激光焊接是一種現(xiàn)代的焊接方法，是利用激光的輻射能量來實現(xiàn)有效焊接的工藝。其工作原理是：通過特定的方式來激勵激光活性介質(zhì)(如 CO2和其他氣體的混合氣體、YAG鋁石榴石品體等)，使其在諧振腔中往復(fù)振蕩，從而形成受激輻射光束，當光束與工件接觸時，其能量被工件吸收，在溫度達到材料熔點時便可進行焊接"
激光焊接特點是被焊接工件變形極小、能量密度高、精確控制、穿透能力強、焊縫的深寬比高、熱輸入量低、熱影響區(qū)小、焊接質(zhì)量比傳統(tǒng)焊接方法高、不受磁場的影響、不局限于導(dǎo)電材料、不需要真空的工作條件、焊接過程中不產(chǎn)生x射線等。
隨著制造部門把自動化技術(shù)應(yīng)用到焊接過程，激光和計算機控制的結(jié)合能夠更好更精確地控制焊接過程，從而提高產(chǎn)品質(zhì)量。因此，激光焊接過程監(jiān)測與質(zhì)量控制成為激光利用領(lǐng)域的重要內(nèi)容，包括利用電感、電容、聲波、光電等各種傳感器，通過電子計算機處理，針對不同焊接對象和要求，實現(xiàn)諸如焊縫跟蹤、缺陷檢測、焊縫質(zhì)量監(jiān)測等項目，通過反饋控制調(diào)節(jié)焊接工藝參數(shù)，從而實現(xiàn)自動化激光焊接。激光可以用于對碳鋼、低合金高強度鋼、不銹鋼、鋁合金和鈦合金等進行焊接。激光焊接還具有熔池凈化效應(yīng)，能純凈焊縫金屬，焊縫的機械性能相當于或優(yōu)于母材。基于激光焊接具有的諸多優(yōu)勢，它是二十一世紀先進的制造技術(shù)之一，受到世界各國的重視，廣泛的應(yīng)用于航空航天、汽車制造、電子輕工業(yè)等領(lǐng)域。
中國的激光焊接處于世界先進水平，具備了使用激光成形超過12平方米的復(fù)雜鈦合金構(gòu)件的技術(shù)和能力，并投入多個國產(chǎn)航空科研項目的原型和產(chǎn)品制造中，具有更廣泛的應(yīng)用前景。2013年10月，中國焊接專家獲得了焊接領(lǐng)域最高學(xué)術(shù)獎--布魯克獎，中國激光焊接水平得到了世界的肯定。
歷史沿革
誕生背景
激光焊接自1960年誕生以來，經(jīng)過50多年的發(fā)展，已成為成熟的焊接技術(shù)。1961年開始應(yīng)用于眼科治療，1965年用于厚膜組件引線焊接，1974年世界首臺五軸激光加工機——龍門式激光焊接機在福特建成，1979年氫激光焊接固定鼓膜皮瓣后，1982年莫斯科電工工藝展覽會上演示了一臺用激光焊接金項鏈的新型裝置。自1982年開始進行大功率 CO2激光狗半脾切除和脾破裂的 CO2激光焊接止血的動物實驗研究。1983年TMEIC公司生產(chǎn)了世界首條激光焊接生產(chǎn)線，自此公司積累了各種專利，包括操作方法和技術(shù)。1985年德國ThysenSteelCo.安裝了汽車組合件激光焊接系統(tǒng)，用于Audi車生產(chǎn)。1987年寶馬建立了激光焊接中心，用于車頂外殼與框架焊接。1994年德國Meyer船廠率先使用激光焊接制造sandwich夾心板，2001年底安裝調(diào)試完畢，投入生產(chǎn)使用。20世紀末起激光焊接和切割生產(chǎn)線已成為許多汽車制造商的車身生產(chǎn)和裝配手段，至2000年美國三大汽車公司的車身部件點焊生產(chǎn)線已被激光焊接生產(chǎn)線代替。
正式誕生
1965年前后，Nd: YAG和 CO2激光器相繼出現(xiàn)。70年代初，Nd: YAG主要用于微型件切割和電路板焊接；70年代中后期， CO2用于各種金屬材料的焊接；80年代后，性能進一步提高。Nd: YAG可連續(xù)或脈沖運轉(zhuǎn)，光纖傳輸能提高系統(tǒng)靈活性； CO2多采用快速軸流結(jié)構(gòu)，輸出功率已達幾千瓦以至上萬瓦。射頻激勵和微波激勵的 CO2激光器在激光焊接中也被廣泛應(yīng)用。激光焊接技術(shù)歷經(jīng)由脈沖波向連續(xù)波，由小功率向大功率，由單工件向多工件同時焊接發(fā)展，以及由簡單焊縫向復(fù)雜焊縫發(fā)展。新型激光器包括直流板條式激光器、二極管泵浦的Nd: YAG激光器、 CO2激光器、半導(dǎo)體激光器、準分子激光器。設(shè)備智能化的特點是一機多用、多工位加工和長光纖長度；工藝改進主要指束流的復(fù)合，主要是激光-電弧復(fù)合。激光-電弧復(fù)合可提高加工效率，提高焊接性差的材料焊接性，增加焊接穩(wěn)定性和可靠性。激光加絲焊通過與電弧的復(fù)合變得容易而可靠。
發(fā)展歷程
2002年，中國第一條激光拼焊板生產(chǎn)線運行，從德國引進。寶鋼股份阿賽洛、中國一汽寶友激光拼焊公司也相繼投產(chǎn)。2003年，國外實現(xiàn)了A318鋁合金下壁板結(jié)構(gòu)雙光束 CO2激光填絲焊和Nd: YAG激光填絲焊，代替?zhèn)鹘y(tǒng)鉚結(jié)構(gòu)減輕飛機機身重量的20%，節(jié)約了20%的成本。中國專家團隊將“雙光束激光焊接”技術(shù)引入到課題研究中，應(yīng)用到飛機制造中。2003年，華工激光工程有限責(zé)任公司研制出國內(nèi)首臺大型帶材在線式焊接成套設(shè)備，成為世界上第四家能夠生產(chǎn)此類設(shè)備的企業(yè)。2004年，華工激光法利萊項目獲得國家科學(xué)技術(shù)進步二等獎。2006年，中科院沈陽自動化研究所與日本石川島播磨重工株式會社進行國際合作，攻克激光拼焊若干個關(guān)鍵技術(shù)，開發(fā)出國內(nèi)第一套激光拼焊成套生產(chǎn)線。2013年，中國焊接專家獲得了焊接領(lǐng)域最高學(xué)術(shù)獎--布魯克獎。
技術(shù)原理
激光焊接本質(zhì)上是一個復(fù)雜的反應(yīng)過程，表現(xiàn)為熔化、吸收、汽化和反射，微觀上是量子過程。根據(jù)焊接的機理分為熱傳導(dǎo)焊接和激光深熔焊。熱傳導(dǎo)焊接是當激光輻射到焊接材料上時，材料吸收光能轉(zhuǎn)化為熱能，表面熱量傳遞到材料深處使工件熔化，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(zhuǎn)化為熱能，被加熱到汽化產(chǎn)生金屬蒸汽，產(chǎn)生的反作用力使熔化的金屬液體流向四周并形成凹坑，隨著熱量的不斷產(chǎn)生，凹坑逐漸加深，停止激光照射后，周邊溶液回流、冷卻后將工件焊接在一起。
激光焊接的主要方式
熱傳導(dǎo)焊接
熱傳導(dǎo)焊接通過激光輻射加熱被焊金屬表面，表面熱量通過熱傳導(dǎo)作用向材料內(nèi)部擴散，通過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，直至將兩個待焊接的接觸面互熔并焊接在一起熱傳導(dǎo)焊接應(yīng)用于焊接微、小型材料和薄壁材料的精密焊接中，電池激光封焊機、首飾焊接機等都是常見的熱傳導(dǎo)焊接設(shè)備。
激光深熔焊接
高功率密度激光束照射到材料上加熱熔化以至氣化產(chǎn)生蒸氣壓，熔化金屬被排擠在光束周圍使照射處呈現(xiàn)一個凹坑，激光停止照射后，被排擠在凹坑周圍的熔化金屬重新流回到凹坑凝固后將工件焊接在一起，這種焊接方法稱為深熔焊接。激光深熔焊接應(yīng)用于厚大材料高速焊接中，以多功能激光加工機的形式出現(xiàn)。
激光釬焊
利用激光作為熱源熔化焊接料，熔化的焊接釬料冷卻后將工件連接起來，這種焊接方法稱為激光釬焊。激光釬焊有軟釬焊與硬釬焊兩種方式，其中軟釬焊主要用于焊接強度較低的材料，如焊接印刷電路板的片狀元件，硬釬焊主要用于焊接強度較高的材料。
相關(guān)設(shè)備
以上參考
主要特點
激光焊接的優(yōu)點
隨著激光焊接技術(shù)日益成熟，其應(yīng)用范圍也越來越廣。就最具代表性的汽車行業(yè)而言，汽車車身的遠程激光焊接、汽車零部件的激光一電弧復(fù)合焊接、激光釬焊等已經(jīng)正在替代傳統(tǒng)的焊接技術(shù)。激光焊接技術(shù)的廣泛應(yīng)用，是因為激光焊接與電弧焊、電阻焊等這些的焊接熱源相比較具有很多優(yōu)良特性。
激光束能夠?qū)崿F(xiàn)高熔點材料的焊接
各種類型激光的能量密度如圖所示，其中Nd: YAG激光的能量密度最高，為14-16kW／mm2，半導(dǎo)體激光光為32kW/mm2,碟片激光為96kW/mm2,光纖激光為159kW/mm,激光的能量密度遠高于電弧和等離子弧熱源的能量密度。另外，額定功率300W單模的FBL激光能達到4718kW/mm2的超高能量密度，在如此高的能量密度下,可以想象完全改變了以往加工特性的理念。
各種焊接方法的結(jié)合速度Vj(焊接速度v×熔深t）。10 kW的光纖激光接合速度相當于60 kW的電子束焊接的接合速度，達到了極高加工能力水平。這是因為光纖激光的光束質(zhì)量好而使焦點處的光束直徑比電子束直徑還小。可以預(yù)見在未來的焊接領(lǐng)域，將會進一步擴大激光焊接的應(yīng)用范圍。
激光可以用光纖傳導(dǎo)，容易實現(xiàn)自動化
除 CO2激光外，Nd: YAG激光、光纖激光、半導(dǎo)體激光、碟片激光等都是可以用光纖傳導(dǎo)。采用光纖傳導(dǎo)激光束的特點是：在傳送的過程中激光的能量損失很小，并能傳送到很遠的地方。所以在加丁時，可以將激光器放置于與焊接丁位有一定距離的場所，容易實現(xiàn)焊接的自動化和柔性加工。與電弧焊和電阻焊相比較，更易于控制、實現(xiàn)自動化以及應(yīng)用于自動生產(chǎn)線中。
熱輸入小、冷卻速度和凝固速度快
激光焊接熱輸入小、冷卻速度和凝固速度快，焊接熱影響區(qū)小，顯微組織微細化。應(yīng)用300 W單模光纖激光器焊接板厚150μm的不銹鋼，焊縫寬度極窄且成形美觀。高功率光纖激光焊接在不銹鋼高速軌道機車車輛上的應(yīng)用，以及激光與電弧復(fù)合焊接在輪船甲板和轎車框架上的應(yīng)用，展示了其巨大的潛力。激光焊接在飛機制造業(yè)、能源電力設(shè)備制造業(yè)、石油化工設(shè)備，制造業(yè)、航天航空制造業(yè)等行業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用也越來越廣泛。
激光焊接的缺點
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.焊件需使用夾具時，必須確保焊件的最終位置需與激光束將沖擊的焊點對準。
3.最大可焊厚度受滲透厚度限制，且滲透厚度遠超過19mm的工件，生產(chǎn)線上不適合使用激光焊。
4.高反射性及高導(dǎo)熱性材料如鋁、銅及其合金等，焊接性受激光波長影響較大,較難實現(xiàn)熱導(dǎo)焊。
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(qū)除，以確保焊道的再出現(xiàn)。CO2深熔焊時，熔池上方的等離子體需用惰性氣體吹除，以消除其對激光的吸收和屏蔽，保證焊接過程穩(wěn)定。
6. CO2激光能量轉(zhuǎn)換效率較低，目前只能達到30%~40%。
7.焊道快速凝固，可能有氣孔及脆化的危險。
8.設(shè)備昂貴。
為了消除或減少激光焊的缺陷，更好地應(yīng)用這一先進的焊接方法，工程中常采用激光與其他熱源復(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。
激光焊接的工藝參數(shù)
現(xiàn)在激光焊接在各領(lǐng)域中得到了廣泛的運用，因為焊接質(zhì)量出現(xiàn)問題造成的危害是十分嚴重的，故正確控制和設(shè)定影響焊接質(zhì)量的工藝參數(shù)，使其在激光焊接過程中控制在良好的范圍內(nèi)，對保證焊接質(zhì)量有著重要的意義。現(xiàn)實生產(chǎn)中激光焊接的工藝參數(shù)如下
焊接速度
焊接速度低會使焊接材料過度熔化，從而導(dǎo)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(xiàn)實生產(chǎn)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。
離焦量
按幾何光學(xué)理論，當正負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。離焦量是激光焊接的重要參數(shù)，因為離焦量改變了能量密度和光斑直徑。焦平面位于工件上方為正離焦，反之為負離焦。負離焦時，材料內(nèi)部功率密度比表面還高，易形成更強的熔化、汽化，使光能向材料更深處傳遞，因此可獲得更大的熔深，這與熔池的形成過程有關(guān)。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。
激光脈沖寬度
激光脈寬由熱影響區(qū)和熔深確定，它區(qū)別于材料熔化和材料去除，決定加工設(shè)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。
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(tài)時，反射率穩(wěn)定在一定數(shù)值上。
功率密度
單位面積內(nèi)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(yīng)用。低功率密度易形成良好的熔融焊接，在傳導(dǎo)型激光焊接中，其數(shù)值控制在104～105 W／cm2。
應(yīng)用領(lǐng)域
制造業(yè)應(yīng)用
現(xiàn)如今，在國內(nèi)外的汽車制造中激光焊接技術(shù)都應(yīng)用得比較廣泛，全球利用該項技術(shù)的生產(chǎn)線眾多，且呈逐漸上漲趨勢。據(jù)有關(guān)調(diào)查研究顯示，在20世紀80年代，德國、日本等一些國家的汽車制造企業(yè)就應(yīng)用了激光焊接技術(shù)，推動了制造業(yè)的發(fā)展。激光焊接技術(shù)在汽車制造領(lǐng)域中的應(yīng)用包括對不等厚板的焊接、汽車零部件焊接等幾類。
粉末冶金領(lǐng)域
隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，對于大多數(shù)的工業(yè)制造來說，對材料的要求都很高，以往的冶煉生產(chǎn)出的材料無法適應(yīng)行業(yè)需求。而粉末冶金材料性能好等方面的優(yōu)勢，在慢慢取代冶鑄材料，但同時也出現(xiàn)了和其它構(gòu)件連接方面的問題。而激光焊接技術(shù)的應(yīng)用有效解決了這一問題，為冶金材料的使用開辟了新路徑。如：在粉末冶金材料連接過程中用釬焊方式對金剛石進行焊接，因熔合強度比較低，釬料在受熱的情況下會脫落，而通過激光焊接就能夠提升焊接強度。
電子工業(yè)
在電子工業(yè)中激光焊接技術(shù)也得到了普遍應(yīng)用，尤其是在微電子工業(yè)中運用更多。因激光焊接熱影響范圍很小，加熱快，所以，在封裝集成電路殼體中其優(yōu)勢非常突出。同時，在真空器件生產(chǎn)中，激光焊接也被高效使用，達到提高了焊接的效果。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。
生物醫(yī)學(xué)
從生物醫(yī)學(xué)的角度看，關(guān)于激光焊接應(yīng)用的研究集中在功能恢復(fù)等層面。據(jù)有關(guān)實踐表明，激光焊接與以往的縫合方式進行比較，它的縫合速度更快，期間也未發(fā)生異物反應(yīng)，被修復(fù)組織也能夠正常生長。
標準規(guī)范
IS0／IEC激光標準
IS0(國際標準化組織)和IEC(國際電工委員會)分別是國際上兩個資深的標準化組織。IS0和IEC兩個與標準化相關(guān)的組織，目前均針對激光焊接技術(shù)成立了相關(guān)的委員會并制定了相應(yīng)的標準。國際標準化組織針對焊接技術(shù)工藝以及光學(xué)技術(shù)成立了TC44進而TCl72委員會：TC44委員會主要研究激光切割和焊接應(yīng)用相關(guān)的標準化工作，包含了相關(guān)的術(shù)語定義、設(shè)備的標準要求以及切割和焊接過程中的具體操作方法；TCl72委員會則主要負責(zé)激光發(fā)射器等設(shè)備的標準化工作，包括了相關(guān)的術(shù)語定義、設(shè)備的制作標準以及設(shè)備的實驗流程。兩個委員會共同合作制定出激光焊接技術(shù)的應(yīng)用標準。國際電工委員會在通過下設(shè)TCI72委員會，研究并制定出了與激光設(shè)備安全應(yīng)用和管理的標準，主要包括了對產(chǎn)品以及操作流程的規(guī)范化管理。
中國激光標準
中國標準化體系根據(jù)激光焊接技術(shù)應(yīng)用類型劃分，包括通用激光標準和專用激光標準。通用激光標準制定由TC103和TC284負責(zé)；專用激光標準由全國焊接標準化體系委員會(TC55)負責(zé)。與國際現(xiàn)行標準化體系相比，中國在分工形式上與之相似，但中國標準制定分工更注重焊接技術(shù)基礎(chǔ)和背景。中國激光焊接標準化體系包括通用基礎(chǔ)、安全管理、產(chǎn)品制作和操作方法等標準，其中通用基礎(chǔ)包含激光術(shù)語、命名規(guī)則和符號制定；安全管理包含激光設(shè)備使用安全、防輻射方法和安全標志制定；產(chǎn)品制作包含激光器、加工機器人標準和參數(shù)制定；操作方法包含各類參數(shù)測試方法和儀器測試標準。
歐美國家激光標準
歐洲激光領(lǐng)域標準由由CEN(歐洲標準化委員會)制定，包括TCI21負責(zé)激光焊接切割操作流程，TCL科技23委員會則主要負責(zé)相關(guān)設(shè)備儀器的標準制定。CEN在委員會制上與IS0／IEC存在差異，但在具體標準化體系上較為對應(yīng)、標準一致。例如，CEN的12626：1997號標準與11553：1996號國際標準對應(yīng)。
美國家激光標準
美國相較于其他國家在激光技術(shù)的使用以及標準化制定上起步較早。負責(zé)美國激光焊接技術(shù)標準的主要是焊接學(xué)會(AWS)和激光學(xué)會(LIA)。同時，為了保證焊接學(xué)會和激光學(xué)會在制定標準化體系方面的完善性，其制定的標準需要交由國家標準學(xué)會審核通過后實施。
發(fā)展趨勢
激光焊接是在傳統(tǒng)焊接技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，其與傳統(tǒng)的焊接技術(shù)相比,其優(yōu)勢在與它的應(yīng)用范圍更為廣泛,能夠最大限度的提高焊接的質(zhì)量和精度。同時,它的功率密度比較高，可以快速釋放能量。加之它的聚焦點很小，可以保證材料縫合效果不會讓材料受損、變形。因而焊接結(jié)束后不必做后續(xù)處理，其本身就適用于高興技術(shù)行業(yè)，在未來隨著科技的進一步發(fā)展，人們對該項技術(shù)的深入了解，必然會在越來越多的領(lǐng)域得到應(yīng)用。
參考資料 >
中國高能束焊掌門人獲頒焊接領(lǐng)域的最高學(xué)術(shù)獎.搜狐網(wǎng).2024-02-08
中國激光拼焊的那些事:收購與自主研發(fā).維科網(wǎng).2024-02-08