激光焊接技術(shù)的特點(diǎn)介紹

激光焊接是利用高能量密度的激光束作為熱源的一種精密焊接方法。激光焊接是激光材料加工技術(shù)應(yīng)用的重要方面之一。20世紀(jì)70年代主要用于焊接薄壁材料和低速焊接，焊接過(guò)程屬熱傳導(dǎo)型，即激光輻射加熱工件表面，表面熱量通過(guò)熱傳導(dǎo)向內(nèi)部擴(kuò)散，通過(guò)控制激光脈沖的寬度、能量、峰值功率和重復(fù)頻率等參數(shù)，使工件熔化，形成特定的熔池。由于其*的優(yōu)點(diǎn)，已成功應(yīng)用于微、小型零件的精密焊接中。
技術(shù)原理
激光焊接可以采用連續(xù)或脈沖激光束加以實(shí)現(xiàn)，激光焊接的原理可分為熱傳導(dǎo)型焊接和激光深熔焊接。功率密度小于104~105 W/cm2為熱傳導(dǎo)焊，此時(shí)熔深淺、焊接速度慢；功率密度大于105~107 W/cm2時(shí)，金屬表面受熱作用下凹成“孔穴”，形成深熔焊，具有焊接速度快、深寬比大的特點(diǎn)。
其中熱傳導(dǎo)型激光焊接原理為：激光輻射加熱待加工表面，表面熱量通過(guò)熱傳導(dǎo)向內(nèi)部擴(kuò)散，通過(guò)控制激光脈沖的寬度、能量、峰功率和重復(fù)頻率等激光參數(shù)，使工件熔化，形成特定的熔池。
用于齒輪焊接和冶金薄板焊接用的激光焊接機(jī)主要涉及激光深熔焊接。
激光深熔焊接一般采用連續(xù)激光光束完成材料的連接，其冶金物理過(guò)程與電子束焊接極為相似，即能量轉(zhuǎn)換機(jī)制是通過(guò)“小孔”（Key-hole）結(jié)構(gòu)來(lái)完成的。在足夠高的功率密度激光照射下，材料產(chǎn)生蒸發(fā)并形成小孔。這個(gè)充滿(mǎn)蒸氣的小孔猶如一個(gè)黑體，幾乎吸收全部的入射光束能量，孔腔內(nèi)平衡溫度達(dá)2500 0C左右，熱量從這個(gè)高溫孔腔外壁傳遞出來(lái)，使包圍著這個(gè)孔腔四周的金屬熔化。小孔內(nèi)充滿(mǎn)在光束照射下壁體材料連續(xù)蒸發(fā)產(chǎn)生的高溫蒸汽，小孔四壁包圍著熔融金屬，液態(tài)金屬四周包圍著固體材料（而在大多數(shù)常規(guī)焊接過(guò)程和激光傳導(dǎo)焊接中，能量首先沉積于工件表面，然后靠傳遞輸送到內(nèi)部）。孔壁外液體流動(dòng)和壁層表面張力與孔腔內(nèi)連續(xù)產(chǎn)生的蒸汽壓力相持并保持著動(dòng)態(tài)平衡。光束不斷進(jìn)入小孔，小孔外的材料在連續(xù)流動(dòng)，隨著光束移動(dòng)，小孔始終處于流動(dòng)的穩(wěn)定狀態(tài)。就是說(shuō)，小孔和圍著孔壁的熔融金屬隨著前導(dǎo)光束前進(jìn)速度向前移動(dòng)，熔融金屬充填著小孔移開(kāi)后留下的空隙并隨之冷凝，焊縫于是形成。上述過(guò)程的所有這一切發(fā)生得如此快，使焊接速度很容易達(dá)到每分鐘數(shù)米。

工作設(shè)備
由光學(xué)震蕩器及放在震蕩器空穴兩端鏡間的介質(zhì)所組成。介質(zhì)受到激發(fā)至高能量狀態(tài)時(shí)，開(kāi)始產(chǎn)生同相位光波且在兩端鏡間來(lái)回反射，形成光電的串結(jié)效應(yīng)，將光波放大，并獲得足夠能量而開(kāi)始發(fā)射出激光。
激光亦可解釋成將電能、化學(xué)能、熱能、光能或核能等原始能源轉(zhuǎn)換成某些特定光頻（紫外光、可見(jiàn)光或紅外光）的電磁輻射束的一種設(shè)備。轉(zhuǎn)換形態(tài)在某些固態(tài)、液態(tài)或氣態(tài)介質(zhì)中很容易進(jìn)行。當(dāng)這些介質(zhì)以原子或分子形態(tài)被激發(fā)，便產(chǎn)生相位幾乎相同且近乎單一波長(zhǎng)的光束-激光。由于具同相位及單一波長(zhǎng)，差異角均小，在被高度集中以提供焊接、切割及熱處理等功能前可傳送的距離相當(dāng)長(zhǎng)。

工藝參數(shù)
(1)功率密度。 功率密度是激光加工中zui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焦量，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(kāi)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(kāi)始熔化，形成液相金屬并出現(xiàn)部分汽化，形成高壓蒸汽，并以*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，易形成強(qiáng)的熔化、汽化，使光能向材料深處傳遞。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。
(5)焊接速度。焊接速度的快慢會(huì)影響單位時(shí)間內(nèi)的熱輸入量，焊接速度過(guò)慢，則熱輸入量過(guò)大，導(dǎo)致工件燒穿，焊接速度過(guò)快，則熱輸入量過(guò)小，造成工件焊不透。

焊接特性
屬于熔融焊接，以激光束為能源，沖擊在焊件接頭上。
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。

優(yōu)缺點(diǎn)
優(yōu)點(diǎn)
（1）可將入熱量降到zui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zui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)具的耗損及變形皆可降至zui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?chē)臋C(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(lèi)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。
缺點(diǎn)
（1）焊件位置需，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zui終位置需與激光束將沖擊的焊點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)；
（3）zui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?chē)碾x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。
為了消除或減少激光焊接的缺陷,好地應(yīng)用這一的焊接方法,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。

應(yīng)用領(lǐng)域
制造業(yè)
激光拼焊(TailoredBlandLaserWelding)技術(shù)在國(guó)外轎車(chē)制造中得到廣泛的應(yīng)用，據(jù)統(tǒng)計(jì)，2000年范圍內(nèi)剪裁坯板激光拼焊生產(chǎn)線超過(guò)100條，年產(chǎn)轎車(chē)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(chē)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。日本還在世界上成功開(kāi)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)。
粉末冶金
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(mǎn)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(chē)、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*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(kāi)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。
汽車(chē)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(chē)制造業(yè)，成為汽車(chē)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(chē)制造廠早在20世紀(jì)80年代就采用激光焊接車(chē)頂、車(chē)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(chē)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(chē)公司在制造車(chē)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(chē)車(chē)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(chē)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(chē)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(kāi)發(fā)的生產(chǎn)線已在奔馳公司的工廠投入生產(chǎn)。
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*的*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。
近年來(lái)激光焊接又逐漸應(yīng)用到印制電路板的裝聯(lián)過(guò)程中。隨著電路的集成度越來(lái)越高，零件尺寸越來(lái)越小，引腳間距也變得小，以往的工具已經(jīng)很難在細(xì)小的空間操作。激光由于不需要接觸到零件即可實(shí)現(xiàn)焊接，很好的解決了這個(gè)問(wèn)題，受到電路板制造商的重視。
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*性，使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)中得到廣泛的應(yīng)用。
其他
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(kāi)發(fā)出了一種用于平板玻璃的激光焊接新技術(shù)。

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