激光焊接技術的特點介紹

點擊次數：2686 更新時間：2014-09-22

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內部擴散，通過控制激光脈沖的寬度、能量、峰值功率和重復頻率等參數，使工件熔化，形成特定的熔池。由于其*的優點，已成功應用于微、小型零件的精密焊接中。
技術原理
激光焊接可以采用連續或脈沖激光束加以實現，激光焊接的原理可分為熱傳導型焊接和激光深熔焊接。功率密度小于104~105 W/cm2為熱傳導焊，此時熔深淺、焊接速度慢；功率密度大于105~107 W/cm2時，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。
其中熱傳導型激光焊接原理為：激光輻射加熱待加工表面，表面熱量通過熱傳導向內部擴散，通過控制激光脈沖的寬度、能量、峰功率和重復頻率等激光參數，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主要涉及激光深熔焊接。
激光深熔焊接一般采用連續激光光束完成材料的連接，其冶金物理過程與電子束焊接極為相似，即能量轉換機制是通過“小孔”（Key-hole）結構來完成的。在足夠高的功率密度激光照射下，材料產生蒸發并形成小孔。這個充滿蒸氣的小孔猶如一個黑體，幾乎吸收全部的入射光束能量，孔腔內平衡溫度達2500 0C左右，熱量從這個高溫孔腔外壁傳遞出來，使包圍著這個孔腔四周的金屬熔化。小孔內充滿在光束照射下壁體材料連續蒸發產生的高溫蒸汽，小孔四壁包圍著熔融金屬，液態金屬四周包圍著固體材料（而在大多數常規焊接過程和激光傳導焊接中，能量首先沉積于工件表面，然后靠傳遞輸送到內部）。孔壁外液體流動和壁層表面張力與孔腔內連續產生的蒸汽壓力相持并保持著動態平衡。光束不斷進入小孔，小孔外的材料在連續流動，隨著光束移動，小孔始終處于流動的穩定狀態。就是說，小孔和圍著孔壁的熔融金屬隨著前導光束前進速度向前移動，熔融金屬充填著小孔移開后留下的空隙并隨之冷凝，焊縫于是形成。上述過程的所有這一切發生得如此快，使焊接速度很容易達到每分鐘數米。

工作設備
由光學震蕩器及放在震蕩器空穴兩端鏡間的介質所組成。介質受到激發至高能量狀態時，開始產生同相位光波且在兩端鏡間來回反射，形成光電的串結效應，將光波放大，并獲得足夠能量而開始發射出激光。
激光亦可解釋成將電能、化學能、熱能、光能或核能等原始能源轉換成某些特定光頻（紫外光、可見光或紅外光）的電磁輻射束的一種設備。轉換形態在某些固態、液態或氣態介質中很容易進行。當這些介質以原子或分子形態被激發，便產生相位幾乎相同且近乎單一波長的光束-激光。由于具同相位及單一波長，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長。

工藝參數
(1)功率密度。功率密度是激光加工中zui關鍵的參數之一。采用較高的功率密度，在微秒時間范圍內，表層即可加熱至沸點，產生大量汽化。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歷數毫秒，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重要問題，尤其對于薄片焊接為重要。當高強度激光束射至材料表面，金屬表面將會有60~98%的激光能量反射而損失掉，且反射率隨表面溫度變化。在一個激光脈沖作用期間內，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，它既是區別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焦量，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部分汽化，形成高壓蒸汽，并以*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，材料內部功率密度比表面還高，易形成強的熔化、汽化，使光能向材料深處傳遞。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。
(5)焊接速度。焊接速度的快慢會影響單位時間內的熱輸入量，焊接速度過慢，則熱輸入量過大，導致工件燒穿，焊接速度過快，則熱輸入量過小，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元件（如鏡子）導引，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，作業過程不需加壓，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復合焊，實現大熔深焊接，同時熱輸入量比MIG焊大為減小。

優缺點
優點
（1）可將入熱量降到zui低的需要量，熱影響區金相變化范圍小，且因熱傳導所導致的變形亦zui低；
（2）32mm板厚單道焊接的焊接工藝參數業經檢定合格，可降低厚板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，機具的耗損及變形皆可降至zui低；
（4）激光束易于聚焦、對準及受光學儀器所導引，可放置在離工件適當之距離，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（經抽真空或內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）可焊材質種類范圍大，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）可以切換裝置將激光束傳送至多個工作站。
缺點
（1）焊件位置需，務必在激光束的聚焦范圍內；
（2）焊件需使用夾治具時，必須確保焊件的zui終位置需與激光束將沖擊的焊點對準；
（3）zui大可焊厚度受到限制滲透厚度遠超過19mm的工件，生產線上不適合使用激光焊接；
（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將熔池周圍的離子化氣體驅除，以確保焊道的再出現；
（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。
為了消除或減少激光焊接的缺陷,好地應用這一的焊接方法,提出了一些用其它熱源與激光進行復合焊接的工藝,主要有激光與電弧、激光與等離子弧、激光與感應熱源復合焊接、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。

應用領域
制造業
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年范圍內剪裁坯板激光拼焊生產線超過100條，年產轎車構件拼焊坯板7000萬件，并繼續以較高速度增長。國內生產的引進車型Passat，Buick，Audi等也采用了一些剪裁坯板結構。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，在超薄板焊接的研究，如板厚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。日本還在世界上成功開發了將YAG激光焊用于核反應堆中蒸氣發生器細管的維修等，在國內蘇寶蓉等還進行了齒輪的激光焊接技術。
粉末冶金
隨著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，隨著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*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釬焊的方法焊接金剛石，由于結合強度低，熱影響區寬特別是不能適應高溫及強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度以及耐高溫性能。
汽車工業
20世紀80年代后期，千瓦級激光成功應用于工業生產，而今激光焊接生產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、大眾、瑞典的沃爾沃等歐洲的汽車制造廠早在20世紀80年代就采用激光焊接車頂、車身、側框等鈑金焊接，90年代美國通用、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，但發展很快。意大利菲亞特在大多數鋼板組件的焊接裝配中采用了激光焊接，日本的日產、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將達到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余屬有助于消除熱裂紋，提高焊接速度，解決公差問題，開發的生產線已在奔馳公司的工廠投入生產。
電子工業
激光焊接在電子工業中，特別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*的*性，在真空器件研制中，激光焊接也得到了應用，如鉬聚焦極與不銹鋼支持環、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。
近年來激光焊接又逐漸應用到印制電路板的裝聯過程中。隨著電路的集成度越來越高，零件尺寸越來越小，引腳間距也變得小，以往的工具已經很難在細小的空間操作。激光由于不需要接觸到零件即可實現焊接，很好的解決了這個問題，受到電路板制造商的重視。
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*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。有關激光焊接神經方面國內外的研究主要集中在激光波長、劑量及其對功能恢復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，被修復組織按其原生物力學性狀生長等優點將在以后的生物醫學中得到廣泛的應用。
其他
在其他行業中，激光焊接也逐漸增加特別是在特種材料焊接中國內進行了許多研究，如對BT20鈦合金、HEl30合金、Li-ion電池等激光焊接，德國玻璃機械制造商GlamacoCoswig公司與IFW接合技術與材料實驗研究院合作開發出了一種用于平板玻璃的激光焊接新技術。