激光焊接的特點與優缺點

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紅寶石晶粒所產生，因受限于晶體的熱容量，只能產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紅寶石晶粒所產生，因受限于晶體的熱容量，只能產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106瓦，但仍屬于低能量輸出。

激光焊接的優勢：

（1）可將入熱量降到低的需要量，熱影響區金相變化范圍小，且因熱傳導所導致的變形亦低。

（2）32mm板厚單道焊接的焊接工藝參數業經檢定合格，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，機具的耗損及變形接可降至低。

（4）激光束易于聚焦、對準及受光學儀器所導引，可放置在離工件適當之距離，且可在工件周圍的機具或障礙間再導引，其他焊接法則因受到上述的空間限制而無法發揮。

（5）工件可放置在封閉的空間（經抽真空或內部氣體環境在控制下）。

（6）激光束可聚焦在很小的區域，可焊接小型且間隔相近的部件，

（7）可焊材質種類范圍大，亦可相互接合各種異質材料。

（8）易于以自動化進行高速焊接，亦可以數位或電腦控制。

（9）焊接薄材或細徑線材時，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。

（13）若以穿孔式焊接，焊道深一寬比可達10:1

（14）可以切換裝置將激光束傳送至多個工作站。

激光焊接的優缺點：

（1）焊件位置需非常精確，務必在激光束的聚焦范圍內。

（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。

（3）可焊厚度受到限制滲透厚度遠超過19mm的工件，生產線上不適合使用激光焊接。

（4）高反射性及高導熱性材料如鋁、銅及其合金等，焊接性會受激光所改變。

（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除，以確保焊道的再出現。

（6）能量轉換效率太低，通常低于10%。

（7）焊道快速凝固，可能有氣孔及脆化的顧慮。

（8）設備昂貴。

為了消除或減少激光焊接的缺陷,更好地應用這一優秀的焊接方法,提出了一些用其它熱源與激光進行復合焊接的工藝,主要有激光與電弧、激光與等離子弧、激光與感應熱源復合焊接、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。

(1)功率密度

功率密度是激光加工中關鍵的參數之一。采用較高的功率密度，在微秒時間范圍內，表層即可加熱至沸點，產生大量汽化。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，表層溫度達到沸點需要經歷數毫秒，在表層汽化前，底層達到熔點，易形成良好的熔融焊接。因此，在傳導型激光焊接中，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。當高強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，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之一，它既是區別于材料去除和材料熔化的重要參數，也是決定加工設備造價及體積的關鍵參數。

(4)離焦量對焊接質量的影響

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：正離焦與負離焦。焦平面位于工件上方為正離焦，反之為負離焦。按幾何光學理論，當正負離焦平面與焊接平面距離相等時，所對應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。負離焦時，可獲得更大的熔深，這與熔池的形成過程有關。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問分汽化，形成市壓蒸汽，并以極高的速度噴射，發出耀眼的白光。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。當負離焦時，材料內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。所以在實際應用中，當要求熔深較大時，采用負離焦；焊接薄材料時，宜用正離焦。

激光焊接的應用

激光焊接機技術廣泛被應運在汽車、輪船、飛機、高鐵等高精制造領域，給人們的生活質量帶來了重大提升，更是引領家電行業進入了精工時代。

特別是在大眾汽車創造的42米無縫焊接技術，大大提高了車身整體性和穩定性之后，家電領頭企業海爾集團隆重推出首款采用激光無縫焊接技術生產的洗衣 機，該家電為人民珍視了科技的進步，先進的激光技術可以為人民的生活帶來巨大的改變。隨著洗衣機全球品牌地位的不斷鞏固，其對行業的引領開始全面展現，然 而有激光焊接機技術的支持，也將對家電行業有一個更深的改革。據海爾研發人員介紹，市場上的全自動洗衣機內桶的制造技術大多采用“扣搭”技術，內桶的銜 接處會存在縫隙或不平整，導致桶體強度不高、對衣物產生不必要磨損。為了進一步提高內桶的可靠性和精細化，海爾洗衣機以汽車、造船行業為參照母本，將激光 無縫焊接技術應用在勻動力洗衣機新品上，避免了內桶縫隙和不平整的產生，在全面提高了產品的可靠性的同時更加呵護衣物。由于內桶的強度的提高，勻動力洗衣 機脫水過程中高轉速比普通全自動洗衣機也提高了25%，脫水效率大幅提升，并且耗電少、用時省。

此外，還了解到，中德造船業合作研發的“高功率激光焊接機技術”，保證了輪船的安全性，進一步加強了船身結構；在航空領域，激光無縫焊接技術也已廣泛 應用于飛機發動機的制造上，同時，鋁合金機身的激光無縫焊接技術可以取代鉚釘，從而減輕了20%的機身重量；我國的高鐵軌道也引進了激光無縫焊接技術，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境。

隨著科技的全面發展，激光焊接機技術的不斷鞏固與應用，也帶領全球的家電產業步入了一個新時代，新的工藝不僅是產品的升級，也是更多科技的展示和應用。

1、制造業應用

激光拼焊(TailoredBlandLaserWelding)技術在國外轎車制造中得到廣泛的應用，據統計，2000年全球范圍內剪裁坯板激光拼焊生產線超過100條，年產轎車構件拼焊坯板7000萬件，并繼續以較高速度增長。國內生產的引進車型Passat，Buick，Audi等也采用了一些剪裁坯板結構。日本以CO2激光焊代替了閃光對焊進行制鋼業軋鋼卷材的連接，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了將YAG激光焊用于核反應堆中蒸氣發生器細管的維修等，在國內蘇寶蓉等還進行了齒輪的激光焊接技術。

2、粉末冶金領域

隨著科學技術的不斷發展，許多工業技術上對材料特殊要求，應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點，在某些領域如汽車、飛機、工具刃具制造業中正在取代傳統的冶鑄材料，隨著粉末冶金材料的日益發展，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用受到限制。在八十年代初期，激光焊以其獨特的優點進入粉末冶金材料加工領域，為粉末冶金材料的應用開辟了新的前景，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，由于結合強度低，熱影響區寬特別是不能適應高溫及強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度以及耐高溫性能。

3、汽車工業

20世紀80年代后期，千瓦級激光成功應用于工業生產，而今激光焊接生產線已大規模出現在汽車制造業，成為汽車制造業突出的成就之一。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80年代就率先采用激光焊接車頂、車身、側框等鈑金焊接，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，但發展很快。意大利菲亞特在大多數鋼板組件的焊接裝配中采用了激光焊接，日本的日產、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，高強鋼激光焊接裝配件因其性能優良在汽車車身制造中使用得越來越多，根據美國金屬市場統計，至2002年底，激光焊接鋼結構的消耗將達到70000t比1998年增加3倍。根據汽車工業批量大、自動化程度高的特點，激光焊接設備向大功率、多路式方向發展。在工藝方面美國Sandia國家實驗室與PrattWitney聯合進行在激光焊接過程中添加粉末金屬和金屬絲的研究，德國不萊梅應用光束技術研究所在使用激光焊接鋁合金車身骨架方面進行了大量的研究，認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，開發的生產線已在奔馳公司的工廠投入生產。

4、電子工業

激光焊接在電子工業中，特別是微電子工業中得到了廣泛的應用。由于激光焊接熱影響區小加熱集中迅速、熱應力低，因而正在集成電路和半導體器件殼體的封裝中，顯示出獨特的優越性，在真空器件研制中，激光焊接也得到了應用，如鉬聚焦極與不銹鋼支持環、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，采用傳統焊接方法難以解決，TIG焊容易焊穿，等離子穩定性差，影響因素多而采用激光焊接效果很好，得到廣泛的應用。

5、生物醫學

生物組織的激光焊接始于20世紀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。有關激光焊接神經方面國內外的研究主要集中在激光波長、劑量及其對功能恢復以及激光焊料的選擇等方面的研究，劉銅軍進行了激光焊接小血管及皮膚等基礎研究的基礎上又對大白鼠膽總管進行了焊接研究。激光焊接方法與傳統的縫合方法比較，激光焊接具有吻合速度快，愈合過程中沒有異物反應，保持焊接部位的機械性質，被修復組織按其原生物力學性狀生長等優點將在以后的生物醫學中得到更廣泛的應用。

6、其他領域

在其他行業中，激光焊接也逐漸增加特別是在特種材料焊接中國內進行了許多研究，如對BT20鈦合金、HEl30合金、Li-ion電池等激光焊接，德國玻璃機械制造商GlamacoCoswig公司與IFW接合技術與材料實驗研究院合作開發出了一種用于平板玻璃的激光焊接新技術。

混合焊接優勢

激光混合焊接技術具有顯著的優點。對于激光混合，優點主要體現在：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象；適用范圍更廣；借助于激光替換技術投資較少。對于激光MIG惰性氣體保護焊混合，優點主要體現在：較高的焊接速度；熔焊深度大；產生的焊接熱少；焊縫的強度高；焊縫寬度小；焊縫凸出小。從而使得整個系統的生產過程穩定性好，設備可用性好；焊縫準備工作量和焊接后焊縫處理工作量小；焊接生產工時短、費用低、生產效率高；具有很好的光學設備配置性能。

但是，激光混合焊接在電源設備方面的投資成本相對較高。隨著市場的進一步擴大，電源設備的價格也將會有所下降，并將使激光混合焊接技術在更多的領域中得到應用。至少激光混合焊接技術在鋁合金材料的焊接中是一種非常合適的焊接工藝，將在較長的時期內成為主要的焊接生產工具。