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  • 1.雷射銲接是否需要填銲料?
    • 雷射銲接時不需要銲條及助銲劑,但是工件接頭的配合精度、夾治具精度及導光精度皆要求甚高。有一些業者宣稱其銲接設備可以使用送線添料做不規則圓弧銲接,甚少在工廠看到,因為此種設備很複雜,價格非常昂貴。
  • 2.雷射銲接有那些消耗品?
    • a. 電力消耗: CO2 雷射的電-光轉換效率約有10%,YAG 雷射的電-光轉換效率約有2 %。
    • b. 氣體消耗: 雷射氣體約為 10l~50l/hour,銲接保護氣體為 20l~50l/min。
    • c. 燈管消耗: YAG 雷射燈管壽命為 400~2000小時。
    • d.鏡片消耗: 共振腔、導光鏡、聚焦鏡、保護境等。
  • 3.雷射銲接設備的價格為何?
    • a. CO 2 雷射銲接機的最低銲接功率需求約為2000W,其主機價格約為NT$2,500.-/W,不含導光系統、冰水機、夾具、床台等周邊。
    • b. 脈衝式YAG雷射的最低銲接能量需求約為20J,依銲接速度的需求,其功率可自20W至500W不等,其主機價格約為NT$15,000.-~30,000.-/W,含導光光纖系統,不含冰水機、夾具、床台等周邊。
  • 4.雷射銲接後表面品質如何?  
    • 即使是雷射銲接其變形量還是會有的,只是因為其入熱量少其變形量就會少。使用鑰匙孔銲接方式可以得到較深的銲道,但是其表面較為粗糙。若使用熱傳導銲接方式則可以得到平滑的表面,但是銲接深度不超過 1 mm。

  • 5.為何雷射銲接後會有氣爆孔?
    • 銲銲件表面有氧化(生鏽)、油污、油漆、粉塵等汙染物時,這些汙染物非常容易蒸發而造成汽爆,而留下空孔在銲道裏面。
  • 6.為何雷射銲接後銲道表面凸起?
    • 一般的金屬材料皆有殘留應力,雷射光被吸收後只熔化非常局部的小區域,熔池直徑小於2 mm,此時熔池周圍的應力會將熔漿擠出高於表面之上。或者銲接工件受到夾具緊壓而將熔漿擠出高於表面之上。
  • 7.異質材料是否可使用雷射銲接?
    • 異質材料的可銲性必須由金屬的相圖來判定,雷射對此是有些許的幫助。
  • 8.雷射銲接後為何會產生裂痕?
    • 雷射銲接裂縫形成原因有下列因素
    • (a)材質不適於銲接,如鋁合金6061、不鏽鋼303 (含大量的磷及硫)或是高碳鋼。
    • (b)銲接接頭設計不佳,須考慮工件形狀體積、熱傳導率等因素。
    • (c)雷射光銲接點位置。若以銲接過程來區分時,可分為冷裂縫及熱裂縫。冷裂縫 (cold cracking) 是在銲接降溫冷卻後,經過一段時間才產生的裂縫,又稱為延遲裂縫 (delay cracking)。它通常是由氫氣造成的,形成在銲道上及熱影響區,裂紋會穿過晶格。
    •  形成原因有
    •  a.銲接殘留應力
    • b. 麻田散鐵組織的形成
    •  c. 氫脆作用。熱裂縫 (hot cracking) 是在銲接進行中產生的裂縫,當銲道母材受熱融化而膨脹,雷射光離開銲道熔池的時候,其熔池溫度由汽化點(約2000℃)瞬間(0.001秒)降至100℃附近(母材的熱傳導作用)。此時母材即產生急速的收縮,若是母材的延展量不足以抵住收縮量時,銲道即會被撕裂。裂紋也是形成在銲道上及熱影響區,會沿著晶格邊界龜裂,晶格沒有被撕裂。
    • 形成原因有
    • a.銲接殘留應力 b.銲接入熱量過高 c.夾具挾持力太大 d.含磷、硫、硼及矽的偏析物過高 e.晶介面的雜質濃度過高 f.母材的延展性太低。
  • 9.銅、鋁是否可以使用雷射銲接?
    • 可以銲接。因為銅鋁對雷射光的反射率很高,在符合雷射銲接的接頭設計條件之下,純銅跟純鋁是有可銲性,但是其銲接深度並不好。若不是純銅及純鋁而是採用銅合金及鋁合金的話,其銲接的變異性更大,更難預測銲接結果,必須以銲接實驗的結果做為依據。使用固態雷射(如YAG、光纖或半導體等雷射),其波長約1000nm,反射率相對於CO2雷射就小了許多。母材溫度直接影響了反射率。
  • 10.雷射銲接時的材料飛濺是如何發生?
    • 其形成原因如同銲接氣爆孔。請參考問題 5的答案。
  • 11.如何減少銲接時的飛濺?
    • (a)銲件表面在組裝前即必須絕對的清潔乾淨,任何油漬皆不可殘留在銲道表面上。
    • (b)銲件表面不能有油漆或毛屑。
    • (c)合金銲件表面不能有陽極處理。
    • (d)銲件表面不能有銹蝕。
    • (e)銲件接頭間隙不得太大。
    • (f)在鏡頭上加風刀保護。
    • (g)功率可能太大。
    • (h)母材表面鍍上低熔點金屬,如鍍鋅鋼板。
  • 12.如何找到正確的焦距?
    • 每次更換過新的聚焦鏡或使用銅膏擦拭過銅鏡後,皆必須重新確定焦距。因為新的聚焦鏡可能有 5%的焦距誤差,銅膏對銅鏡有化學拋光作用,因此銅膏擦拭過銅鏡後其焦距會有少許的變化,通常會變得更短。此外,使用不潔的鏡片(受到濺渣沾附) 須注意銲接時因熱鏡效應(鏡片受熱澎漲變形)焦距會隨著時間而變短,此時解決的方法1) 更換新聚焦鏡 2) 沿著銲接路徑改變焦點位置,離起始點愈遠焦點愈往下調整。尋找焦點方法可如圖所示。
    • ((a) 準備一片長250mm、寬50mm、厚5mm的鐵板。
    • (b)將鐵板斜靠成約30度的斜面
    • (c)以聚焦鏡標示的焦距值調整機台Z軸,將指標紅光移至鐵板中央。
    • (d)固定Z軸,移動X軸至鐵板長邊的邊緣。
    • (e)使用適當的雷射功率,射出雷射光由鐵板的一端燒銲至另一端。
    • (f)燒銲過程會上看到鐵板上的變化,由沒有亮光而逐漸有泛黃的亮光,此時的雷射功率密度大於10-6W/cm2,即可更進而產生泛藍的白熾光(電漿),此時即焦點位置,泛藍的白熾光會持續一段距離又逐漸泛黃而消失。白熾光非常刺眼,必須載上墨鏡保護眼睛來觀察。
    • (g)從鐵板觀察銲道形狀,找出銲道最細或產生白熾光的部分所對應於X軸的位置,即可得到焦距的位置。必須注意的是功率密度若是太大,在焦距景深範圍內皆會形成鑰匙孔,銲道反而會變寬。
    • (h)以所對應的焦距及足夠的功率密度再重銲一片躺平的鐵板,觀察銲接時是否產生白熾光,產生白熾光那表示焦距是正確的。
  • 13.雷射光的溫度是多少度?
    • 雷射光是沒有溫度的,但是它有能量。材料吸收能量後轉化成溫度而逐漸升高,因此雷射銲接時的溫度是依照金屬蒸氣化以後,在鑰匙孔的蒸氣區內的溫度而定。
  • 14.銲接接頭的縫隙最大容許量是多少?
    • 板厚大於 1 mm 以上時,其最大間隙量為 0.1 mm。
  • 15.何種雷射可以使用光纖 ?
    • 高功率工業雷射只有YAG雷射能使用光纖,或雷射波長屬於近紅外線的波長。因為目前的工藝技術尚無法製造出可以傳導10.6 微米波長的光纖。
  • 16.雷射銲接時是否一定需要用到鑰匙孔的功率密度來銲接?
    • 雷射光束是一種單色(monochromatic)、平行性良好且同相位(coherent)的電磁輻射。這三種特性使得雷射光可以聚集成非常小的雷射光斑(0.1mm ~ 1.0mm),這麼小的光斑可以得到很高的雷射功率密度(大於107 Watts/cm2 )。當入射雷射光的功率密度大於106 Watts/cm2時,金屬銲接的銲道會產生鑰匙孔(keyhole)而得到很深的銲接深度。鑰匙孔產生是由於雷射能量被金屬吸收後不僅將金屬熔化並且將金屬汽化,金屬蒸汽能將雷射光完全吸收而沒有反射(因為溫度很高),強大的蒸汽壓力將金屬熔漿的表面張力破壞並深入而形成鑰匙孔,因此更能熔入金屬內部而增加銲接深度。若是入射的雷射功率密度不足以形成鑰匙孔,金屬工件則僅能作熱傳導的銲接,銲接深度大約只能達到表面1 mm。其實這也是一般傳統銲接工具的銲接深度之所以不能深入的原因。當鑰匙孔形成時,鑰匙孔內部充滿了蒸氣,熔融的金屬液體環繞在鑰匙孔週圍上下對流。鑰匙孔隨著雷射光在工件上前進,同時熔池內的金屬熔漿馬上填補入已經離開雷射光的鑰匙孔內,熔池在缺乏雷射光照射之下,以大於2000/℃秒的降溫速度隨即凝固。由於熔池內的金屬液體相互對流,這兩股旋流互相影響,極可能在銲道內產生氣孔的缺陷。鑰匙孔內汽化的蒸汽會完全地吸收雷射光,其高溫與遮蔽氣体作用並在銲道之上方形成電漿,此電漿會吸收雷射光而降低了銲接的效能,此種電漿所產生的波長顏色大多為橘紅色(會因材料不同而有不一樣的顏色)。金屬蒸汽游離後所產生的顏色大多為白光偏點藍色,並且帶有大量紫外線。
      雷射熱傳導銲接是將聚焦點往工件表面提高約3~10 mm,或以光學鏡頭放大光斑後,以低功率密度執行銲接,此種銲道的深度約不超過1 mm,但是其表面卻是相對地光滑。
  • 17.雷射光是否有輻射線? 對人體有那些傷害?
    • Nd:YAG雷射波長為1.06微米(m),屬於非可見光的近紅外線光譜,比紅光波長稍長一點點(0.7m),它可透射過玻璃或透明物質,一般的近視眼鏡對它沒有保護作用,必須使用能反射或吸收雷射光的特殊鏡片。CO2雷射波長為10.6微米,屬於紅外線光譜,也是看不見的光,它對玻璃或壓克力透明塑膠是透不過去的,反而是幾乎百分之一百的吸收。金屬對10.6m的光波反射比1.06m強,在常溫下對各種金屬的反射率都是大於90%,但是當材料吸收雷射光而升高溫度時,反射率則逐漸下降,鑰匙孔產生時就像黑體一樣,光線就完全被吸收了。請了解人體本身就會發出約10 ~15微米的紅外線,所以可見光雷射及紅外線雷射除了其強光對人眼有傷害之外,其波長對人體是無害的。這兩種雷射光的輻射線並非X射線(10-3 ~ -4μm)或是核能(10-7 ~ -9μm)發出的輻射線。
  • 18.雷射銲接是否可以使用填料?
    • 雷雷射銲接為了減少銲道的汽孔,都會要求接頭間隙小於0.1 mm。但是有些工件很難達到這種要求,甚至大於要求規格甚多,因此才會考慮使用填料銲接。填料可用線材或粉末,線材由於機械送料結構而大都被限制於直線銲接。送粉填料必須配備一套與光路同軸的送粉噴嘴,才可以作曲線的塡料銲接。雷射塡料銲接在工業界並不常見。但是常見於汽車業。
  • 19.雷射銲接與傳統銲接有何不同?
    • 雷雷射銲接的優點
    • (a) 銲道的一致性及重複性良好
    • 由於雷射光都是經由電腦或CNC控制,銲接條件設定完成後,銲道的品質將非常一致。不像手工的銲接,人為的變數太多而影響銲接的品質。
    • (b) 熱影響區很小
    • 因為雷射光輸入銲道的熱量非常小,熱影響區一般是小於0.5mm以下。
    • (c) 銲件變形量非常小
    • 因為很小的輸入熱量僅在銲道範圍之內,所以變形量很小。造成變形的原因除了輸入熱量之外,尚有材質應力、結構形狀等等因素。請注意變形量非常小並不意味完全沒有變形。
    • (d) 可銲接某些異質材料
    • 並非各種的異質材料皆可銲接,事先仍需檢查金相圖及銲後銲接強度的檢驗。例如銅/不鏽鋼、鋁/不鏽鋼等,雖然銲接是可行但是抗拉強度則有待驗證。
    • (e) 很窄的銲道寬度及良好的銲接外觀並有很高的銲道深寬比(5以上)。
    • (f) 非接觸性銲接,工件與聚焦頭間隔一段距離,所以夾治具容易安排。
    • (g) 高抗拉強度銲接(可以增強工件剛性且減少體積)。
    • (h) 相較於其他銲接工具,雷射非常容易整合成自動化的精密銲接設備(因 為沒有磨耗的工具並且為非接觸性)。
    • (i) 可以在大氣中銲接,不需使用電子束銲接所必須的真空室,因此不受銲接工件大小及形狀的限制。
    • (j) 能夠彈性地整合導光系統。
    • (k) 銲接時不需要銲條及助銲劑。
    • (l) 銲接速度較快。
    • (m) 可以銲接其他工具銲不到的位置。
    • (n) 可免除銲接後處理。
    • (o) 非常適合大量生產。
    • 下列是一些需要注意的缺點
    • (a) 可硬化的材料會產生既脆且硬的介金屬銲道,如高碳鋼。
    • (b) 低汽化點的合金元素如黃銅,會產生氣孔及銲道凹陷。
    • (c) 工件接頭的配合精度、夾治具精度及導光精度皆要求甚高。
    • (d) 設備投資成本相較於傳統設備高很多。
    • (e) 不適合人工直接操作,因為使用紅外線雷射是非可具光,在看不見的情 況下有很高的危險性。
    • (f) 少量多樣銲接生產的成本甚高。
    • (g) 雷射光反射率因不同的材料及表面狀態而改變,反射率越高則銲接深度越淺。例如銅、鋁等。
  • 20.雷電子束銲接與雷射銲接有何不同?
    • 電子束銲接時,工件必須在真空腔內才能操作。因此每次送料進入真空腔後,需要經過抽真空並且達到某種真空程度後,才能開始銲接。其最大的缺點是操作耗時,其次是真空保養不容易及設備昂貴。它的銲接品質及深度皆較雷射為佳,目前大部分皆用於航空器材的銲接。雷射銲接的操作可以直接在大氣中銲接,因此操作的空間及時間較之電子束銲接皆有很大的改善。其銲接深度視雷射功率而定,6000W 雷射約可以得到6mm 的銲接深度。
  • 21.什麼是雷射清潔:
    • 使用雷射照射將材料表面的污染物或金屬氧化物(如碳、鋁氧極處理、油垢、鐵鏽或橡膠)去除的方法。
  • 22.雷射清潔如何運作:
    • 雖然有許多不同型態的雷射,其輸出功率、脈衝參數和波長有顯著不同,但是當雷射用於清潔時, 工作模式則都是一樣的。 雷射清潔過程是將雷射脈衝直接打在材料表面,雷射脈衝將該層污染物爆破飛裂。 污染物大多被氣化,只留下很少的廢料殘渣。 留下來的任何廢渣都是粉塵顆粒,粉塵可用很簡單的真空集塵方式去除。 經由不同的雷射輸出能量,幾乎可以去除材料表面上的任何附著物包括有機或無機材料。 藉由控制能量大小,可以去除各種表面污染物(例如有機物,金屬氧化物或陶瓷)而不會損壞下面的母材。
  • 23.雷射清潔是否會傷害材料表面?
    • 雷射清潔是一種非接觸式和非腐蝕性的工藝, 雷射光束不會在母材上留下化學,機械痕跡或熱應力。 這意味著您可以安全地使用雷射脈衝轟擊母材的表層, 而不會傷及材料內外層。此外,特別是光纖雷射,特別為用戶提供了多樣的控制功能,可使得清潔深度非常準確。 這對於只想要去除非常薄的表層有顯著效果,例如去除油漆面漆而不是下面的底漆。
  • 24.什麼場合會用到雷射清潔?
    • 使用雷射照射將材料表面的污染物或金屬氧化物(如碳、鋁氧極處理、油垢、鐵鏽或橡膠)去除的方法。
  • 25.什麼樣的工業需要用到雷射清潔?
    • 使用雷射照射將材料表面的污染物或金屬氧化物(如碳、鋁氧極處理、油垢、鐵鏽或橡膠)去除的方法。
  • 26.雷射清潔與其他雷射應用有何相似之處?
    • 許多雷射工藝在性質上是相似的,雷射清潔與雷射燒蝕,雷射雕刻和雷射打標有關。例如,可以使用同一個光纖雷射來清潔材料表面,然後將其標示批號或商標。
  • 27.使用雷射清潔有什麼好處?
    • (a)沒有母材磨損的問題。
    • (b)清潔過程所產生的少量廢物對使用者無害或危險, 這是一個極其環保的清潔處理。
    • (c)它可以成為一個具有高度自動化的製程, 減少了用戶允諾的操作時間,並允許在危險或有害環境中完成操作。
    • (d)多變化的控制,使其能夠精確的清潔細小材料。

 
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