激光焊接的特點與優(yōu)缺點

首先，什么是激光？世界上的第一個激光束于1960年利用閃光燈泡激發(fā)紅寶石晶粒所產(chǎn)生，因受限于晶體的熱容量，只能產(chǎn)生很短暫的脈沖光束且頻率很低。雖然瞬間脈沖峰值能量可高達(dá)106瓦，但仍屬于低能量輸出。

首先，什么是激光？世界上的第一個激光束于1960年利用閃光燈泡激發(fā)紅寶石晶粒所產(chǎn)生，因受限于晶體的熱容量，只能產(chǎn)生很短暫的脈沖光束且頻率很低。雖然瞬間脈沖峰值能量可高達(dá)106瓦，但仍屬于低能量輸出。

激光焊接的優(yōu)勢：

（1）可將入熱量降到低的需要量，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(jī)具的耗損及變形接可降至低。

（4）激光束易于聚焦、對準(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，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），能精確的對準(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工作站。

激光焊接的優(yōu)缺點：

（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，必須確保焊件的終位置需與激光束將沖擊的焊點對準(zhǔn)。

（3）可焊厚度受到限制滲透厚度遠(yuǎn)超過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，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。

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。

(1)功率密度

功率密度是激光加工中關(guān)鍵的參數(shù)之一。采用較高的功率密度，在微秒時間范圍內(nèi)，表層即可加熱至沸點，產(chǎn)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(dá)到沸點需要經(jīng)歷數(shù)毫秒，在表層汽化前，底層達(dá)到熔點，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重要問題，尤其對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(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)備造價及體積的關(guān)鍵參數(shù)。

(4)離焦量對焊接質(zhì)量的影響

激光焊接通常需要一定的離做文章一，因為激光焦點處光斑中心的功率密度過高，容易蒸發(fā)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(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，所對應(yīng)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(fù)離焦時，可獲得更大的熔深，這與熔池的形成過程有關(guān)。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(xiàn)問分汽化，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，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(dāng)負(fù)離焦時，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。所以在實際應(yīng)用中，當(dāng)要求熔深較大時，采用負(fù)離焦；焊接薄材料時，宜用正離焦。

激光焊接的應(yīng)用

激光焊接機(jī)技術(shù)廣泛被應(yīng)運在汽車、輪船、飛機(jī)、高鐵等高精制造領(lǐng)域，給人們的生活質(zhì)量帶來了重大提升，更是引領(lǐng)家電行業(yè)進(jìn)入了精工時代。

特別是在大眾汽車創(chuàng)造的42米無縫焊接技術(shù)，大大提高了車身整體性和穩(wěn)定性之后，家電領(lǐng)頭企業(yè)海爾集團(tuán)隆重推出首款采用激光無縫焊接技術(shù)生產(chǎn)的洗衣 機(jī)，該家電為人民珍視了科技的進(jìn)步，先進(jìn)的激光技術(shù)可以為人民的生活帶來巨大的改變。隨著洗衣機(jī)全球品牌地位的不斷鞏固，其對行業(yè)的引領(lǐng)開始全面展現(xiàn)，然 而有激光焊接機(jī)技術(shù)的支持，也將對家電行業(yè)有一個更深的改革。據(jù)海爾研發(fā)人員介紹，市場上的全自動洗衣機(jī)內(nèi)桶的制造技術(shù)大多采用“扣搭”技術(shù)，內(nèi)桶的銜 接處會存在縫隙或不平整，導(dǎo)致桶體強(qiáng)度不高、對衣物產(chǎn)生不必要磨損。為了進(jìn)一步提高內(nèi)桶的可靠性和精細(xì)化，海爾洗衣機(jī)以汽車、造船行業(yè)為參照母本，將激光 無縫焊接技術(shù)應(yīng)用在勻動力洗衣機(jī)新品上，避免了內(nèi)桶縫隙和不平整的產(chǎn)生，在全面提高了產(chǎn)品的可靠性的同時更加呵護(hù)衣物。由于內(nèi)桶的強(qiáng)度的提高，勻動力洗衣 機(jī)脫水過程中高轉(zhuǎn)速比普通全自動洗衣機(jī)也提高了25%，脫水效率大幅提升，并且耗電少、用時省。

此外，還了解到，中德造船業(yè)合作研發(fā)的“高功率激光焊接機(jī)技術(shù)”，保證了輪船的安全性，進(jìn)一步加強(qiáng)了船身結(jié)構(gòu)；在航空領(lǐng)域，激光無縫焊接技術(shù)也已廣泛 應(yīng)用于飛機(jī)發(fā)動機(jī)的制造上，同時，鋁合金機(jī)身的激光無縫焊接技術(shù)可以取代鉚釘，從而減輕了20%的機(jī)身重量；我國的高鐵軌道也引進(jìn)了激光無縫焊接技術(shù)，在 提高安全性能同時，也大大降低了噪音，為旅客帶來安靜舒心的乘車環(huán)境。

隨著科技的全面發(fā)展，激光焊接機(jī)技術(shù)的不斷鞏固與應(yīng)用，也帶領(lǐng)全球的家電產(chǎn)業(yè)步入了一個新時代，新的工藝不僅是產(chǎn)品的升級，也是更多科技的展示和應(yīng)用。

1、制造業(yè)應(yīng)用

激光拼焊(TailoredBlandLaserWelding)技術(shù)在國外轎車制造中得到廣泛的應(yīng)用，據(jù)統(tǒng)計，2000年全球范圍內(nèi)剪裁坯板激光拼焊生產(chǎn)線超過100條，年產(chǎn)轎車構(gòu)件拼焊坯板7000萬件，并繼續(xù)以較高速度增長。國內(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(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，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，激光焊以其獨特的優(yōu)點進(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越多，根據(jù)美國金屬市場統(tǒng)計，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、自動化程度高的特點，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Sandia國家實驗室與PrattWitney聯(lián)合進(jìn)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(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，Kl

ink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(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)方面國內(nèi)外的研究主要集中在激光波長、劑量及其對功能恢復(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，愈合過程中沒有異物反應(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)性狀生長等優(yōu)點將在以后的生物醫(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內(nèi)進(jìn)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(jī)械制造商GlamacoCoswig公司與IFW接合技術(shù)與材料實驗研究院合作開發(fā)出了一種用于平板玻璃的激光焊接新技術(shù)。

混合焊接優(yōu)勢

激光混合焊接技術(shù)具有顯著的優(yōu)點。對于激光混合，優(yōu)點主要體現(xiàn)在：更大的熔深/較大縫隙的焊接能力；焊縫的韌性更好，通過添加輔助材料可對焊縫晶格組織施加影響；無燒穿時焊縫背面下垂的現(xiàn)象；適用范圍更廣；借助于激光替換技術(shù)投資較少。對于激光MIG惰性氣體保護(hù)焊混合，優(yōu)點主要體現(xiàn)在：較高的焊接速度；熔焊深度大；產(chǎn)生的焊接熱少；焊縫的強(qiáng)度高；焊縫寬度??；焊縫凸出小。從而使得整個系統(tǒng)的生產(chǎn)過程穩(wěn)定性好，設(shè)備可用性好；焊縫準(zhǔn)備工作量和焊接后焊縫處理工作量??；焊接生產(chǎn)工時短、費用低、生產(chǎn)效率高；具有很好的光學(xué)設(shè)備配置性能。

但是，激光混合焊接在電源設(shè)備方面的投資成本相對較高。隨著市場的進(jìn)一步擴(kuò)大，電源設(shè)備的價格也將會有所下降，并將使激光混合焊接技術(shù)在更多的領(lǐng)域中得到應(yīng)用。至少激光混合焊接技術(shù)在鋁合金材料的焊接中是一種非常合適的焊接工藝，將在較長的時期內(nèi)成為主要的焊接生產(chǎn)工具。