激光焊接

焊接特性

激光束可由平面光學(xué)元件（如鏡子）導(dǎo)引，隨后再以反射聚焦元件或鏡片將光束投射在焊縫上。

激光焊接屬非接觸式焊接，作業(yè)過(guò)程不需加壓，但需使用惰性氣體以防熔池氧化，填料金屬偶有使用。

激光焊可以與MIG焊組成激光MIG復(fù)合焊，實(shí)現(xiàn)大熔深焊接，同時(shí)熱輸入量比MIG焊大為減小。

激光焊接的主要優(yōu)點(diǎn)

（1）可將入熱量降到最低的需要量，熱影響區(qū)金相變化范圍小，且因熱傳導(dǎo)所導(dǎo)致的變形亦最低。

（2）32mm板厚單道焊接的焊接工藝參數(shù)業(yè)經(jīng)檢定合格，可降低厚板焊接所需的時(shí)間甚至可省掉填料金屬的使用。

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

（4）激光束易于聚焦、對(duì)準(zhǔn)及受光學(xué)儀器所導(dǎo)引，可放置在離工件適當(dāng)之距離，且可在工件周圍的機(jī)具或障礙間再導(dǎo)引，其他焊接法則因受到上述的空間限制而無(wú)法發(fā)揮。
 

（5）工件可放置在封閉的空間（經(jīng)抽真空或內(nèi)部氣體環(huán)境在控制下）。

（6）激光束可聚焦在很小的區(qū)域，可焊接小型且間隔相近的部件。

（7）可焊材質(zhì)種類范圍大，亦可相互接合各種異質(zhì)材料。

（8）易于以自動(dòng)化進(jìn)行高速焊接，亦可以數(shù)位或電腦控制。

（9）焊接薄材或細(xì)徑線材時(shí)，不會(huì)像電弧焊接般易有回熔的困擾。

（10）不受磁場(chǎng)所影響（電弧焊接及電子束焊接則容易），能精確的對(duì)準(zhǔn)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(hù)。
 

（13）若以穿孔式焊接，焊道深一寬比可達(dá)10:1。

（14）可以切換裝置將激光束傳送至多個(gè)工作站。

激光焊接的主要缺點(diǎn)

（1）焊件位置需非常精確，務(wù)必在激光束的聚焦范圍內(nèi)。

（2）焊件需使用夾治具時(shí)，必須確保焊件的最終位置需與激光束將沖擊的焊點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)。

（3）最大可焊厚度受到限制滲透厚度遠(yuǎn)超過(guò)19mm的工件，生產(chǎn)線上不適合使用激光焊接。

（4）高反射性及高導(dǎo)熱性材料如鋁、銅及其合金等，焊接性會(huì)受激光所改變。

（5）當(dāng)進(jìn)行中能量至高能量的激光束焊接時(shí)，需使用等離子控制器將熔池周圍的離子化氣體驅(qū)除，以確保焊道的再出現(xiàn)。

（6）能量轉(zhuǎn)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(shè)備昂貴。

激光焊接工藝增強(qiáng)技術(shù)

為了消除或減少激光焊接的缺陷,更好地應(yīng)用這一優(yōu)秀的焊接方法,提出了一些用其它熱源與激光進(jìn)行復(fù)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(yīng)熱源復(fù)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，如激光填絲焊（可細(xì)分為冷絲焊和熱絲焊）、外加磁場(chǎng)輔助增強(qiáng)激光焊、保護(hù)氣控制熔池深度激光焊、激光輔助攪拌摩擦焊等。

激光焊接的工藝參數(shù)

(1)功率密度。

功率密度是激光加工中最關(guān)鍵的參數(shù)之一。采用較高的功率密度，在微秒時(shí)間范圍內(nèi)，表層即可加熱至沸點(diǎn)，產(chǎn)生大量汽化。因此，高功率密度對(duì)于材料去除加工，如打孔、切割、雕刻有利。對(duì)于較低功率密度，表層溫度達(dá)到沸點(diǎn)需要經(jīng)歷數(shù)毫秒，在表層汽化前，底層達(dá)到熔點(diǎn)，易形成良好的熔融焊接。因此，在傳導(dǎo)型激光焊接中，功率密度在范圍在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(gè)重要問(wèn)題，尤其對(duì)于薄片焊接更為重要。當(dāng)高強(qiáng)度激光束射至材料表面，金屬表面將會(huì)有60~98%的激光能量反射而損失掉，且反射率隨表面溫度變化。在一個(gè)激光脈沖作用期間內(nèi)，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(shù)之一，它既是區(qū)別于材料去除和材料熔化的重要參數(shù)，也是決定加工設(shè)備造價(jià)及體積的關(guān)鍵參數(shù)。

(4)離焦量對(duì)焊接質(zhì)量的影響。

激光焊接通常需要一定的離做文章一，因?yàn)榧す饨裹c(diǎn)處光斑中心的功率密度過(guò)高，容易蒸發(fā)成孔。離開激光焦點(diǎn)的各平面上，功率密度分布相對(duì)均勻。離焦方式有兩種：正離焦與負(fù)離焦。焦平面位于工件上方為正離焦，反之為負(fù)離焦。按幾何光學(xué)理論，當(dāng)正負(fù)離焦平面與焊接平面距離相等時(shí)，所對(duì)應(yīng)平面上功率密度近似相同，但實(shí)際上所獲得的熔池形狀不同。負(fù)離焦時(shí)，可獲得更大的熔深，這與熔池的形成過(guò)程有關(guān)。實(shí)驗(yàn)表明，激光加熱50~200us材料開始熔化，形成液相金屬并出現(xiàn)問(wèn)分汽化，形成市壓蒸汽，并以極高的速度噴射，發(fā)出耀眼的白光。與此同時(shí)，高濃度汽體使液相金屬運(yùn)動(dòng)至熔池邊緣，在熔池中心形成凹陷。當(dāng)負(fù)離焦時(shí)，材料內(nèi)部功率密度比表面還高，易形成更強(qiáng)的熔化、汽化，使光能向材料更深處傳遞。所以在實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)要求熔深較大時(shí)，采用負(fù)離焦；焊接薄材料時(shí)，宜用正離焦。

激光焊國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r

20世紀(jì)80年代中期，激光焊接作為新技術(shù)在歐洲、美國(guó)、日本得到了廣泛的關(guān)注。1985年德國(guó)蒂森鋼鐵公司與德國(guó)大眾汽車公司合作，在Audi100車身上成功采用了全球第一塊激光拼焊板。90年代歐洲、北美、日本各大汽車生產(chǎn)廠開始在車身制造中大規(guī)模使用激光拼焊板技術(shù)。目前，無(wú)論實(shí)驗(yàn)室還是汽車制造廠的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，均證明了拼焊板可以成功地應(yīng)用于汽車車身的制造。

激光拼焊是采用激光能源，將若干不同材質(zhì)、不同厚度、不同涂層的鋼材、不銹鋼材、鋁合金材等進(jìn)行自動(dòng)拼合和焊接而形成一塊整體板材、型材、夾芯板等，以滿足零部件對(duì)材料性能的不同要求，用最輕的重量、最優(yōu)結(jié)構(gòu)和最佳性能實(shí)現(xiàn)裝備輕量化。在歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家，激光拼焊不僅在交通運(yùn)輸裝備制造業(yè)中被使用，還在建筑業(yè)、橋梁、家電板材焊接生產(chǎn)、軋鋼線鋼板焊接（連續(xù)軋制中的鋼板連接）等領(lǐng)域中被大量使用。

世界著名的激光焊接企業(yè)有瑞士Soudonic公司、法國(guó)阿賽洛鋼鐵集團(tuán)、德國(guó)蒂森克虜伯集團(tuán)TWB公司、加拿大Servo-Robot公司、德國(guó)Precitec公司等。

中國(guó)的激光拼焊板技術(shù)應(yīng)用剛剛起步，2002年10月25日，中國(guó)第一條激光拼焊板專業(yè)化商業(yè)生產(chǎn)線正式投入運(yùn)行，由武漢蒂森克虜伯中人激光拼焊從德國(guó)蒂森克虜伯集團(tuán)TWB公司引進(jìn)。此后上海寶鋼阿賽洛激光拼焊公司、一汽寶友激光拼焊有限公司等相繼投產(chǎn)。

2003年 由華工激光提供的國(guó)內(nèi)首臺(tái)大型帶材在線式焊接成套設(shè)備通過(guò)離線驗(yàn)收。該設(shè)備集激光切割、焊接和熱處理于一身，使我國(guó)華工激光成為世界上第四家能夠生產(chǎn)此類設(shè)備的企業(yè)。

2004年 華工激光“高功率激光切割,焊接及切焊組合加工技術(shù)與設(shè)備”項(xiàng)目獲得國(guó)家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步二等獎(jiǎng),成為國(guó)內(nèi)目前唯一具備該項(xiàng)技術(shù)與設(shè)備研制能力的激光企業(yè)。

 中科院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所與日本石川島播磨重工株式會(huì)社進(jìn)行國(guó)際合作，遵循國(guó)家引進(jìn)消化后再創(chuàng)新的科技發(fā)展戰(zhàn)略，攻克激光拼焊若干個(gè)關(guān)鍵技術(shù)，于2006年9月開發(fā)出國(guó)內(nèi)第一套激光拼焊成套生產(chǎn)線，并成功開發(fā)了機(jī)器人激光焊接系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了平面和空間曲線的激光焊接。

激光焊接的應(yīng)用領(lǐng)域

1、制造業(yè)應(yīng)用

激光拼焊(TailoredBlandLaserWelding)技術(shù)在國(guó)外轎車制造中得到廣泛的應(yīng)用，據(jù)統(tǒng)計(jì)，2000年全球范圍內(nèi)剪裁坯板激光拼焊生產(chǎn)線超過(guò)100條，年產(chǎn)轎車構(gòu)件拼焊坯板7000萬(wàn)件，并繼續(xù)以較高速度增長(zhǎng)。國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的引進(jìn)車型Passat，Buick，Audi等也采用了一些剪裁坯板結(jié)構(gòu)。日本以CO2激光焊代替了閃光對(duì)焊進(jìn)行制鋼業(yè)軋鋼卷材的連接，在超薄板焊接的研究，如板厚100微米以下的箔片，無(wú)法熔焊，但通過(guò)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(fā)了將YAG激光焊用于核反應(yīng)堆中蒸氣發(fā)生器細(xì)管的維修等，在國(guó)內(nèi)蘇寶蓉等還進(jìn)行了齒輪的激光焊接技術(shù)。

2、粉末冶金領(lǐng)域

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，許多工業(yè)技術(shù)上對(duì)材料特殊要求，應(yīng)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(yōu)點(diǎn)，在某些領(lǐng)域如汽車、飛機(jī)、工具刃具制造業(yè)中正在取代傳統(tǒng)的冶鑄材料，隨著粉末冶金材料的日益發(fā)展，它與其它零件的連接問(wèn)題顯得日益突出，使粉末冶金材料的應(yīng)用受到限制。在八十年代初期，激光焊以其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)入粉末冶金材料加工領(lǐng)域，為粉末冶金材料的應(yīng)用開辟了新的前景，如采用粉末冶金材料連接中常用的釬焊的方法焊接金剛石，由于結(jié)合強(qiáng)度低，熱影響區(qū)寬特別是不能適應(yīng)高溫及強(qiáng)度要求高而引起釬料熔化脫落，采用激光焊接可以提高焊接強(qiáng)度以及耐高溫性能。

3、汽車工業(yè)

20世紀(jì)80年代后期，千瓦級(jí)激光成功應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)，而今激光焊接生產(chǎn)線已大規(guī)模出現(xiàn)在汽車制造業(yè)，成為汽車制造業(yè)突出的成就之一。德國(guó)奧迪、奔馳、大眾、瑞典的沃爾沃等歐洲的汽車制造廠早在20世紀(jì)80年代就率先采用激光焊接車頂、車身、側(cè)框等鈑金焊接，90年代美國(guó)通用、福特和克萊斯勒公司竟相將激光焊接引入汽車制造，盡管起步較晚，但發(fā)展很快。意大利菲亞特在大多數(shù)鋼板組件的焊接裝配中采用了激光焊接，日本的日產(chǎn)、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(qiáng)鋼激光焊接裝配件因其性能優(yōu)良在汽車車身制造中使用得越來(lái)越多，根據(jù)美國(guó)金屬市場(chǎng)統(tǒng)計(jì)，至2002年底，激光焊接鋼結(jié)構(gòu)的消耗將達(dá)到70000t比1998年增加3倍。根據(jù)汽車工業(yè)批量大、自動(dòng)化程度高的特點(diǎn)，激光焊接設(shè)備向大功率、多路式方向發(fā)展。在工藝方面美國(guó)Sandia國(guó)家實(shí)驗(yàn)室與PrattWitney聯(lián)合進(jìn)行在激光焊接過(guò)程中添加粉末金屬和金屬絲的研究，德國(guó)不萊梅應(yīng)用光束技術(shù)研究所在使用激光焊接鋁合金車身骨架方面進(jìn)行了大量的研究，認(rèn)為在焊縫中添加填充余屬有助于消除熱裂紋，提高焊接速度，解決公差問(wèn)題，開發(fā)的生產(chǎn)線已在奔馳公司的工廠投入生產(chǎn)。

4、電子工業(yè)

激光焊接在電子工業(yè)中，特別是微電子工業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。由于激光焊接熱影響區(qū)小加熱集中迅速、熱應(yīng)力低，因而正在集成電路和半導(dǎo)體器件殼體的封裝中，顯示出獨(dú)特的優(yōu)越性，在真空器件研制中，激光焊接也得到了應(yīng)用，如鉬聚焦極與不銹鋼支持環(huán)、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(tǒng)焊接方法難以解決，TIG焊容易焊穿，等離子穩(wěn)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(yīng)用。

5、生物醫(yī)學(xué)

生物組織的激光焊接始于20世紀(jì)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(lái)的優(yōu)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(guān)激光焊接神經(jīng)方面目前國(guó)內(nèi)外的研究主要集中在激光波長(zhǎng)、劑量及其對(duì)功能恢復(fù)以及激光焊料的選擇等方面的研究，劉銅軍進(jìn)行了激光焊接小血管及皮膚等基礎(chǔ)研究的基礎(chǔ)上又對(duì)大白鼠膽總管進(jìn)行了焊接研究。激光焊接方法與傳統(tǒng)的縫合方法比較，激光焊接具有吻合速度快，愈合過(guò)程中沒(méi)有異物反應(yīng)，保持焊接部位的機(jī)械性質(zhì)，被修復(fù)組織按其原生物力學(xué)性狀生長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)將在以后的生物醫(yī)學(xué)中得到更廣泛的應(yīng)用。

6、其他領(lǐng)域

在其他行業(yè)中，激光焊接也逐漸增加特別是在特種材料焊接中國(guó)內(nèi)進(jìn)行了許多研究，如對(duì)BT20鈦合金、HEl30合金、Li-ion電池等激光焊接，德國(guó)玻璃機(jī)械制造商GlamacoCoswig公司與IFW接合技術(shù)與材料實(shí)驗(yàn)研究院合作開發(fā)出了一種用于平板玻璃的激光焊接新技術(shù)。