激光技术在焊接加工方面的应用与研究

激光技术在焊接加工方面的应用与研究
        一、激光加工技术概述
        自20世纪60年代以来激光加工的类型不断发展完善，现己形成激光加工的十几种自用工艺。由于激光加工技术与传统加工工艺相比有着许多无可比拟的优越性，所以敷光加工技术己得到了越来越广泛的应用。其独特的优点为：可局部加热，元件不易产生热损伤；非接触式加热；重复操作稳定性佳；加工灵活性好；易实现多工位装置自动化等。在微电子行业这一领域中己被成功应用。
        从20世纪60年代第一台激光器问世以来，激光加工的类型不断发展完善，现己形成激光打标、激光切割、激光焊接、激光打孔、激光表面热处理、激光熔覆、激光快速成型、激光强化、激光微制造等十几种应用工艺。激光加工从电子芯片到轿车、飞机和船舶的生产制造都是不可或缺的重要工具。它与传统的加工方法相比，是无接触、无作用力、热影响小、清洁和可进一些面内加工的一种加工方法。利用电脑编程与激光加工设备紧密结合，很容易实现数字化控制，当之无愧被誉为“万能的加工工具”。现在一般的激光加工都采用了多项先进技术，多功能集成度高、实用性强、自动化程度高、操作简单、结果直观。可用于各种零件的激光表面处理、各种材料的激光切割、激光焊接、多种字体的汉字及西文字符的刻、切。加工过程中可实现动态同步跟踪显示。具有程序错误自动诊断、限位保护等功能。
        激光加工是激光应用最有发展前途的领域，现在己开发出20多种激光加工技术。激光的空间控制性和时间控制性很好，对加工对象的材质、形状、尺寸和加工环境的自由度都很大，特别适用于自动化加工。激光加工系统与计算机数控技术相结合可构成高效自动化加工设备，己成为企业实行适时生产的关键技术，为优质、高效和低成本的加工生产开辟了广阔的前景。目前己成熟的激光加工技术包括：激光切割技术、激光焊接技术、激光打标技术、激光快速成形技术、激光打孔技术、激光去重平衡技术、激光蚀刻技术、激光微调技术、激光存储技术、激光划线技术、激光清洗技术、激光热处理和表面处理技术。
        二、激光加工技术在焊接领域的应用
        激光焊接是激光材料加工技术应用的重要方面之一。20世纪70年代主要用于焊接，材料和低速焊接，焊接过程属热传导型，即激光辐射加热工件表面，表面热量通过热传导向内部扩散，通过控制激光脉冲的宽度、能量、峰值功率和重复频率等参数，使工件熔化，形成特定的熔池。由于其独特的优点，己成功应用于微、小型零件的精密焊接中。高功率C02及高功率YAG激光器的出现以及光纤传输技术的完善，开辟了激光焊接的新领域。其在机械、汽车、钢铁、微电子行业等领域的应用越来越广与其它焊接技术相比，激光焊接的主要优点是：
        1、速度快、深度大、变形小。
        2、能在室温或特殊条件下进行焊接，焊接设备装置简单。例如，激光通过电磁场，光束不会偏移；激光在真空、空气及某种气体环境中均能施焊，并能通过玻璃或对光束透明的材料进行焊接。
        3、可焊接难熔材料如钦、石英等，并能对异性材料施焊，效果良好。
        4、激光聚焦后，功率密度高，在高功率器件焊接时，深宽比可达5： 1，最高可达10： 1。
        5、可进行微型焊接。激光束经聚焦后可获得很小的光斑，且能精确定位，可应用于大批量自动化生产的微、小型工件的组焊中。
        6、可焊接难以接近的部位，施行非接触远距离焊接，具有很大的灵活性。尤其是近几年来，在YAG激光加工技术中采用了光纤传输技术，使激光焊接技术获得了更为广泛的推广和应用。
        三、激光焊接技术的发展现状
        在国外，激光焊接的应用己极为普遍，几乎涉及到各个工业领域，仅以汽车工业为例，据国外专家预测，汽车零件中有50%以上可以用激光加工，除激光切割、打孔外，激光焊接占40%，80年代以来，国外激光焊接设备的年增长率为25%以上。
        目前国内激光焊接工艺，正从实验室逐步应用于工业生产，在“七五”期间，又完成了许多联齿轮激光焊接、热轧硅钢片焊接、双金属锯条焊接及电容壳体激光焊接等一批具有较高水平的激光焊接工艺研究课题，使我国激光焊接的应用向前迈进了重要的一步。
        四、激光技术的原理
        激光加工全称：受激辐射的光放大，自发辐射是在没有任何外界作用下，激发态原子自发地从高能级向低能级跃迁，同时辐射出一光子。能够实现粒子数反转的介质称为激活介质。要造成粒子数反转分布，首先要求介质有适当的能级结构，其次还要有必要的能量输入系统。供给低能态的原子以能量，促使它们跃迁到高能态去的过程称为抽运过程。在激光器中利用光学谐振腔来形成所要求的强辐射场，使辐射场能量密度远远大于热平衡时的数值，从而使受激辐射概率远远大于自发辐射概率。
        光学谐振腔的主要部分是两个互相平行的并与激活介质轴线垂直的反射镜，有一个是全反射镜，另一个是部分反射镜。在外界通过光、热、电、化学或核能等各种方式的激励下，谐振腔内的激活介质将会在两个能级之间实现粒子数反转。这时产生受激辐射，在产生的受激辐射光中，沿轴向传播的光在两个反射镜之间来回反射、往复通过己实现了粒子数反转的激活介质，不断引起新的受激辐射，使轴向行进的该频率的光得到放大，这个过程称为光振荡。这是一种雪崩式的放大过程，使谐振腔内沿轴向的光骤然增强，所以辐射场能量密度大大增强，受激辐射远远超过自发辐射.这种受激的辐射光从部分反射镜输出，它就是激光。
        五、激光器的种类与激光焊接工艺方法
        按照激光产生的原理不同，激光器分为以下几种：C02气体激光器、固体激光器、半导体激光器、光纤激光器。
        激光的焊接工艺有激光钎焊。激光钎焊是以激光作为加热源，辐射加热焊盘，通过焊料向基板传热，当温度达到钎焊温度时，焊料熔化，基板焊盘润湿，形成焊点。有些元件的连接不宜采用激光熔焊，但可利用激光作为热源，施行软钎焊与硬钎焊，同样具有激光熔焊的优点。采用钎焊的方式有多种，其中，激光软钎焊主要用于印刷电路板的焊接，尤其实用于片状元件组装技术。采用激光软钎焊与其它方式相比有以下优点：
        1、由于是局部加热，元件不易产生热损伤，热影响区小，因此可在热敏元件附近施行软钎焊。
        2、用非接触加热，熔化带宽，不需要任何辅助工具，可在双面印刷电路板上双面元件装备后加工。
        3、重复操作稳定性好。焊剂对焊接工具污染小，且激光照射时间和输出功率易于控制，激光钎焊成品率。
        4、激光束易于实现分光，可用半透镜、反射镜、棱镜、扫描镜等光学元件进行时间与空间分割，能实现多点同时对称焊。
        5、激光钎焊多用波长1.06um的激光作为热源，可用光纤传输，因此可在常规方式不易焊接的部位进行加工，灵活性好。
        6、聚焦性好，易于实现多工位装置的自动化。
        在国外，激光焊接的应用己极为普遍，几乎涉及到各个工业领域。在国内，激光悍接工艺正从实验室逐步应用于工业生产，并完成了许多具有较高水平的激光焊接工艺研究课题，使我国激光焊接的应用向前迈进了重要的一步。