01 激光焊接技術

激光焊接是激光加工技術應用的重要方面之一。激光焊接是利用激光的輻射能量來實現有效焊接的工藝，其工作原理是：通過特定的方式來激勵激光活性介質（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。

02 激光焊接技術的重要參數

1、功率密度：

      功率密度是激光加工中最關鍵的參數之一。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、雕刻十分有利。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。

2、激光脈沖波形：

      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，尤其是金、銀、銅、鋁、鈦等材料反射強、傳熱快。一個激光脈沖訊號過程中，金屬的反射率隨時間而變化。當材料表面溫度升高到熔點時，反射率會迅速下降，當表面處于熔化狀態(tài)時，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。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降低峰值功率，因此增加脈沖寬度一般用于熱傳導焊接方式，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，較低的峰值功率會導致多余的熱輸入，每種材料都有一個可使熔深達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，因為激光焦點處光斑中心的功率密度過高，容易蒸發(fā)成孔。離開激光焦點的各平面上，功率密度分布相對均勻。

5、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，所對應平面上的功率密度近似相同，但實際上所獲得的熔池形狀有一定差異。負離焦時，可獲得更大的熔深，這與熔池的形成過程有關。

6、焊接速度：

      焊接速度對熔深有較大的影響，提高速度會使熔深變淺，但速度過低又會導致材料過度熔化、工件焊穿。因此，對一定激光功率和一定厚度的特定材料有一個合適的焊接速度范圍，并在其中相應速度值時可獲得最大熔深。

7、保護氣體：

      激光焊接過程常使用惰性氣體來保護熔池，對大多數應用場合則常使用氦、氬、氮等氣體作保護。保護氣體的第二個作用是保護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，噴出物非常有力，此時保護透鏡則更為必要。保護氣體的第三個作用是可以有效驅散高功率激光焊接產生的等離子屏蔽。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被等離子體消耗掉。

03 激光焊接技術的獨特效應

與傳統(tǒng)的焊接技術相比較而言具有四種獨特的效應：

1、 焊縫凈化效應

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

2、光爆沖擊效應

當激光功率密度很高時，在強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生爆炸性飛濺，其強大的沖擊波向孔穴的深度方向傳播，形成細長的深孔。在激光不斷移動焊接的過程中，周圍熔融金屬不斷地填充空穴，凝結成牢固的深熔焊縫。

3、深熔焊的小孔效應

在功率密度高達 107W/cm2的激光束照射下，其能量輸入焊縫的速率遠遠大于熱傳導、對流、輻射散失的速率，使激光照射區(qū)內的金屬迅速汽化，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、熔池中孔穴側壁對激光的聚焦效應

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

04 激光焊接技術的優(yōu)點

激光焊接的獨特效應使激光焊接具有如下優(yōu)點：

1、激光照射時間短，焊接過程極為迅速，不僅有利于提高生產率，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。

激光焊接的適用場景及行業(yè)：1.熱傳導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.激光傳導焊接可以處理非金屬，適用范圍寬闊，可用于消費品、汽車工業(yè)、電子外殼、醫(yī)療技術等；4.復合焊接主要適用于特種鋼構造，例如船甲板。

轉自：焊接技術峰會

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