[科普中國(guó)]-激光焊

激光焊是一種以聚焦的激光束作為能源轟擊焊件所產(chǎn)生的熱量進(jìn)行焊接的方法。由于激光具有折射、聚焦等光學(xué)性質(zhì)，使得激光焊非常適合于微型零件和可達(dá)性很差的部位的焊接。激光焊還有熱輸入低，焊接變形小，不受電磁場(chǎng)影響等特點(diǎn)。

由于目前激光器價(jià)格昂貴、電光轉(zhuǎn)換效率較低等原因，激光焊尚未廣泛應(yīng)用。

定義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。由于其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，已成功應(yīng)用于微、小型零件的精密焊接中。1

分類(lèi)一，按控制方式可分：手動(dòng)式激光焊接機(jī)，自動(dòng)激光焊接機(jī)，振鏡式激光焊接機(jī)

二，按激光器可分：YAG激光焊接機(jī)，半導(dǎo)體激光焊接機(jī)，光纖激光焊接。

激光焊接有兩種基本模式：激光熱導(dǎo)焊和激光深熔焊，前者所用激光功率密度較低（105～106W/cm2），工件吸收激光后，僅達(dá)到表面熔化，然后依靠熱傳導(dǎo)向工件內(nèi)部傳遞熱量形成熔池。這種焊接模式熔深淺，深寬比較小。后者激光功率密度高（106～107W/cm2），工件吸收激光后迅速熔化乃至氣化，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，直至小孔內(nèi)的蒸氣壓力與液體金屬的表面張力和重力平衡為止。小孔隨著激光束沿焊接方向移動(dòng)時(shí)，小孔前方熔化的金屬繞過(guò)小孔流向后方，凝固后形成焊縫。這種焊接模式熔深大，深寬比也大。在機(jī)械制造領(lǐng)域，除了那些微薄零件之外，一般應(yīng)選用深熔焊。

深熔焊過(guò)程產(chǎn)生的金屬蒸氣和保護(hù)氣體，在激光作用下發(fā)生電離，從而在小孔內(nèi)部和上方形成等離子體。等離子體對(duì)激光有吸收、折射和散射作用，因此一般來(lái)說(shuō)熔池上方的等離子體會(huì)削弱到達(dá)工件的激光能量。并影響光束的聚焦效果、對(duì)焊接不利。通常可輔加側(cè)吹氣驅(qū)除或削弱等離子體。小孔的形成和等離子體效應(yīng)，使焊接過(guò)程中伴隨著具有特征的聲、光和電荷產(chǎn)生，研究它們與焊接規(guī)范及焊縫質(zhì)量之間的關(guān)系，和利用這些特征信號(hào)對(duì)激光焊接過(guò)程及質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)控，具有十分重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值。2

優(yōu)缺點(diǎn)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?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。2

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?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。2

應(yīng)用激光焊接在工業(yè)中的應(yīng)用情況

（1）激光焊接在國(guó)外汽車(chē)工業(yè)中的應(yīng)用
1） 白車(chē)身激光焊接
汽車(chē)工業(yè)中的在線激光焊接大量用在白車(chē)身沖壓零件的裝配和連接上。主要應(yīng)用包括車(chē)頂蓋激光焊、行李箱蓋激光釬焊及車(chē)架激光焊接。
另一項(xiàng)比較重要的車(chē)身激光焊接應(yīng)用，是車(chē)身結(jié)構(gòu)件（包括車(chē)門(mén)、車(chē)身側(cè)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(chē)身強(qiáng)度，并可解決一些部位難以實(shí)施常規(guī)電阻點(diǎn)焊的難題。
2） 不等厚激光拼焊板
車(chē)身制造采用不等厚激光拼焊板可減輕車(chē)身重量、減少零件數(shù)量、提高安全可靠性及降低成本。
3） 齒輪及傳動(dòng)部件焊接
20世紀(jì)80年代末，克萊斯勒公司的Kokomo分公司購(gòu)進(jìn)九臺(tái)6kWCO2激光器，用于齒輪激光焊接，生產(chǎn)能力提高40%。90年代初，美國(guó)三大汽車(chē)公司投入40多臺(tái)激光器用于傳動(dòng)部件焊接。奔馳公司經(jīng)研究利用激光焊接代替電子束焊接，因?yàn)榍罢吆缚p熱影響區(qū)小。美國(guó)福特汽車(chē)公司用4。7kWCO2激光器焊接車(chē)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(jué)系統(tǒng)的激光焊接機(jī)，將六根軸與鍛壓出來(lái)的齒輪焊在一起，成為轎車(chē)自動(dòng)變速器的齒輪架部件，生產(chǎn)率為200件/h。
（2） 光纖激光焊在造船及海洋工程方面的應(yīng)用
許多輪船都是先制造出許多獨(dú)立的局部組件結(jié)構(gòu)單元，再在水中的船臺(tái)上一個(gè)個(gè)進(jìn)行組裝。采用激光焊技術(shù)制造海洋建筑物局部組件非常合適，因?yàn)樗Y(jié)合了焊接切割自動(dòng)化技術(shù)與激光技術(shù)。與弧焊方法相比，采用該技術(shù)可以大大提高生產(chǎn)率。
造船中，采用光纖激光技術(shù)，可以無(wú)需進(jìn)行焊接邊緣預(yù)處理和焊前或焊后熱處理就能將部件焊接在一起。與弧焊相比，激光焊的焊接接頭窄，熱影響區(qū)小，而且沒(méi)有傳統(tǒng)弧焊方法中出現(xiàn)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(shí)現(xiàn)新的焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，這在以前是不可能實(shí)焊接接頭比弧焊焊接接頭更加經(jīng)濟(jì)， 質(zhì)量更好。
（3） 激光焊在飛機(jī)制造中的應(yīng)用
激光束焊具有能量密度高，熱影響區(qū)小，空間位置轉(zhuǎn)換靈活，可在大氣環(huán)境下焊接，焊接變形極小等優(yōu)點(diǎn)。它主要應(yīng)用于飛機(jī)大蒙皮的拼接以及蒙皮與長(zhǎng)桁的焊接，以保證氣動(dòng)面的外形公差。另外在機(jī)身附件的裝配中也大量使用了激光束焊接技術(shù)，如腹鰭和襟翼的翼盒，結(jié)構(gòu)不再是應(yīng)用內(nèi)肋條骨架支撐結(jié)構(gòu)和外加蒙皮完成，而是應(yīng)用了先進(jìn)的鈑金成形技術(shù)后，采閑激光焊接技術(shù)在三維空間完成焊接拼合，不僅產(chǎn)品質(zhì)量好，生產(chǎn)效率高，而且工藝再現(xiàn)性好，減重效果明顯。
激光焊也多見(jiàn)于薄壁零件的制造中，如進(jìn)氣道、波紋管、輸油管道、變截面導(dǎo)管和異型封閉件。這些零件的傳統(tǒng)焊接方法多采用微弧等離子弧焊，或者是小電流鎢極氬弧焊。隨著鈦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(shù)，仍然由于薄壁材料引起的焊接變形超出公差范圍和焊接缺陷的無(wú)法修復(fù)等原因，導(dǎo)致傳統(tǒng)焊接工藝面臨淘汰的命運(yùn)。激光束焊接配以局部保護(hù)措施，非常適合焊接薄壁鈦合金殼體零件。
（4）復(fù)合激光焊的應(yīng)用
復(fù)合激光焊技術(shù)結(jié)合了激光焊和傳統(tǒng)氣體保護(hù)焊（GMAW）兩者的優(yōu)點(diǎn)，激光焊能在較小的熱輸入量和小的焊接熱影響區(qū)（HAZ）情況下獲得較大的熔深；所附加的氣保焊（GMAW）可以大大擴(kuò)展接頭根部間隙的大小，改善表面狀態(tài)和雜質(zhì)的允許量；提高根部間隙填充和成形質(zhì)量以及加強(qiáng)對(duì)焊接冶金的控制。
（5） 激光焊在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用
激光焊是用激光來(lái)加熱， 所以它可以穿透透明介質(zhì)， 能夠焊到透明介質(zhì)容器的里邊去。這是其他焊接方法難以做到的。這種方法也被利用到醫(yī)學(xué)里邊，比方講我們有些患者視網(wǎng)膜脫落，視網(wǎng)膜是在眼球的后面，視網(wǎng)膜脫落以后眼睛就會(huì)失明。利用激光的辦法，透過(guò)眼球焊到眼球后面，把這個(gè)視網(wǎng)膜和眼球焊起來(lái)。這個(gè)已經(jīng)是很成功的手術(shù)了。2

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

何星 - 副教授 - 上海交通大學(xué)