激光焊接技術

許亞麗

DOI：10.16660/j.cnki.1674-098X.2016.22.059

摘 要：激光是20世紀以來，繼計算機、原子能、半導體之后，人類的又一重大發明。由于其用于焊接技術中具有被焊件變形極小、熱影響區小、焊接深度/寬度比高、不局限于導電材料、不受磁場的影響、焊接過程中不產生X射線并且不需要真空的工作條件等特點，目前在很多的制造領域得到廣泛應用。以美國、日本和歐盟為首的發達國家非常重視激光焊接技術的應用和發展，并將其列入國家的發展計劃。該文對激光焊接技術的工作原理、工藝參數、特性特點和在現代工業中的應用等方面進行了綜述，研究表明它既是高質量、低成本生產不可或缺的技術手段，又是新產品研發的技術保證。

關鍵詞：激光焊接 工作原理 工藝參數 特性特點 技術應用

中圖分類號：TG45 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）08（a）-0059-02

焊接技術是實現材料永久性連接的方法，被廣泛應用在機械制造、動力工程、建筑工程、車輛工程、石油化工和航空航天等領域，已成為制造業不可或缺的加工技術。目前常用的焊接方法有電弧焊接、電子束焊接、電阻焊接和釬焊等。但這些焊接方法在空間限制和對精細件的操作等方面都存在各自的缺點。激光束作為一種高能量密度的熱源，因其具有高精度、高能量密度和適應性強的特點，近些年在焊接領域得到了迅速的發展和運用，已逐漸成為傳統焊接技術的補充和發展，并正朝著高質量、低成本的方向發展，具有很大的發展前景和發展潛力。在未來，其在材料連接領域必將起到至關重要的作用。

1 激光焊接的原理

激光焊接本質上是非透明物質和激光相互作用的過程。整個過程是極其復雜的反應過程，宏觀上表現為熔化、吸收、汽化和反射，微觀上是一個量子過程。根據焊接的機理分為熱傳導焊接和激光深熔焊。熱傳導焊接是當激光輻射到焊接材料上時，一部分激光被焊接材料吸收并將光能轉化為熱能，表面熱量通過以熱傳遞的形式向材料深處傳遞使焊接工件熔化，最終將焊件熔接到一起。激光深熔焊是將功率密度較大的激光束輻射到焊接材料時，材料將吸收的光能轉化為熱能，并被加熱到汽化產生金屬蒸汽，在金屬蒸汽離開工件表面時產生的反作用力的作用下，熔化的金屬液體流向四周并形成凹坑，隨著熱量的不斷產生，凹坑逐漸加深，當停止激光的照射后，凹坑周邊溶液回流、冷卻后將工件焊接在一起。

2 激光焊接的工藝參數

現在激光焊接在各領域中得到了廣泛的運用，因為焊接質量出現問題造成的危害是十分嚴重的，故正確控制和設定影響焊接質量的工藝參數，使其在激光焊接過程中控制在良好的范圍內，對保證焊接質量有著重要的意義。現實生產中激光焊接的工藝參數如下。

（1）焊接速度：焊接速度低會使焊接材料過度熔化，從而導致工件焊穿，而焊接速度過快又會使焊接的熔深過淺。所以在現實生產中對特定材料的厚度和激光功率有一個合理的焊接速度范圍。

（2）離焦量：離焦量是激光焊接的重要參數，因為離焦量改變了能量密度和光斑直徑。當離焦量較小時，激光光斑直徑小、功率密度大，熔池有較快的擴展速度，而初始匙孔直徑減小；如果離焦量較大時，初始匙孔直徑增大，而熔池擴展速度減慢，焊點尺寸有可能減小。

（3）激光脈沖寬度：激光脈寬由熱影響區和熔深確定，它區別于材料熔化和材料去除，決定加工設備的體積和造價。實踐證明每種材料都有一個可使熔深達到最大的最佳脈沖寬度。

（4）激光脈沖波形：當焊接材料表面被高強度激光束輻射時，將會有60%～98%的能量反射而損失掉，且材料的反射率會隨時間而變化。當材料溫度在熔點時，反射率會下降，當材料在熔化狀態時，反射率穩定在一定數值上。

（5）功率密度：單位面積內激光功率稱為功率密度，它直接影響材料的升溫時間，激光功率越大，材料表面溫度升得就越快。高功率密度在切割、打孔等材料去除加工中得到廣泛的應用。低功率密度易形成良好的熔融焊接，在傳導型激光焊接中，其數值控制在104～105 W/cm2。

3 激光焊接的特點

（1）激光的能量釋放極其迅速，整個焊接過程在幾秒內完成。這提高了焊接生產效率，并有效減少了焊接材料的氧化量。激光焊接的能量密度高并且熱量比較集中，因此焊接熱影響區極小，非常適合熱敏感材料的焊接。

（2）用偏轉棱鏡或反射鏡可以將激光束在任何方向聚焦和反射，并可用光導纖維傳到難以接近的位置，所以可以應用到無法安置或難以接近的焊接地點。

（3）激光束聚焦后可獲得很小的光斑，并能精確定位，因此可以用于微小型工件的大批量自動化生產。

（4）激光束易實現光束的空間和時間分光，能進行多光束同時加工和多工位加工，因而為精密焊接提供了有力基礎。

（5）激光焊接在具有以上優點的同時，也存在要求焊件裝配精度高、要求光束位置不能顯著偏移、最大可焊厚度受到限制、能量轉換效率太低和設備投資較高的缺點。

4 激光焊接技術的應用

隨著對焊接技術的研究和工業激光器的研發，激光焊接技術在量產焊接行業得到廣泛的運用。國外發達國家激光焊接技術在航空工業、核能設備、汽車制造、塑料焊接、船舶制造和特種材料焊接等領域已達到與傳統相融合，成為一項成熟的焊接技術。例如德國的奔馳、奧迪、大眾，瑞典的沃爾沃等汽車制造商從20世紀80年代就在車身、車頂和側框等部位采用激光焊接技術。近期世界各大汽車制造商都把鎂合金在零部件利用的多少作為衡量其產品技術領先程度的標志，而鎂合金在焊接時容易形成熱脆性大、組織疏松的氧化膜，其焊接工藝更為復雜，所以近期激光焊接鎂合金成為研究的熱點。國內對激光焊接技術的研究主要在激光焊接特性分析、控制、檢測，深熔激光焊接模擬，水下激光焊接、激光堆焊、填絲激光焊、鋁合金激光焊和寬板激光拼焊等質量控制方面。隨著我國工業制造的發展，高效的加工技術將是未來工業發展的趨勢，而激光焊接技術與這一發展趨勢十分匹配。但是我國在激光焊接的應用缺少更多的數據支撐，有待進一步深入研究。

5 結語

激光焊接技術是集激光技術、焊接技術、材料技術、自動化技術、產品設計技術和機械制造技術為一體的綜合技術。作為一種新型的焊接技術由于具有很強的加工能力、很高的適應性以及更加先進的質量檢測手段，激光焊接技術在許多行業已經逐步取代了一些傳統的焊接技術。伴隨世界工藝和技術的不斷發展，激光作為非接觸柔性制造工具的特點必將體現得更加鮮明。激光焊接必然會成為綠色環保、便捷高效、節能降耗的先進制造技術，促進我國產品技術改造和工業領域的技術進步，滿足我國制造業的發展需要。

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