激光焊接:高效精密焊接方法-中文百科频道

概述

激光焊接以可聚焦的激光束作为焊接能源，当高强度激光照射在被焊材料表面上时，部分光能将被材料吸收而转变成热能，使材料熔化，从而达到焊接的目的。

一般要根据被焊材料的光学性质（如反射和吸收）和热学性质（如熔点、热传导率、热扩散率、熔化潜热等）来决定所使用的激光的功率密度和脉宽等。对普通金属来说，光强吸收系数大约在105～109厘米-1数量级。如果激光的功率密度为105～109瓦/厘米2，则在金属表面的穿透深度为微米数量级。为避免焊接时产生金属飞溅或陷坑，要控制激光功率密度，使金属表面温度维持在沸点附近。对一般金属，激光功率密度常取105～106瓦/厘米2左右。

激光焊接是利用高能量密度的激光束作为热源高效精密的一种焊接方法。

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年代主要用于焊接薄壁材料和低速焊接，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。

技术特点

1、激光焊能量密度大，作用时间短，热影响区和变形小，可在大气中焊接，而不需气体保护或真空环境。

2、激光束可用反光镜改变方向，焊接过程中不用电极去接触焊件，因而可以焊接一般电焊工艺难以焊到的部位。

3、激光可对绝缘材料直接焊接，焊接异种金属材料比较容易，甚至能把金属与非金属焊在一起。

4、功率较小，焊接厚度受一定限制。

5、焊缝宽度小，表面质量高，焊缝强度大幅提高，热输入量少，工件变形小

6、激光焊接工艺焊接速度可达4m-15m/min以上，远大于电弧焊焊接速度（一般为0.1m-1.0m/min）。

7、对焊缝跟踪误差要求在±0.05mm，最差不超过±0.1mm，远低于电弧焊中要求的跟踪误差(±0.5mm)。

影响参数

激光脉冲能量

激光脉冲的能量：是指单个激光脉冲能最大输出的能量，单位是J（焦耳）。这是激光器的一个主要参数，它决定了激光器所能产生的最大能量，按照模具修复的用途来说，激光能量在70J以下已经能满足任何场合的需要了，再大的能量也是白费，或根本用不上，而且带来激光电源体积和散热器体积的不断增大，降低了电源的使用效率。

激光束光斑直径

激光光斑聚焦直径：这是反映激光器设计性能的一个极为重要的参数，单位是（mm），它决定了激光的功率密度和加工范围。如果激光器的光学设计合理先进，激光能量集中，聚焦准确，能把激光光斑直径控制在0.2mm-2mm的范围，而能否把激光的聚焦直径控制在0.2mm是对激光发生器的一个严格的考验。国内一般设计的激光器，由于只想降低成本，因此，激光的器件加工简陋，设计并不严谨，激光在谐振腔里发散严重，导致难以准确聚焦，其激光器输出的激光光斑直径根本达不到标称的0.2mm，而只能最小达到0.5mm，而由于激光的发散，令输出的激光束不能呈规则的圆形，这就造成了激光实际照射区域过大，出现烧蚀焊缝的现象，即在焊缝的两端出现不必要的激光照射而令焊缝两端呈现凹陷，这种现象对于修补已经抛光的模具影响尤为严重，有时甚至会令模具报废。同普公司的激光器设计精良，选料严格，精心调试，使其激光器输出的光束光斑直径能进行精密的监控，使聚焦光斑的大小最小能达到0.2mm，并能在0.2mm和2mm的范围里进行无级调节，达到国际的先进水平。

激光脉冲频率

激光脉冲的频率：这是反映激光器在一秒内能打出多少个脉冲的能力，单位是（Hz）。首先需要说明的是，焊接金属是使用激光的的能量，而在激光功率恒定的情况下，频率越高，每个激光输出的能量就越小，因此，我们需要在保证激光的能量足够熔化金属的情况下，考虑加工的速度，才能定出激光的输出频率。在激光修补磨具的场合，15Hz已经能满足焊接的需要了，过高的频率势必造成激光的脉冲能量过低，从而造成焊接失败。

激光脉冲波形

激光的脉冲波形：对于采用脉冲激光进行焊接的加工，激光脉冲波形在脉冲激光焊接中是一个重要的问题。当高强度的激光入射至材料的表面时，金属表面会将60%~98%的激光能量反射掉，且反射率随表面温度变化。因此，不同的金属对于激光的反射率和激光的利用率都不一样，要进行有效的焊接就必须输入不同波形的激光，这样焊缝处的金属组织才能在最佳的方式结晶，形成与基体金属一致的组织，才能形成高质量的焊缝。国内一般的机器都采用廉价的单波形激光电源，因此，其焊接的柔性较低，难以适应多种模具材料的焊接，并且经常要进行返工，大大浪费了焊接材料的时间，并可能造成模具的报废。不同的金属材料表面对激光的反射和吸收程度差别很大，而同一束激光对不同的金属会产生不同的焊接效果，并影响其熔深、焊接速度、结晶速度和硬度，因此单一的矩形波焊接并不能解决不同的模具金属焊接的要求。

功率波形

在抉择激光功率波形时，一般来说，在输入雷同的激光能量的条件下，脉宽越宽，焊斑越大；激光功率波形峰值功率越高，焊斑越深。

技术优势

（1）可将入热量降到最低的需要量，热影响区金相变化范围小，且因热传导所导致的变形亦最低。

（2）32mm板厚单道焊接的焊接工艺参数业经检定合格，可降低厚板焊接所需的时间甚至可省掉填料金属的使用。

（3）不需使用电极，没有电极污染或受损的顾虑。且因不属于接触式焊接制程，机具的耗损及变形接可降至最低。

（4）激光束易于聚焦、对准及受光学仪器所导引，可放置在离工件适当之距离，且可在工件周围的机具或障碍间再导引，其他焊接法则因受到上述的空间限制而无法发挥。

（5）工件可放置在封闭的空间（经抽真空或内部气体环境在控制下）。

（6）激光束可聚焦在很小的区域，可焊接小型且间隔相近的部件，

（7）可焊材质种类范围大，亦可相互接合各种异质材料。

（8）易于以自动化进行高速焊接，亦可以数位或电脑控制。

（9）焊接薄材或细径线材时，不会像电弧焊接般易有回熔的困扰。

（10）不受磁场所影响（电弧焊接及电子束焊接则容易），能精确的对准焊件。

（11）可焊接不同物性（如不同电阻）的两种金属

（12）不需真空，亦不需做X射线防护。

（13）若以穿孔式焊接，焊道深一宽比可达10:1

（14）可以切换装置将激光束传送至多个工作站。

技术缺点

（1）焊件位置需非常精确，务必在激光束的聚焦范围内。

（2）焊件需使用夹治具时，必须确保焊件的最终位置需与激光束将冲击的焊点对准。

（3）最大可焊厚度受到限制渗透厚度远超过19mm的工件，生产线上不适合使用激光焊接。

（4）高反射性及高导热性材料如铝、铜及其合金等，焊接性会受激光所改变。

（5）当进行中能量至高能量的激光束焊接时，需使用等离子控制器将熔池周围的离子化气体驱除，以确保焊道的再出现。

（6）能量转换效率太低，通常低于10%。

（7）焊道快速凝固，可能有气孔及脆化的顾虑。

（8）设备昂贵。

焊接工艺

人们为了减少激光焊接厚度较小的弱点,更好地应用这一优秀的焊接方法,提出了一些用其它热源与激光进行复合焊接的工艺,主要有激光与电弧、激光与等离子弧、激光与感应热源复合焊接、双激光束焊接以及多光束激光焊接等。此外还提出了各种辅助工艺措施，如光束旋转激光焊、激光填丝焊（可细分为冷丝焊和热丝焊）、外加磁场辅助增强激光焊、保护气控制熔池深度激光焊、激光辅助搅拌摩擦焊等。

工艺参数

（1）功率密度。功率密度是激光加工中最关键的参数之一。采用较高的功率密度，在微秒时间范围内，表层即可加热至沸点，产生大量汽化。因此，高功率密度对于材料去除加工，如打孔、切割、雕刻有利。对于较低功率密度，表层温度达到沸点需要经历数毫秒，在表层汽化前，底层达到熔点，易形成良好的熔融焊接。因此，在传导型激光焊接中，功率密度在范围在10^4~10^6W/CM^2。

（2）激光脉冲波形。激光脉冲波形在激光焊接中是一个重要问题，尤其对于薄片焊接更为重要。当高强度激光束射至材料表面，金属表面将会有60~98%的激光能量反射而损失掉，且反射率随表面温度变化。在一个激光脉冲作用期间内，金属反射率的变化很大。

（3）激光脉冲宽度。脉宽是脉冲激光焊接的重要参数之一，它既是区别于材料去除和材料熔化的重要参数，也是决定加工设备造价及体积的关键参数。

（4）离焦量对焊接质量的影响。激光焊接通常需要一定的离做文章一，因为激光焦点处光斑中心的功率密度过高，容易蒸发成孔。离开激光焦点的各平面上，功率密度分布相对均匀。离焦方式有两种：正离焦与负离焦。焦平面位于工件上方为正离焦，反之为负离焦。按几何光学理论，当正负离焦平面与焊接平面距离相等时，所对应平面上功率密度近似相同，但实际上所获得的熔池形状不同。负离焦时，可获得更大的熔深，这与熔池的形成过程有关。实验表明，激光加热50~200us材料开始熔化，形成液相金属并出现问分汽化，形成市压蒸汽，并以极高的速度喷射，发出耀眼的白光。与此同时，高浓度汽体使液相金属运动至熔池边缘，在熔池中心形成凹陷。当负离焦时，材料内部功率密度比表面还高，易形成更强的熔化、汽化，使光能向材料更深处传递。所以在实际应用中，当要求熔深较大时，采用负离焦；焊接薄材料时，宜用正离焦。

应用领域

制造业应用

激光拼焊（TailoredBlandLaserWelding）技术在国外轿车制造中得到广泛的应用，据统计，2000年全球范围内剪裁坯板激光拼焊生产线超过100条，年产轿车构件拼焊坯板7000万件，并继续以较高速度增长。国内生产的引进车型Passat，Buick，Audi等也采用了一些剪裁坯板结构。日本以CO2激光焊代替了闪光对焊进行制钢业轧钢卷材的连接，在超薄板焊接的研究，如板厚100微米以下的箔片，无法熔焊，但通过有特殊输出功率波形的YAG激光焊得以成功，显示了激光焊的广阔前途。日本还在世界上首次成功开发了将YAG激光焊用于核反应堆中蒸气发生器细管的维修等，在国内苏宝蓉等还进行了齿轮的激光焊接技术。

粉末冶金领域

随着科学技术的不断发展，许多工业技术上对材料特殊要求，应用冶铸方法制造的材料已不能满足需要。由于粉末冶金材料具有特殊的性能和制造优点，在某些领域如汽车、飞机、工具刃具制造业中正在取代传统的冶铸材料，随着粉末冶金材料的日益发展，它与其它零件的连接问题显得日益突出，使粉末冶金材料的应用受到限制。在八十年代初期，激光焊以其独特的优点进入粉末冶金材料加工领域，为粉末冶金材料的应用开辟了新的前景，如采用粉末冶金材料连接中常用的钎焊的方法焊接金刚石，由于结合强度低，热影响区宽特别是不能适应高温及强度要求高而引起钎料熔化脱落，采用激光焊接可以提高焊接强度以及耐高温性能。

汽车工业

20世纪80年代后期，千瓦级激光成功应用于工业生产，而今激光焊接生产线已大规模出现在汽车制造业，成为汽车制造业突出的成就之一。德国奥迪、奔驰、大众、瑞典的沃尔沃等欧洲的汽车制造厂早在20世纪80年代就率先采用激光焊接车顶、车身、侧框等钣金焊接，90年代美国通用、福特和克莱斯勒公司竟相将激光焊接引入汽车制造，尽管起步较晚，但发展很快。意大利菲亚特在大多数钢板组件的焊接装配中采用了激光焊接，日本的日产、本田和丰田汽车公司在制造车身覆盖件中都使用了激光焊接和切割工艺，高强钢激光焊接装配件因其性能优良在汽车车身制造中使用得越来越多，根据美国金属市场统计，至2002年底，激光焊接钢结构的消耗将达到70000t比1998年增加3倍。根据汽车工业批量大、自动化程度高的特点，激光焊接设备向大功率、多路式方向发展。在工艺方面美国Sandia国家实验室与PrattWitney联合进行在激光焊接过程中添加粉末金属和金属丝的研究，德国不莱梅应用光束技术研究所在使用激光焊接铝合金车身骨架方面进行了大量的研究，认为在焊缝中添加填充余属有助于消除热裂纹，提高焊接速度，解决公差问题，开发的生产线已在奔驰公司的工厂投入生产。

电子工业

激光焊接在电子工业中，特别是微电子工业中得到了广泛的应用。由于激光焊接热影响区小加热集中迅速、热应力低，因而正在集成电路和半导体器件壳体的封装中，显示出独特的优越性，在真空器件研制中，激光焊接也得到了应用，如钼聚焦极与不锈钢支持环、快热阴极灯丝组件等。传感器或温控器中的弹性薄壁波纹片其厚度在0.05-0.1mm，采用传统焊接方法难以解决，TIG焊容易焊穿，等离子稳定性差，影响因素多而采用激光焊接效果很好，得到广泛的应用。

生物医学

生物组织的激光焊接始于20世纪70年代，Klink等及jain[13]用激光焊接输卵管和血管的成功焊接及显示出来的优越性，使更多研究者尝试焊接各种生物组织，并推广到其他组织的焊接。有关激光焊接神经方面目前国内外的研究主要集中在激光波长、剂量及其对功能恢复以及激光焊料的选择等方面的研究，刘铜军进行了激光焊接小血管及皮肤等基础研究的基础上又对大白鼠胆总管进行了焊接研究。激光焊接方法与传统的缝合方法比较，激光焊接具有吻合速度快，愈合过程中没有异物反应，保持焊接部位的机械性质，被修复组织按其原生物力学性状生长等优点将在以后的生物医学中得到更广泛的应用。