激光焊接技术原理及工艺分析

激光焊接技术原理及工艺分析

赵卫强

身份证号：13063819830206XXXX

摘要：随着激光技术的不断发展，激光作为一种新型能源在焊接方面也被广泛的应用。许多过去被认为不可能实现的任务，现在激光能够很好地完成。激光焊接之所以能够在各个行业如火如荼地发展，是因为它具有一系列其他焊接方法不可替代的特性。激光焊接是利用高能量密度的激光束作为热源的一种高效精密焊接方法。

关键词：激光焊接；工艺参数；激光功率

引言

介绍激光焊接的原理以及主要特点；激光焊接的主要工艺参数包括焊接速度、离焦量和激光功率。

1激光焊接的原理

激光是由激光发生器发出的单色光，通过光纤传导到特制透镜上进行聚焦，使光束聚焦在一点，并且集中对该点输入热量。由于激光束的这种特性，单位照射面积能量能够达到107W/cm2以上。在这种规模的热输入情况下，受热金属会因为温度瞬间超过熔点而气化，这些金属蒸气会在熔化的金属中产生一个小孔，我们称其为匙孔。由于匙孔的形状呈细长，所以在其形成之后，激光束会在匙孔内壁发生多次反射，并被吸收，因而使得熔深增加。经研究发现，如果激光发生器发出的激光束波长单一，没有杂光，那么能量密度在4×106W/cm2左右时就能产生这种匙孔。激光焊接过程中，起加热作用的激光光斑对试件进行集中加热，可以使工件在受最少热辐射量的情况下就能达到焊接条件；可以避免由于焊件过度加热而导致的变形。另外，激光焊接的加热源是光斑，所以本质上激光设备未与工件发生实质性的接触，因此在焊接的过程中就不存在电极污染、机具损耗等问题。激光焊接过程中，由于激光的能量密度很高，所以金属受激光照射到金属发生熔化和气化几乎是在瞬时完成的，以至于由焊缝中心向周围母材传递热量的时间也很少，并且激光光斑尺寸也很小，从而使焊后热影响区尺寸变小。经研究表明，汽车车身板材的激光焊接热影响区一般为1～2mm。

2激光焊接的工艺参数

在实际生产过程中激光焊接有以下几个焊接工艺参数：（1）焊接速度。焊接速度决定了激光焊接过程中，激光光斑在焊件上的停留时间，光斑行走速度小，每秒辐射能量大，将导致板材被穿透；光斑行走速度大，则会使熔深变浅，焊得不充分。因此，在实际使用过程中应找到一个合理的焊接速度范围。（2）离焦量。在激光焊接中，离焦量是一个独有且重要的参数，因为激光是通过透镜将单色光进行聚焦而获得高能光斑的，所以激光有一个焦点，在焦点处，功率密度最大。然而实际应用时会根据不同的条件，可以将待焊工件沿透镜光轴方向偏移一段距离，偏移后工件在光轴方向与焦点的距离即为离焦量。经研究表明，离焦量决定着匙孔的初始直径、熔池的扩展速度、焊点尺寸的大小。（3）激光功率。即激光的强度，它决定着待焊工件被加热的速度，功率越大，被加热速度越快，是一个比较重要的焊接热输入量参数。目前，大功率的激光设备在切割、打孔等加工中应用的较多。

3激光焊接特性

随着激光焊接技术日益成熟，其应用范围也越来越广。就最具代表性的汽车行业而言，汽车车身的远程激光焊接、汽车零部件的激光—电弧复合焊接、激光钎焊等已经正在替代传统的焊接技术。激光焊接技术的广泛应用，是因为激光焊接与电弧焊、电阻焊等这些的焊接热源相比较具有很多优良特性。

3.1激光束能够实现高熔点材料的焊接

普通电弧和等离子弧的热源能量密度为0．2～1．0kW／mm2，而YAG激光的能量密度为14～16kW／mm2，半导体激光为32kW／mm2，碟片激光为96kW／mm2，光纤激光为159kW／mm2，激光的能量密度远高于电弧和等离子弧热源的能量密度。另外，额定功率300W单模的FBL激光能达到4718kW／mm2的超高能量密度，在如此高的能量密度下，可以想象完全改变了以往加工特性的理念。10kW的光纤激光接合速度相当于60kW的电子束焊接的接合速度，达到了极高加工能力水平。这是因为光纤激光的光束质量好而使焦点处的光束直径比电子束直径还小。可以预见在未来的焊接领域，将会进一步扩大激光焊接的应用范围。到2008年底，日本约有100台以上的高输出光纤激光器用于生产及科研.

3.2激光可以用光纤传导，容易实现自动化

除CO2激光外，YAG激光、光纤激光、半导体激光、碟片激光等都是可以用光纤传导。采用光纤传导激光束的特点是：在传送的过程中激光的能量损失很小，并能传送到很远的地方。所以在加工时，可以将激光器放置于与焊接工位有一定距离的场所，容易实现焊接的自动化和柔性加工。与电弧焊和电阻焊相比较，更易于控制、实现自动化以及应用于自动生产线中。

3.3热输入小、冷却速度和凝固速度快，从小部件到大部件都可以焊接

由于激光焊接热输入小、冷却速度和凝固速度快，所以焊接热影响区小，显微组织微细化。。获得了焊缝宽度极窄（50～60μm）且成形美观的焊缝。使用100W单模光纤激光焊接不锈钢的焊缝横截面，获得了约0．32mm的熔深，焊缝横断面的显微组织显示，焊缝金属的晶粒尺寸明显小于母材金属的晶粒尺寸，且热影响区的宽度很窄。通过激光种类的选择、激光输出功率的调节以及激光加工头的研发等，能够实现从小部件的微细焊接到大型结构件的拼装焊接。使用光纤直径14μm的单模光纤激光，在激光输出功率200W，焊接速度80m／min的条件下，对板厚为100μm的3枚铜合金进行搭接激光焊接。在超高焊接速度的条件下仍能获得美观的焊缝成形。另外，激光焊接在飞机制造业、能源电力设备制造业、石油化工设备制造业、航天航空制造业等工业领域的应用也越来越广泛。如德国远程激光焊接在汽车工业的应用，欧洲激光－电弧复合焊接在造船业的应用，激光焊接在空中客车A380上的应用等，显示出了巨大的潜力。

3.4激光的吸收特性与材质、光波长、温度的关系

对于所有材料，波长越长则吸收率越低，而反射率越高；波长越短则吸收率越高，而反射率越低。另外，母材的温度越高对光的吸收率也越高。

3.5等离子体的对激光焊接的影响

在激光焊接过程中，由于激光束的能量密度高，所以金属蒸气和周围气体极易被电离而产生等离子体，其温度大约为8000～15000K。等离子体中电子吸收激光束能量后将加速，进一步增强与原子和分子的撞击能量，使等离子体产生量进一步增加，也使等离子体温度进一步上升。由于等离子吸收激光束能量，所以大量产生等离子体时，势必影响熔深。因此需对等离子体采用有效措施进行消除。另外，由于等离子体产生于工件的表面，所以等离子体主要加热母材表面，容易使焊缝表面宽度增加。由于CO2激光波长较长，金属材料对光束的吸收率较低，所以焊接时产生的等离子体量较大，容易形成酒杯状的焊缝形状。CO2激光焊接时，由于等离子体的影响而使熔深变浅，此时如果提高激光输出功率也不能相应提高焊接熔深，所以必须采取有效措施除去等离子体。另一方面，由于光纤激光的波长1．06μm较小，金属材料对光束的吸收率较高，焊接时产生的等离子体量较小，容易形成窄而深的焊缝形状。此外激光焊接还有以下特性：由于激光焊接的

结语

激光焊接拥有很多明显的优势，但也有自身的局限性，目前整套激光焊接设备的投资费用较高，并且由于激光系统结构很精密，所以日常维护费用也比较高；在焊接时对装配精度也有着一定的要求；其中焊接的最大厚度有限，也是目前激光焊接设备的一大短板。

参考文献：

[1]左铁钏．21世纪的先进制造—激光技术与工程[M]．北京：科学出版社，2007：52．

[2]许亚丽．激光焊接技术［J］．科技创新导报，2016（22）：59－60．

[3]汤超．不锈钢车体激光焊接工艺研究［D］．武汉：华中科技大学，2012．