器的裡邊去。這是其他焊接方法難以做到的。這種方法也被利用到醫學裡邊,比方講我們有些患者視網膜脫落,視網膜是在眼球的後面,視網膜脫落以後眼睛就會失明。利用雷射的辦法,透過眼球焊到眼球後面,把這個視網膜和眼球焊起來。這個已經是很成功的手術了；