01激光焊接技術(shù)

激光焊接是激光加工技術(shù)應(yīng)用的重要方面之一。激光焊接是利用激光的輻射能量來實(shí)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(lì)激光活性介質(zhì)（如CO2和其他氣體的混合氣體、YAG釔鋁石榴石晶體等），使其在諧振腔中往復(fù)振蕩，從而形成受激輻射光束，當(dāng)光束與工件接觸時(shí)，其能量被工件吸收，在溫度達(dá)到材料熔點(diǎn)時(shí)便可進(jìn)行焊接。

02 激光焊接技術(shù)的重要參數(shù)

1、功率密度：

功率密度是激光加工中最關(guān)鍵的參數(shù)之一。采用較高的功率密度，在微秒時(shí)間范圍內(nèi)，表層即可加熱至沸點(diǎn)，產(chǎn)生大量汽化。因此，高功率密度對(duì)于材料去除加工，如打孔、切割、雕刻十分有利。對(duì)于較低功率密度，表層溫度達(dá)到沸點(diǎn)需要經(jīng)歷數(shù)毫秒，在表層汽化前，底層達(dá)到熔點(diǎn)，易形成良好的熔融焊接。

2、激光脈沖波形：

當(dāng)高強(qiáng)度激光束射至材料表面，金屬表面將會(huì)有60～98%的激光能量反射而損失掉，尤其是金、銀、銅、鋁、鈦等材料反射強(qiáng)、傳熱快。一個(gè)激光脈沖訊號(hào)過程中，金屬的反射率隨時(shí)間而變化。當(dāng)材料表面溫度升高到熔點(diǎn)時(shí)，反射率會(huì)迅速下降，當(dāng)表面處于熔化狀態(tài)時(shí)，反射穩(wěn)定于某一值。 

3、激光脈沖寬度：

脈寬是脈沖激光焊接的重要參數(shù)。脈寬由熔深與熱影響分區(qū)確定，脈寬越長熱影響區(qū)越大，熔深隨脈寬的1/2 次方增加。但脈沖寬度的增大會(huì)降低峰值功率，因此增加脈沖寬度一般用于熱傳導(dǎo)焊接方式，形成的焊縫尺寸寬而淺，尤其適合薄板和厚板的搭接焊。

但是，較低的峰值功率會(huì)導(dǎo)致多余的熱輸入，每種材料都有一個(gè)可使熔深達(dá)到最大的最佳脈沖寬度。

4、離焦量：

激光焊接通常需要一定的離焦量，因?yàn)榧す饨裹c(diǎn)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(diǎn)的各平面上，功率密度分布相對(duì)均勻。

5、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(shí)，所對(duì)應(yīng)平面上的功率密度近似相同，但實(shí)際上所獲得的熔池形狀有一定差異。負(fù)離焦時(shí)，可獲得更大的熔深，這與熔池的形成過程有關(guān)。

6、焊接速度：

焊接速度對(duì)熔深有較大的影響，提高速度會(huì)使熔深變淺，但速度過低又會(huì)導(dǎo)致材料過度熔化、工件焊穿。因此，對(duì)一定激光功率和一定厚度的特定材料有一個(gè)合適的焊接速度范圍，并在其中相應(yīng)速度值時(shí)可獲得最大熔深。

7、保護(hù)氣體：

激光焊接過程常使用惰性氣體來保護(hù)熔池，對(duì)大多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)合則常使用氦、氬、氮等氣體作保護(hù)。保護(hù)氣體的第二個(gè)作用是保護(hù)聚焦透鏡免受金屬蒸氣污染和液體熔滴的濺射，在高功率激光焊接時(shí)，噴出物非常有力，此時(shí)保護(hù)透鏡則更為必要。保護(hù)氣體的第三個(gè)作用是可以有效驅(qū)散高功率激光焊接產(chǎn)生的等離子屏蔽。金屬蒸氣吸收激光束電離成等等離子體，如果等離子體存在過多，激光束在某種程度上會(huì)被等離子體消耗掉。

03 激光焊接技術(shù)的獨(dú)特效應(yīng)

與傳統(tǒng)的焊接技術(shù)相比較而言具有四種獨(dú)特的效應(yīng)：

1、 焊縫凈化效應(yīng)

當(dāng)激光束照射到焊縫上時(shí)，由于材料中的氧化物等雜質(zhì)對(duì)激光的吸收率要比金屬對(duì)激光的吸收率高得多，因此，焊縫中的氧化物等雜質(zhì)被迅速加熱并汽化逸出，使焊縫中的雜質(zhì)含量大幅度減小。所以，激光焊接不但不會(huì)污染工件，反而能對(duì)材料起凈化作用。

2、光爆沖擊效應(yīng)

當(dāng)激光功率密度很高時(shí)，在強(qiáng)大的激光束的照射下，焊縫中的金屬急劇蒸發(fā)氣化。在高壓金屬蒸氣的作用下，熔池中的金屬熔液產(chǎn)生爆炸性飛濺，其強(qiáng)大的沖擊波向孔穴的深度方向傳播，形成細(xì)長的深孔。在激光不斷移動(dòng)焊接的過程中，周圍熔融金屬不斷地填充空穴，凝結(jié)成牢固的深熔焊縫。

3、深熔焊的小孔效應(yīng)

在功率密度高達(dá) 107W/cm2的激光束照射下，其能量輸入焊縫的速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于熱傳導(dǎo)、對(duì)流、輻射散失的速率，使激光照射區(qū)內(nèi)的金屬迅速汽化，在高壓蒸氣的作用下，在熔池中形成小的孔穴。這種孔穴猶如天文學(xué)中的黑洞一樣，可將光能全部吸收，激光束通過這種孔穴直射孔底，其孔穴的深度決定著熔化的深度。

4、熔池中孔穴側(cè)壁對(duì)激光的聚焦效應(yīng)

在激光照射下熔池中形成孔穴的過程中，由于入射到孔穴側(cè)壁的激光束的入射角通常較大，使入射激光束在孔穴側(cè)壁反射而傳向孔穴的底部，因而出現(xiàn)孔穴中的光束能量疊加的現(xiàn)象，可以有效地增加孔穴中的光束強(qiáng)度，這種現(xiàn)象稱為孔穴側(cè)壁聚焦效應(yīng)。激光之所以能用于焊接，都是基于上述作用的結(jié)果。

04 激光焊接技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)

激光焊接的獨(dú)特效應(yīng)使激光焊接具有如下優(yōu)點(diǎn)：

1、激光照射時(shí)間短，焊接過程極為迅速，不僅有利于提高生產(chǎn)率，而且被焊材料不易氧化，熱影響區(qū)小，適合于熱敏感很強(qiáng)的晶體管元件焊接。激光焊接既沒有焊渣，也不需去除工件的氧化膜，甚至可以透過玻璃進(jìn)行焊接，尤其適用于微型精密儀表中的焊接。

2、激光不僅能焊接同種金屬材料，而且可以焊接異種金屬材料，甚至可以焊接金屬與非金屬材料。例如，用陶瓷做基體的集成電路，由于陶瓷熔點(diǎn)很高，又不宜施加壓力，采用其他焊接方法很困難，而用激光焊接比較方便。當(dāng)然，激光焊接并不能焊接所有的異種材料。

激光焊接的適用場(chǎng)景及行業(yè)：1.熱傳導(dǎo)焊接主要用于精密加工，例如金屬薄片可見邊緣加工、醫(yī)療技術(shù)等；2.深熔焊、釬焊主要用于汽車工業(yè)，其中深熔焊用于車身、變速器、外殼等；釬焊主要用于車身焊接；3.激光傳導(dǎo)焊接可以處理非金屬，適用范圍寬闊，可用于消費(fèi)品、汽車工業(yè)、電子外殼、醫(yī)療技術(shù)等；4.復(fù)合焊接主要適用于特種鋼構(gòu)造，例如船甲板。

轉(zhuǎn)自：焊接技術(shù)峰會(huì)

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