激光焊機:利用激光束作為熱源的一種熱加工工藝-中文百科頻道

簡介

激光焊機焊接是利用激光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。激光束的激光焦點光斑小，功率密度高，能焊接一些高熔點、高強度的合金材料。激光焊接是無接觸加工，沒有工具損耗和工具調換等問題。

激光焊機焊接熱影響區小，材料變形小，無需後續工序處理。激光可通過玻璃焊接處于真空容器内的工件及處于複雜結構内部位置的工件。激光束易于導向、聚焦，實現各方向變換。激光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。激光焊接生産效率高，加工質量穩定可靠，經濟效益和社會效益好。

激光焊機用來封焊傳感器金屬外殼是一種最先進的加工工藝方法，主要基于激光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。由于功率密度高，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，導緻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産生純化作用，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、韌性至少相當于甚至超過母體金屬。

精确控制。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，生産效率高，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。因為能量來自激光，工件無物理接觸，因此沒有力施加于工件。另磁和空氣對激光都無影響。由于平均熱輸入低，加工精度高，可減少再加工費用，另外，激光焊接運轉費用較低，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。

優點

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，激光通過電磁場，光束不會偏移；激光在真空、空氣及某種氣體環境中均能施焊，并能通過玻璃或對光束透明的材料進行焊接。

3．可焊接難熔材料如钛、石英等，并能對異性材料施焊，效果良好。

4．激光聚焦後，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。激光束經聚焦後可獲得很小的光斑，且能精确定位，可應用于大批量自動化生産的微、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激光加工技術中采用了光纖傳輸技術，使激光焊接技術獲得了更為廣泛的推廣和應用。

7．激光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。

種類

泵浦固體激光焊機

半導體激光(LD)浦固體激光焊機設備，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10kw小型(Rod型和Slab型)設備。在美國，作為“精密激光加工”國家項目。研究開發出了3kW LD泵浦Slab型固體激光設備可獲得20-30mm的大熔深焊縫。由于焊縫寬度極小，可使激光束作橫向運動擴大了熔化寬度。現在德國開發的LD泵浦薄圓盤固體激光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4kW的圓盤激光設備并将開發10kW級的設備。

半導體激光焊機設備

許多公司正在研制大功率的半導體，現已出現2~6kW級的商用小型設備。由于體積小、質量輕，半導體激光器可直接搭載于機器人上進行焊接等加工，另外也可用光纖傳輸半導體激光進行焊接。盡管半導體激光器效率高、波長短但由于存在激光發散角度大、工作距離(焦深)短這一缺點僅用于激光釺焊及塑料等的焊接。

激光遠程焊機設備

由于高光束質量的激光器相繼問世如闆條CO2激光器、光纖激光器和盤式YAG激光器(Disc Laser)使得激光遠程焊接或稱激光掃描焊接(Laser Scanning Welding)成為可能并極大地提高了汽車車身件激光焊接速度。已有固定龍門式加工機+CO2激光器、機器人+光纖激光器或盤式YAG激光器等汽車車身件制造用激光遠程焊接設備。

原理

激光焊機的冷水機的原理在激光（鐳射）系統中的激光發生源、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。激光系統中通常在啟動時對水溫有一定要求，這樣就需要在水回路中增加電加熱。在部分系統中的光束控制器會要求獨立冷卻回路。對于激光系統中的特殊應用，都能專門設計工業冷水機以滿足不同的要求。

深熔焊過程産生的金屬蒸氣和保護氣體，在激光作用下發生電離，從而在小孔内部和上方形成等離子體。等離子體對激光有吸收、折射和散射作用，因此一般來說熔池上方的等離子體會削弱到達工件的激光能量。并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等離子體。小孔的形成和等離子體效應，使焊接過程中伴随着具有特征的聲、光和電荷産生，研究它們與焊接規範及焊縫質量之間的關系，和利用這些特征信号對激光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。

由于經聚焦後的激光束光斑小（0.1～0.3mm），功率密度高，比電弧焊（5×102～104W/cm2）高幾個數量級，因而激光焊接具有傳統焊接方法無法比拟的顯著優點：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，生産率高；具有高度柔性，易于實現自動化。

激光焊機焊接技術是一種高新技術，由于其獨有的特點，特别适合在傳感器密封焊中使用，國外許多生産傳感器的廠家均利用激光焊接工藝生産傳感器，而國内采用此工藝的廠家不多，主要是一些生産軍用傳感器産品的廠家和部分科研機構在采用此種工藝，且采用國外激光焊接機的較多。國内激光焊接機在性能上已和國外産品相差不遠，完全可以勝任國内生産傳感器的工藝要求，但價格是國外同類産品的1/3-1/5。

使用

激光焊機焊接有兩種基本模式：熱導焊和深熔焊，前者所用激光功率密度較低（105～106W／cm2），工件吸收激光後，僅達到表面熔化，然後依靠熱傳導向工件内部傳遞熱量形成熔池。這種焊接模式熔深淺，深寬比較小。後者激光動車密度高（106～107W／cm2），工件吸收激光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激光束可直照孔底，使小孔不斷延伸，直至小孔内的蒸氣壓力與液體金屬的表面張力和重力平衡為止。小孔随着激光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。在機械制造領域，除了那些微薄零件之外，一般應選用深館焊。

激光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，激光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屏蔽掉，最大限度地保護操作者的健康；但由于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，這種焊機不适合進行大型模具的修複焊接。

考慮到焊接時剩餘的輻射激光能量小，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激光焊機。但開放式的機構也存在很多的結構方式，而且其實用性也差别較大。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，适合不同模具修補的需要。國内一般的激光焊接機器體積龐大笨重，激光總成一般做成固定式，難以移動，不适合對大型的難以移動的模具進行修補工作。

激光焊點表面存在金屬堆積，焊點中心則呈現不同程度的下塌，這主要是由于金屬來不及回填産生的。當激光功率達到一定值時，熔池中的液态金屬急劇蒸發形成匙孔，并産生一個反沖力，把液态金屬推向熔池的邊緣，堆積在焊點周圍。當激光停止作用時，金屬不再蒸發，反沖力消失，堆積的金屬在重力的作用下重填匙孔，同時液态金屬冷卻凝固。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。

應用

（1）激光焊接在國外汽車工業中的應用

1）白車身激光焊接

汽車工業中的在線激光焊接大量用在白車身沖壓零件的裝配和連接上。主要應用包括車頂蓋激光焊、行李箱蓋激光釺焊及車架激光焊接。

另一項比較重要的車身激光焊接應用，是車身結構件（包括車門、車身側圍框架及立柱等）的激光焊接。采用激光焊的原因是可提高車身強度，并可解決一些部位難以實施常規電阻點焊的難題。

2）不等厚激光拼焊闆

車身制造采用不等厚激光拼焊闆可減輕車身重量、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激光器，用于齒輪激光焊接，生産能力提高40%。90年代初，美國三大汽車公司投入40多台激光器用于傳動部件焊接。奔馳公司經研究利用激光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激光器焊接車輪鋼圈，鋼圈厚1mm，焊接速度為2。5m/min。該公司還采用帶有視覺系統的激光焊接機，将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，生産率為200件/h。

（2）光纖激光焊在造船及海洋工程方面的應用

許多輪船都是先制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。采用激光焊技術制造海洋建築物局部組件非常合适，因為它結合了焊接切割自動化技術與激光技術。與弧焊方法相比，采用該技術可以大大提高生産率。

造船中，采用光纖激光技術，可以無需進行焊接邊緣預處理和焊前或焊後熱處理就能将部件焊接在一起。與弧焊相比，激光焊的焊接接頭窄，熱影響區小，而且沒有傳統弧焊方法中出現的由于弧吹或電極磨損引起的焊接缺陷。所以，接頭采用光纖激光焊，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）激光焊在飛機制造中的應用

激光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。它主要應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。另外在機身附件的裝配中也大量使用了激光束焊接技術，如腹鳍和襟翼的翼盒，結構不再是應用内肋條骨架支撐結構和外加蒙皮完成，而是應用了先進的钣金成形技術後，采閑激光焊接技術在三維空間完成焊接拼合，不僅産品質量好，生産效率高，而且工藝再現性好，減重效果明顯。

激光焊也多見于薄壁零件的制造中，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采用微弧等離子弧焊，或者是小電流鎢極氩弧焊。随着钛合金材料的大量使用，即便采用了這些低線能量的焊接技術，仍然由于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複等原因，導緻傳統焊接工藝面臨淘汰的命運。激光束焊接配以局部保護措施，非常适合焊接薄壁钛合金殼體零件。

（4）複合激光焊的應用

複合激光焊技術結合了激光焊和傳統氣體保護焊（GMAW）兩者的優點，激光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，改善表面狀态和雜質的允許量；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）激光焊在醫學上的應用

激光焊是用激光來加熱，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。利用激光的辦法，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。