激光焊接:高效精密焊接方法-中文百科頻道

概述

激光焊接以可聚焦的激光束作為焊接能源，當高強度激光照射在被焊材料表面上時，部分光能将被材料吸收而轉變成熱能，使材料熔化，從而達到焊接的目的。

一般要根據被焊材料的光學性質（如反射和吸收）和熱學性質（如熔點、熱傳導率、熱擴散率、熔化潛熱等）來決定所使用的激光的功率密度和脈寬等。對普通金屬來說，光強吸收系數大約在105～109厘米-1數量級。如果激光的功率密度為105～109瓦/厘米2，則在金屬表面的穿透深度為微米數量級。為避免焊接時産生金屬飛濺或陷坑，要控制激光功率密度，使金屬表面溫度維持在沸點附近。對一般金屬，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為熱源高效精密的一種焊接方法。

激光焊接是激光材料加工技術應用的重要方面之一。20世紀70年代主要用于焊接薄壁材料和低速焊接，焊接過程屬熱傳導型，即激光輻射加熱工件表面，表面熱量通過熱傳導向内部擴散，通過控制激光脈沖的寬度、能量、峰值功率和重複頻率等參數，使工件熔化，形成特定的熔池。

技術特點

1、激光焊能量密度大，作用時間短，熱影響區和變形小，可在大氣中焊接，而不需氣體保護或真空環境。

2、激光束可用反光鏡改變方向，焊接過程中不用電極去接觸焊件，因而可以焊接一般電焊工藝難以焊到的部位。

3、激光可對絕緣材料直接焊接，焊接異種金屬材料比較容易，甚至能把金屬與非金屬焊在一起。

4、功率較小，焊接厚度受一定限制。

5、焊縫寬度小，表面質量高，焊縫強度大幅提高，熱輸入量少，工件變形小

6、激光焊接工藝焊接速度可達4m-15m/min以上，遠大于電弧焊焊接速度（一般為0.1m-1.0m/min）。

7、對焊縫跟蹤誤差要求在±0.05mm，最差不超過±0.1mm，遠低于電弧焊中要求的跟蹤誤差(±0.5mm)。

影響參數

激光脈沖能量

激光脈沖的能量：是指單個激光脈沖能最大輸出的能量，單位是J（焦耳）。這是激光器的一個主要參數，它決定了激光器所能産生的最大能量，按照模具修複的用途來說，激光能量在70J以下已經能滿足任何場合的需要了，再大的能量也是白費，或根本用不上，而且帶來激光電源體積和散熱器體積的不斷增大，降低了電源的使用效率。

激光束光斑直徑

激光光斑聚焦直徑：這是反映激光器設計性能的一個極為重要的參數，單位是（mm），它決定了激光的功率密度和加工範圍。如果激光器的光學設計合理先進，激光能量集中，聚焦準确，能把激光光斑直徑控制在0.2mm-2mm的範圍，而能否把激光的聚焦直徑控制在0.2mm是對激光發生器的一個嚴格的考驗。國内一般設計的激光器，由于隻想降低成本，因此，激光的器件加工簡陋，設計并不嚴謹，激光在諧振腔裡發散嚴重，導緻難以準确聚焦，其激光器輸出的激光光斑直徑根本達不到标稱的0.2mm，而隻能最小達到0.5mm，而由于激光的發散，令輸出的激光束不能呈規則的圓形，這就造成了激光實際照射區域過大，出現燒蝕焊縫的現象，即在焊縫的兩端出現不必要的激光照射而令焊縫兩端呈現凹陷，這種現象對于修補已經抛光的模具影響尤為嚴重，有時甚至會令模具報廢。同普公司的激光器設計精良，選料嚴格，精心調試，使其激光器輸出的光束光斑直徑能進行精密的監控，使聚焦光斑的大小最小能達到0.2mm，并能在0.2mm和2mm的範圍裡進行無級調節，達到國際的先進水平。

激光脈沖頻率

激光脈沖的頻率：這是反映激光器在一秒内能打出多少個脈沖的能力，單位是（Hz）。首先需要說明的是，焊接金屬是使用激光的的能量，而在激光功率恒定的情況下，頻率越高，每個激光輸出的能量就越小，因此，我們需要在保證激光的能量足夠熔化金屬的情況下，考慮加工的速度，才能定出激光的輸出頻率。在激光修補磨具的場合，15Hz已經能滿足焊接的需要了，過高的頻率勢必造成激光的脈沖能量過低，從而造成焊接失敗。

激光脈沖波形

激光的脈沖波形：對于采用脈沖激光進行焊接的加工，激光脈沖波形在脈沖激光焊接中是一個重要的問題。當高強度的激光入射至材料的表面時，金屬表面會将60%~98%的激光能量反射掉，且反射率随表面溫度變化。因此，不同的金屬對于激光的反射率和激光的利用率都不一樣，要進行有效的焊接就必須輸入不同波形的激光，這樣焊縫處的金屬組織才能在最佳的方式結晶，形成與基體金屬一緻的組織，才能形成高質量的焊縫。國内一般的機器都采用廉價的單波形激光電源，因此，其焊接的柔性較低，難以适應多種模具材料的焊接，并且經常要進行返工，大大浪費了焊接材料的時間，并可能造成模具的報廢。不同的金屬材料表面對激光的反射和吸收程度差别很大，而同一束激光對不同的金屬會産生不同的焊接效果，并影響其熔深、焊接速度、結晶速度和硬度，因此單一的矩形波焊接并不能解決不同的模具金屬焊接的要求。

功率波形

在抉擇激光功率波形時，一般來說，在輸入雷同的激光能量的條件下，脈寬越寬，焊斑越大；激光功率波形峰值功率越高，焊斑越深。

技術優勢

（1）可将入熱量降到最低的需要量，熱影響區金相變化範圍小，且因熱傳導所導緻的變形亦最低。

（2）32mm闆厚單道焊接的焊接工藝參數業經檢定合格，可降低厚闆焊接所需的時間甚至可省掉填料金屬的使用。

（3）不需使用電極，沒有電極污染或受損的顧慮。且因不屬于接觸式焊接制程，機具的耗損及變形接可降至最低。

（4）激光束易于聚焦、對準及受光學儀器所導引，可放置在離工件适當之距離，且可在工件周圍的機具或障礙間再導引，其他焊接法則因受到上述的空間限制而無法發揮。

（5）工件可放置在封閉的空間（經抽真空或内部氣體環境在控制下）。

（6）激光束可聚焦在很小的區域，可焊接小型且間隔相近的部件，

（7）可焊材質種類範圍大，亦可相互接合各種異質材料。

（8）易于以自動化進行高速焊接，亦可以數位或電腦控制。

（9）焊接薄材或細徑線材時，不會像電弧焊接般易有回熔的困擾。

（10）不受磁場所影響（電弧焊接及電子束焊接則容易），能精确的對準焊件。

（11）可焊接不同物性（如不同電阻）的兩種金屬

（12）不需真空，亦不需做X射線防護。

（13）若以穿孔式焊接，焊道深一寬比可達10:1

（14）可以切換裝置将激光束傳送至多個工作站。

技術缺點

（1）焊件位置需非常精确，務必在激光束的聚焦範圍内。

（2）焊件需使用夾治具時，必須确保焊件的最終位置需與激光束将沖擊的焊點對準。

（3）最大可焊厚度受到限制滲透厚度遠超過19mm的工件，生産線上不适合使用激光焊接。

（4）高反射性及高導熱性材料如鋁、銅及其合金等，焊接性會受激光所改變。

（5）當進行中能量至高能量的激光束焊接時，需使用等離子控制器将熔池周圍的離子化氣體驅除，以确保焊道的再出現。

（6）能量轉換效率太低，通常低于10%。

（7）焊道快速凝固，可能有氣孔及脆化的顧慮。

（8）設備昂貴。

焊接工藝

人們為了減少激光焊接厚度較小的弱點,更好地應用這一優秀的焊接方法,提出了一些用其它熱源與激光進行複合焊接的工藝,主要有激光與電弧、激光與等離子弧、激光與感應熱源複合焊接、雙激光束焊接以及多光束激光焊接等。此外還提出了各種輔助工藝措施，如光束旋轉激光焊、激光填絲焊（可細分為冷絲焊和熱絲焊）、外加磁場輔助增強激光焊、保護氣控制熔池深度激光焊、激光輔助攪拌摩擦焊等。

工藝參數

（1）功率密度。功率密度是激光加工中最關鍵的參數之一。采用較高的功率密度，在微秒時間範圍内，表層即可加熱至沸點，産生大量汽化。因此，高功率密度對于材料去除加工，如打孔、切割、雕刻有利。對于較低功率密度，表層溫度達到沸點需要經曆數毫秒，在表層汽化前，底層達到熔點，易形成良好的熔融焊接。因此，在傳導型激光焊接中，功率密度在範圍在10^4~10^6W/CM^2。

（2）激光脈沖波形。激光脈沖波形在激光焊接中是一個重要問題，尤其對于薄片焊接更為重要。當高強度激光束射至材料表面，金屬表面将會有60~98%的激光能量反射而損失掉，且反射率随表面溫度變化。在一個激光脈沖作用期間内，金屬反射率的變化很大。

（3）激光脈沖寬度。脈寬是脈沖激光焊接的重要參數之一，它既是區别于材料去除和材料熔化的重要參數，也是決定加工設備造價及體積的關鍵參數。

（4）離焦量對焊接質量的影響。激光焊接通常需要一定的離做文章一，因為激光焦點處光斑中心的功率密度過高，容易蒸發成孔。離開激光焦點的各平面上，功率密度分布相對均勻。離焦方式有兩種：正離焦與負離焦。焦平面位于工件上方為正離焦，反之為負離焦。按幾何光學理論，當正負離焦平面與焊接平面距離相等時，所對應平面上功率密度近似相同，但實際上所獲得的熔池形狀不同。負離焦時，可獲得更大的熔深，這與熔池的形成過程有關。實驗表明，激光加熱50~200us材料開始熔化，形成液相金屬并出現問分汽化，形成市壓蒸汽，并以極高的速度噴射，發出耀眼的白光。與此同時，高濃度汽體使液相金屬運動至熔池邊緣，在熔池中心形成凹陷。當負離焦時，材料内部功率密度比表面還高，易形成更強的熔化、汽化，使光能向材料更深處傳遞。所以在實際應用中，當要求熔深較大時，采用負離焦；焊接薄材料時，宜用正離焦。

應用領域

制造業應用

激光拼焊（TailoredBlandLaserWelding）技術在國外轎車制造中得到廣泛的應用，據統計，2000年全球範圍内剪裁坯闆激光拼焊生産線超過100條，年産轎車構件拼焊坯闆7000萬件，并繼續以較高速度增長。國内生産的引進車型Passat，Buick，Audi等也采用了一些剪裁坯闆結構。日本以CO2激光焊代替了閃光對焊進行制鋼業軋鋼卷材的連接，在超薄闆焊接的研究，如闆厚100微米以下的箔片，無法熔焊，但通過有特殊輸出功率波形的YAG激光焊得以成功，顯示了激光焊的廣闊前途。日本還在世界上首次成功開發了将YAG激光焊用于核反應堆中蒸氣發生器細管的維修等，在國内蘇寶蓉等還進行了齒輪的激光焊接技術。

粉末冶金領域

随着科學技術的不斷發展，許多工業技術上對材料特殊要求，應用冶鑄方法制造的材料已不能滿足需要。由于粉末冶金材料具有特殊的性能和制造優點，在某些領域如汽車、飛機、工具刃具制造業中正在取代傳統的冶鑄材料，随着粉末冶金材料的日益發展，它與其它零件的連接問題顯得日益突出，使粉末冶金材料的應用受到限制。在八十年代初期，激光焊以其獨特的優點進入粉末冶金材料加工領域，為粉末冶金材料的應用開辟了新的前景，如采用粉末冶金材料連接中常用的釺焊的方法焊接金剛石，由于結合強度低，熱影響區寬特别是不能适應高溫及強度要求高而引起釺料熔化脫落，采用激光焊接可以提高焊接強度以及耐高溫性能。

汽車工業

20世紀80年代後期，千瓦級激光成功應用于工業生産，而今激光焊接生産線已大規模出現在汽車制造業，成為汽車制造業突出的成就之一。德國奧迪、奔馳、大衆、瑞典的沃爾沃等歐洲的汽車制造廠早在20世紀80年代就率先采用激光焊接車頂、車身、側框等钣金焊接，90年代美國通用、福特和克萊斯勒公司竟相将激光焊接引入汽車制造，盡管起步較晚，但發展很快。意大利菲亞特在大多數鋼闆組件的焊接裝配中采用了激光焊接，日本的日産、本田和豐田汽車公司在制造車身覆蓋件中都使用了激光焊接和切割工藝，高強鋼激光焊接裝配件因其性能優良在汽車車身制造中使用得越來越多，根據美國金屬市場統計，至2002年底，激光焊接鋼結構的消耗将達到70000t比1998年增加3倍。根據汽車工業批量大、自動化程度高的特點，激光焊接設備向大功率、多路式方向發展。在工藝方面美國Sandia國家實驗室與PrattWitney聯合進行在激光焊接過程中添加粉末金屬和金屬絲的研究，德國不萊梅應用光束技術研究所在使用激光焊接鋁合金車身骨架方面進行了大量的研究，認為在焊縫中添加填充餘屬有助于消除熱裂紋，提高焊接速度，解決公差問題，開發的生産線已在奔馳公司的工廠投入生産。

電子工業

激光焊接在電子工業中，特别是微電子工業中得到了廣泛的應用。由于激光焊接熱影響區小加熱集中迅速、熱應力低，因而正在集成電路和半導體器件殼體的封裝中，顯示出獨特的優越性，在真空器件研制中，激光焊接也得到了應用，如钼聚焦極與不鏽鋼支持環、快熱陰極燈絲組件等。傳感器或溫控器中的彈性薄壁波紋片其厚度在0.05-0.1mm，采用傳統焊接方法難以解決，TIG焊容易焊穿，等離子穩定性差，影響因素多而采用激光焊接效果很好，得到廣泛的應用。

生物醫學

生物組織的激光焊接始于20世紀70年代，Klink等及jain[13]用激光焊接輸卵管和血管的成功焊接及顯示出來的優越性，使更多研究者嘗試焊接各種生物組織，并推廣到其他組織的焊接。有關激光焊接神經方面目前國内外的研究主要集中在激光波長、劑量及其對功能恢複以及激光焊料的選擇等方面的研究，劉銅軍進行了激光焊接小血管及皮膚等基礎研究的基礎上又對大白鼠膽總管進行了焊接研究。激光焊接方法與傳統的縫合方法比較，激光焊接具有吻合速度快，愈合過程中沒有異物反應，保持焊接部位的機械性質，被修複組織按其原生物力學性狀生長等優點将在以後的生物醫學中得到更廣泛的應用。