激光焊接技術(shù)

（1）可將入熱量降到最低的需要量，熱影響區(qū)金相變化范圍小，且因熱傳導(dǎo)所導(dǎo)致的變形亦最低。

（2）32mm板厚單道焊接的焊接工藝參數(shù)業(yè)經(jīng)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，機具的耗損及變形皆可降至最低。

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

（5）工件可放置在封閉的空間（經(jīng)抽真空或內(nèi)部氣體環(huán)境在控制下）。

（6）激光束可聚焦在很小的區(qū)域，可焊接小型且間隔相近的部件，

（7）可焊材質(zhì)種類范圍大，亦可相互接合各種異質(zhì)材料。

（8）易于以自動化進行高速焊接，亦可以數(shù)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。

連續(xù)CO2激光焊的工藝參數(shù)

激光深熔焊接的主要工藝參數(shù)

激光焊接技術(shù)激光功率

激光焊接中存在一個激光能量密度閾值，低于此值，熔深很淺，一旦達到或超過此值，熔深會大幅度提高。只有當(dāng)工件上的激光功率密度超過閾值（與材料有關(guān)），等離子體才會產(chǎn)生，這標志著穩(wěn)定深熔焊的進行。如果激光功率低于此閾值，工件僅發(fā)生表面熔化，也即焊接以穩(wěn)定熱傳導(dǎo)型進行。而當(dāng)激光功率密度處于小孔形成的臨界條件附近時，深熔焊和傳導(dǎo)焊交替進行，成為不穩(wěn)定焊接過程，導(dǎo)致熔深波動很大。激光深熔焊時，激光功率同時控制熔透深度和焊接速度。焊接的熔深直接與光束功率密度有關(guān)，且是入射光束功率和光束焦斑的函數(shù)。一般來說，對一定直徑的激光束，熔深隨著光束功率提高而增加。

激光焊接技術(shù)光束焦斑

光束斑點大小是激光焊接的最重要變量之一，因為它決定功率密度。但對高功率激光來說，對它的測量是一個難題，盡管已經(jīng)有很多間接測量技術(shù)。

光束焦點衍射極限光斑尺寸可以根據(jù)光衍射理論計算，但由于聚焦透鏡像差的存在，實際光斑要比計算值偏大。最簡單的實測方法是等溫度輪廓法，即用厚紙燒焦和穿透聚丙烯板后測量焦斑和穿孔直徑。這種方法要通過測量實踐，掌握好激光功率大小和光束作用的時間。

激光焊接技術(shù)材料吸收值

材料對激光的吸收取決于材料的一些重要性能，如吸收率、反射率、熱導(dǎo)率、熔化溫度、蒸發(fā)溫度等，其中最重要的是吸收率。

影響材料對激光光束的吸收率的因素包括兩個方面：首先是材料的電阻系數(shù)，經(jīng)過對材料拋光表面的吸收率測量發(fā)現(xiàn)，材料吸收率與電阻系數(shù)的平方根成正比，而電阻系數(shù)又隨溫度而變化；其次，材料的表面狀態(tài)（或者光潔度）對光束吸收率有較重要影響，從而對焊接效果產(chǎn)生明顯作用。

CO2激光器的輸出波長通常為10.6μm，陶瓷、玻璃、橡膠、塑料等非金屬對它的吸收率在室溫就很高，而金屬材料在室溫時對它的吸收很差，直到材料一旦熔化乃至氣化，它的吸收才急劇增加。采用表面涂層或表面生成氧化膜的方法，提高材料對光束的吸收很有效。

激光焊接技術(shù)焊接速度

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

激光焊接技術(shù)保護氣體

激光焊接過程常使用惰性氣體來保護熔池，當(dāng)某些材料焊接可不計較表面氧化時則也可不考慮保護，但對大多數(shù)應(yīng)用場合則常使用氦、氬、氮等氣體作保護，使工件在焊接過程中免受氧化。

氦氣不易電離（電離能量較高），可讓激光順利通過，光束能量不受阻礙地直達工件表面。這是激光焊接時使用最有效的保護氣體，但價格比較貴。

氬氣比較便宜，密度較大，所以保護效果較好。但它易受高溫金屬等離子體電離，結(jié)果屏蔽了部分光束射向工件，減少了焊接的有效激光功率，也損害焊接速度與熔深。使用氬氣保護的焊件表面要比使用氦氣保護時來得光滑。

氮氣作為保護氣體最便宜，但對某些類型不銹鋼焊接時并不適用，主要是由于冶金學(xué)方面問題，如吸收，有時會在搭接區(qū)產(chǎn)生氣孔。

使用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。特別在高功率激光焊接時，由于其噴出物變得非常有力，此時保護透鏡則更為必要。

保護氣體的第三個作用是對驅(qū)散高功率激光焊接產(chǎn)生的等離子屏蔽很有效。金屬蒸氣吸收激光束電離成等離子云，金屬蒸氣周圍的保護氣體也會因受熱而電離。如果等離子體存在過多，激光束在某種程度上被等離子體消耗。等離子體作為第二種能量存在于工作表面，使得熔深變淺、焊接熔池表面變寬。通過增加電子與離子和中性原子三體碰撞來增加電子的復(fù)合速率，以降低等離子體中的電子密度。中性原子越輕，碰撞頻率越高，復(fù)合速率越高；另一方面，只有電離能高的保護氣體，才不致因氣體本身的電離而增加電子密度。

表 　常用氣體和金屬的原子(分子)量和電離能

材料 氦 氬 氮 鋁 鎂 鐵

原子(分子)量 4 40 28 27 24 56

電離能(eV) 24.46 15.68 14.5 5.96 7.61 7.83

從表可知，等離子體云尺寸與采用的保護氣體不同而變化，氦氣最小，氮氣次之，使用氬氣時最大。等離子體尺寸越大，熔深則越淺。造成這種差別的原因首先由于氣體分子的電離程度不同，另外也由于保護氣體不同密度引起金屬蒸氣擴散差別。

氦氣電離最小，密度最小，它能很快地驅(qū)除從金屬熔池產(chǎn)生的上升的金屬蒸氣。所以用氦作保護氣體，可最大程度地抑制等離子體，從而增加熔深，提高焊接速度；由于質(zhì)輕而能逸出，不易造成氣孔。當(dāng)然，從我們實際焊接的效果看，用氬氣保護的效果還不錯。

等離子云對熔深的影響在低焊接速度區(qū)最為明顯。當(dāng)焊接速度提高時，它的影響就會減弱。

保護氣體是通過噴嘴口以一定的壓力射出到達工件表面的，噴嘴的流體力學(xué)形狀和出口的直徑大小十分重要。它必須以足夠大以驅(qū)使噴出的保護氣體覆蓋焊接表面，但為了有效保護透鏡，阻止金屬蒸氣污染或金屬飛濺損傷透鏡，噴口大小也要加以限制。流量也要加以控制，否則保護氣的層流變成紊流，大氣卷入熔池，最終形成氣孔。

為了提高保護效果，還可用附加的側(cè)向吹氣的方式，即通過一較小直徑的噴管將保護氣體以一定的角度直接射入深熔焊接的小孔。保護氣體不僅抑制了工件表面的等離子體云，而且對孔內(nèi)的等離子體及小孔的形成施加影響，熔深進一步增大，獲得深寬比較為理想的焊縫。但是，此種方法要求精確控制氣流量大小、方向，否則容易產(chǎn)生紊流而破壞熔池，導(dǎo)致焊接過程難以穩(wěn)定。

激光焊接技術(shù)透鏡焦距

焊接時通常采用聚焦方式會聚激光，一般選用63~254mm(2.5”~10”)焦距的透鏡。聚焦光斑大小與焦距成正比，焦距越短，光斑越小。但焦距長短也影響焦深，即焦深隨著焦距同步增加，所以短焦距可提高功率密度，但因焦深小，必須精確保持透鏡與工件的間距，且熔深也不大。由于受焊接過程中產(chǎn)生的飛濺物和激光模式的影響，實際焊接使用的最短焦深多為焦距126mm(5”)。當(dāng)接縫較大或需要通過加大光斑尺寸來增加焊縫時，可選擇254mm(10”)焦距的透鏡，在此情況下，為了達到深熔小孔效應(yīng)，需要更高的激光輸出功率（功率密度）。

當(dāng)激光功率超過2kW時，特別是對于10.6μm的CO2激光束，由于采用特殊光學(xué)材料構(gòu)成光學(xué)系統(tǒng)，為了避免聚焦透鏡遭光學(xué)破壞的危險，經(jīng)常選用反射聚焦方法，一般采用拋光銅鏡作反射鏡。由于能有效冷卻，它常被推薦用于高功率激光束聚焦。

激光焊接技術(shù)焦點位置

焊接時，為了保持足夠功率密度，焦點位置至關(guān)重要。焦點與工件表面相對位置的變化直接影響焊縫寬度與深度。

在大多數(shù)激光焊接應(yīng)用場合，通常將焦點的位置設(shè)置在工件表面之下大約所需熔深的1/4處。

激光焊接技術(shù)激光束位置

對不同的材料進行激光焊接時，激光束位置控制著焊縫的最終質(zhì)量，特別是對接接頭的情況比搭接結(jié)頭的情況對此更為敏感。例如，當(dāng)淬火鋼齒輪焊接到低碳鋼鼓輪，正確控制激光束位置將有利于產(chǎn)生主要有低碳組分組成的焊縫，這種焊縫具有較好的抗裂性。有些應(yīng)用場合，被焊接工件的幾何形狀需要激光束偏轉(zhuǎn)一個角度，當(dāng)光束軸線與接頭平面間偏轉(zhuǎn)角度在100度以內(nèi)時，工件對激光能量的吸收不會受到影響。

激光焊接技術(shù)功率控制

焊接起始、終止點的激光功率漸升、漸降控制

激光深熔焊接時，不管焊縫深淺，小孔現(xiàn)象始終存在。當(dāng)焊接過程終止、關(guān)閉功率開關(guān)時，焊縫尾端將出現(xiàn)凹坑。另外，當(dāng)激光焊層覆蓋原先焊縫時，會出現(xiàn)對激光束過度吸收，導(dǎo)致焊件過熱或產(chǎn)生氣孔。

為了防止上述現(xiàn)象發(fā)生，可對功率起止點編制程序，使功率起始和終止時間變成可調(diào)，即起始功率用電子學(xué)方法在一個短時間內(nèi)從零升至設(shè)置功率值，并調(diào)節(jié)焊接時間，最后在焊接終止時使功率由設(shè)置功率逐漸降至零值。

首先，激光焊接可將入熱量降到最低的需要量，熱影響區(qū)金相變化范圍小，且因熱傳導(dǎo)所導(dǎo)致的變形亦最低。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，機具的耗損及變形皆可降至最低。激光束易于聚焦、對準及受光學(xué)儀器所導(dǎo)引，可放置在離工件適當(dāng)之距離，且可在工件周圍的機具或障礙間再導(dǎo)引，其他焊接法則因受到上述的空間限制而無法發(fā)揮。其次，工件可放置在封閉的空間（經(jīng)抽真空或內(nèi)部氣體環(huán)境在控制下）。激光束可聚焦在很小的區(qū)域，可焊接小型且間隔相近的部件，可焊材質(zhì)種類范圍大，亦可相互接合各種異質(zhì)材料。另外，易于以自動化進行高速焊接，亦可以數(shù)位或電腦控制。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。

激發(fā)電子或分子使其在轉(zhuǎn)換成能量的過程中產(chǎn)生集中且相位相同的光束，Laser來自Light Amplification by Stimulated Emission Radiation的第一個字母所組成。

由光學(xué)震蕩器及放在震蕩器空穴兩端鏡間的介質(zhì)所組成。介質(zhì)受到激發(fā)至高能量狀態(tài)時，開始產(chǎn)生同相位光波且在兩端鏡間來回反射，形成光電的串結(jié)效應(yīng)，將光波放大，并獲得足夠能量而開始發(fā)射出激光。 　激光亦可解釋成將電能、化學(xué)能、熱能、光能或核能等原始能源轉(zhuǎn)換成某些特定光頻（紫外光、可見光或紅外光的電磁輻射束的一種設(shè)備。）轉(zhuǎn)換形態(tài)在某些固態(tài)、液態(tài)或氣態(tài)介質(zhì)中很容易進行。當(dāng)這些介質(zhì)以原子或分子形態(tài)被激發(fā)，便產(chǎn)生相位幾乎相同且近乎單一波長的光束-----激光。由于具同相位及單一波長，差異角均非常小，在被高度集中以提供焊接、切割及熱處理等功能前可傳送的距離相當(dāng)長。

世界上的第一個激光束于1960年利用閃光燈泡激發(fā)紅寶石晶粒 所產(chǎn)生，因受限于晶體的熱容量，只能產(chǎn)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10^6瓦，但仍屬于低能量輸出。 　使用釹（ND）為激發(fā)元素的釔鋁石榴石晶棒（Nd:YAG）可產(chǎn)生1---8KW的連續(xù)單一波長光束。YAG激光，波長為1.06uM，可以通過柔性光纖連接到激光加工頭，設(shè)備布局靈活，適用焊接厚度0.5-6mm。 　使用CO2為激發(fā)物的CO2激光（波長10.6uM），輸出能量可達25KW，可做出2mm板厚單道全滲透焊接，工業(yè)界已廣泛用于金屬的加工上。

早期的激光焊接研究實驗大多數(shù)是利用紅寶石脈沖激光器，當(dāng)時雖然能夠獲得較高的脈沖能量，但是這些激光器的平均輸出功率相當(dāng)?shù)?，這主要是由激光器很低的工作效率和發(fā)光物質(zhì)的受激性所決定的。激光焊接主要使用CO2激光器和YAG激光器，YAG激光器由于具有較高的平均功率，在它出現(xiàn)之后就成為激光點焊和激光縫焊的優(yōu)選設(shè)備。激光焊接與電子束焊接的顯著區(qū)別在于激光輻射不能產(chǎn)生穿孔焊接方式。而實際上，當(dāng)激光脈沖能量密度達到10的6次方W/CM2時，就會在被焊接金屬材料焊接界面上形成焊孔，小孔的形成條件得到滿足，從而就可以利用激光束進行深熔焊接。

在20世紀70年代以前，由于高功率連續(xù)波形激光器尚未開發(fā)出來，所以研究重點集中在脈沖激光焊接上。早期的激光焊接研究實驗大多數(shù)是利用紅寶石脈沖激光器。YAG激光器的焊接過程是通過焊點搭接而進行的，直到1KW以上的連續(xù)功率波形激光器誕生以后，具有真正意義的激光縫焊才得以實現(xiàn)。

隨著千瓦級連續(xù)CO2激光器焊接試驗的成功，激光焊接技術(shù)在20世紀70年代初取得突破性進展。在大厚度不銹鋼試件上進行CO2激光焊接，形成了穿透熔深的焊縫，從而清楚的標明了小孔的形成，而且激光焊接產(chǎn)生的深熔焊縫與電子束焊接相似。這些利用CO2激光器進行金屬焊接的早期工作證明了高功率連續(xù)激光焊接的巨大潛能。在航空工業(yè)以及其他許多應(yīng)用中，激光焊接能夠?qū)崿F(xiàn)很多類型材料的連接，而且激光焊接通常具有許多其他熔焊工藝無法比擬的優(yōu)越性，尤其是激光焊接能夠連接航空與汽車工業(yè)中比較難焊的薄板合金材料，如鋁合金等，并且構(gòu)件的變形小，接頭質(zhì)量高。激光加工另一項具有吸引力的應(yīng)用方面是利用了激光能夠?qū)崿F(xiàn)局部小范圍加熱特性，激光所具有的這種熱點使其非常適合于印刷電路板一類的電子器件的焊接，激光能在電子器件上非常小的區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生很高的平均溫度，而接頭以外的區(qū)域則基本不受影響。

屬于熔融焊接，以激光束為能源，沖擊在焊件接頭上。 　激光束可由平面光學(xué)元件（如鏡子）導(dǎo)引，隨后再以反射聚焦元件或鏡片將光束投射在焊縫上。 　激光焊接屬非接觸式焊接，作業(yè)過程不需加壓，但需使用惰性氣體以防熔池氧化，填料金屬偶有使用。 　激光焊可以與MIG焊組成激光MIG復(fù)合焊，實現(xiàn)大熔深焊接，同時熱輸入量比MIG焊大為減小。

激光焊接機技術(shù)廣泛被應(yīng)運在汽車、輪船、飛機、高鐵等高精制造領(lǐng)域，給人們的生活質(zhì)量帶來了重大提升，更是帶領(lǐng)家電行業(yè)進入了精工時代。

特別是在大眾汽車創(chuàng)造的42米無縫焊接技術(shù)，大大提高了車身整體性和穩(wěn)定性之后，家電領(lǐng)頭企業(yè)海爾集團隆重推出首款采用激光無縫焊接技術(shù)生產(chǎn)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(shù)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(yè)的引領(lǐng)開始全面展現(xiàn)，然 而有激光焊接機技術(shù)的支持，也將對家電行業(yè)有一個更深的改革。據(jù)海爾研發(fā)人員介紹，市場上的全自動洗衣機內(nèi)桶的制造技術(shù)大多采用“扣搭”技術(shù)，內(nèi)桶的銜 接處會存在縫隙或不平整，導(dǎo)致桶體強度不高、對衣物產(chǎn)生不必要磨損。為了進一步提高內(nèi)桶的可靠性和精細化，海爾洗衣機以汽車、造船行業(yè)為參照母本，將激光 無縫焊接技術(shù)應(yīng)用在勻動力洗衣機新品上，避免了內(nèi)桶縫隙和不平整的產(chǎn)生，在全面提高了產(chǎn)品的可靠性的同時更加呵護衣物。由于內(nèi)桶的強度的提高，勻動力洗衣 機脫水過程中最高轉(zhuǎn)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(yè)合作研發(fā)的“高功率激光焊接機技術(shù)”，保證了輪船的安全性，進一步加強了船身結(jié)構(gòu)；在航空領(lǐng)域，激光無縫焊接技術(shù)也已廣泛 應(yīng)用于飛機發(fā)動機的制造上，同時，鋁合金機身的激光無縫焊接技術(shù)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(shù)，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(huán)境。

隨著科技的全面發(fā)展，激光焊接機技術(shù)的不斷鞏固與應(yīng)用，也帶領(lǐng)全球的家電產(chǎn)業(yè)步入了一個新時代，新的工藝不僅是產(chǎn)品的升級，也是更多科技的展示和應(yīng)用。

1、制造業(yè)應(yīng)用 　激光拼焊(TailoredBlandLaserWelding)技術(shù)在國外轎車制造中得到廣泛的應(yīng)用，據(jù)統(tǒng)計，2000年全球范圍內(nèi)剪裁坯板激光拼焊生產(chǎn)線超過100條，年產(chǎn)轎車構(gòu)件拼焊坯板7000萬件，并繼續(xù)以較高速度增長。國內(nèi)生產(chǎn)的引進車型Passat，Buick，Audi等也采用了一些剪裁坯板結(jié)構(gòu)。日本以CO2激光焊代替了閃光對焊進行制鋼業(yè)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(fā)了將YAG激光焊用于核反應(yīng)堆中蒸氣發(fā)生器細管的維修等，在國內(nèi)蘇寶蓉等還進行了齒輪的激光焊接技術(shù)。

2、粉末冶金領(lǐng)域 　隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，許多工業(yè)技術(shù)上對材料特殊要求，應(yīng)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(yōu)點，在某些領(lǐng)域如汽車、飛機、工具刃具制造業(yè)中正在取代傳統(tǒng)的冶鑄材料，隨著粉末冶金材料的日益發(fā)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(yīng)用受到限制。在八十年代初期，激光焊以其獨特的優(yōu)點進入粉末冶金材料加工領(lǐng)域，為粉末冶金材料的應(yīng)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(jié)合強度低，熱影響區(qū)寬特別是不能適應(yīng)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(yè) 　20世紀80年代后期，千瓦級激光成功應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)，而今激光焊接生產(chǎn)線已大規(guī)模出現(xiàn)代汽車制造業(yè)，成為汽車制造業(yè)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(cè)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(fā)展很快。意大利菲亞特在大多數(shù)鋼板組件的焊接裝配中采用了激光焊接，日本的日產(chǎn)、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(yōu)良在汽車車身制造中使用得越來越多，根據(jù)美國金屬市場統(tǒng)計，至2002年底，激光焊接鋼結(jié)構(gòu)的消耗將達到70000t比1998年增加3倍。根據(jù)汽車工業(yè)批量大、自動化程度高的特點，激光焊接設(shè)備向大功率、多路式方向發(fā)展。在工藝方面美國Sandia國家實驗室與PrattWitney聯(lián)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(yīng)用光束技術(shù)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(fā)的生產(chǎn)線已在奔馳公司的工廠投入生產(chǎn)。

4、電子工業(yè) 　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，如鉬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。

5、生物醫(yī)學(xué) 　生物組織的激光焊接始于20世紀70年代，Klink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(yōu)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(guān)激光焊接神經(jīng)方面國內(nèi)外的研究主要集中在激光波長、劑量及其對功能恢復(fù)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(chǔ)研究的基礎(chǔ)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(tǒng)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(yīng)，保持焊接部位的機械性質(zhì)，被修復(fù)組織按其原生物力學(xué)性狀生長等優(yōu)點將在以后的生物醫(yī)學(xué)中得到更廣泛的應(yīng)用。

6、其他領(lǐng)域 　在其他行業(yè)中，激光焊接也逐漸增加特別是在特種材料焊接中國內(nèi)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(shù)與材料實驗研究院合作開發(fā)出了一種用于平板玻璃的激光焊接新技術(shù)。

激光焊接作為現(xiàn)代科技與傳統(tǒng)技術(shù)的結(jié)合體，其相對于傳統(tǒng)焊接技術(shù)而言，尤其獨特之處并且本身的應(yīng)用領(lǐng)域以及應(yīng)用層面更加廣泛，可以極大的提升焊接的效率和精度。其功率密度高、能量釋放快，從而更好的提高了工作效率，同時其本身的聚焦點更小，無疑使得縫合的材料之間的黏連度更好，不會造成材料的損傷和變形。激光焊接技術(shù)的出現(xiàn)，實現(xiàn)了傳統(tǒng)焊接技術(shù)所無法應(yīng)用領(lǐng)域，其能夠簡單的實現(xiàn)不同材質(zhì)、金屬與非金屬等多種焊接需求，并且因為激光本身的穿透性和折射性，使得其能夠依據(jù)光速本身的運行軌跡，實現(xiàn)360 度范圍內(nèi)的隨意焦，而這無疑是傳統(tǒng)焊接技術(shù)發(fā)展下所無法想象的。除此之外，因為激光焊接能夠在短時間內(nèi)釋放大量熱量實現(xiàn)快速焊接，因而其對于環(huán)境要求更低，能夠在一般室溫條件下進行，而無需再在真空環(huán)境或是氣體保護狀態(tài)下。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，人們對于激光技術(shù)的了解以及認知程度最高，其也從最初的軍事領(lǐng)域逐步擴展到現(xiàn)代民用領(lǐng)域，而激光焊接技術(shù)的出現(xiàn)進一步拓展了激光技術(shù)的應(yīng)用范圍。未來激光焊接技術(shù)不僅僅能夠用于汽車、鋼鐵、儀器制造等領(lǐng)域，其必然還可以在軍事、醫(yī)學(xué)等等更多的領(lǐng)域得到應(yīng)用，特別是在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，借助于其本身的高熱量、高融合、衛(wèi)生等特點，更好的在神經(jīng)醫(yī)學(xué)、生殖醫(yī)學(xué)等臨床診治中應(yīng)用。而其本身的精度優(yōu)勢也會在更多的精密儀器制造業(yè)中得到應(yīng)用，從而不斷造福人類以及社會的發(fā)展。

激光混合焊接技術(shù)具有顯著的優(yōu)點。對于激光混合，優(yōu)點主要體現(xiàn)當(dāng)今：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(xiàn)象；適用范圍更廣；借助于激光替換技術(shù)投資較少。對于激光MIG惰性氣體保護焊混合，優(yōu)點主要體現(xiàn)當(dāng)今：較高的焊接速度；熔焊深度大；產(chǎn)生的焊接熱少；焊縫的強度高；焊縫寬度??；焊縫凸出小。從而使得整個系統(tǒng)的生產(chǎn)過程穩(wěn)定性好，設(shè)備可用性好；焊縫準備工作量和焊接后焊縫處理工作量??；焊接生產(chǎn)工時短、費用低、生產(chǎn)效率高；具有很好的光學(xué)設(shè)備配置性能。

但是，激光混合焊接在電源設(shè)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(shè)備的價格也將會有所下降，并將使激光混合焊接技術(shù)在更多的領(lǐng)域中得到應(yīng)用。至少激光混合焊接技術(shù)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(nèi)成為主要的焊接生產(chǎn)工具。

（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）焊件需使用夾治具時，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）最大可焊厚度受到限制滲透厚度遠超過19mm的工件，生產(chǎn)線上不適合使用激光焊接。

（4）高反射性及高導(dǎo)熱性材料如鋁、銅及其合金等，焊接性會受激光所改變。

（5）當(dāng)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)。

（6）能量轉(zhuǎn)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(shè)備昂貴。

為了消除或減少激光焊接的缺陷,更好地應(yīng)用這一優(yōu)秀的焊接方法,提出了一些用其它熱源與激光進行復(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最關(guān)鍵的參數(shù)之一。采用較高的功率密度，在微秒時間范圍內(nèi)，表層即可加熱至沸點，產(chǎn)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(jīng)歷數(shù)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(dǎo)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(dāng)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(nèi)，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(shù)之一，它既是區(qū)別于材料去除和材料熔化的重要參數(shù)，也是決定加工設(shè)備造價及體積的關(guān)鍵參數(shù)。

(4)離焦量對焊接質(zhì)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(fā)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(xué)理論，當(dāng)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。負離焦時，可獲得更大的熔深，這與熔池的形成過程有關(guān)。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(xiàn)問分汽化，形成市壓蒸汽，并以極高的速度噴射，發(fā)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(dāng)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。所以在實際應(yīng)用中，當(dāng)要求熔深較大時，采用負離焦；焊接薄材料時，宜用正離焦。

國外激光技術(shù)以及制造業(yè)較為發(fā)達，他們早在上世紀八十年代就已經(jīng)開始研究如何將現(xiàn)代激光技術(shù)應(yīng)用在傳統(tǒng)制造業(yè)中。歐盟、美國等西方國家和亞洲的日本借助于自身發(fā)達的科學(xué)技術(shù)實力以及良好的制造業(yè)基礎(chǔ)，在政府合理的引導(dǎo)以及財政支持下，激光焊接技術(shù)發(fā)展非常快速，特別是進入新世紀以后，已經(jīng)在許多的制造業(yè)和其他行業(yè)中能夠看到激光焊接技術(shù)的應(yīng)用，包括電子工業(yè)、造船工業(yè)、汽車工業(yè)等等，都能夠看到現(xiàn)代激光焊接技術(shù)的應(yīng)用。并且已經(jīng)初步形成了焊接技術(shù)的行業(yè)標準，從而使得其能夠在一個合理可控的范圍內(nèi)得到應(yīng)用。與此同時，為了進一步提升焊接效率，使得激光焊接技術(shù)能夠更好地應(yīng)用于現(xiàn)代大型生產(chǎn)，特別是大型制造業(yè)以及建筑業(yè)，西方發(fā)達國家近年來在積極研究如何提升激光焊接的效率，通過大功率激光器的研究，進一步推動和實現(xiàn)大功率激光焊接技術(shù)的實現(xiàn)，由此真正將其應(yīng)用到大型制造業(yè)、建筑業(yè)甚至是軍事領(lǐng)域，進行潛艇以及軍艦的制造。

2016年，激光焊接技術(shù)研究在國內(nèi)走在前列的當(dāng)屬哈爾濱焊接研究所。近年來，其除了進一步拓寬和研發(fā)新的激光焊接種類以及設(shè)備之外，也在積極模仿以及參照國外研究的最新動向，不斷尋求大功率激光焊接技術(shù)的突破與發(fā)展。而最新的研究成果顯示，他們成功克服了國內(nèi)大型構(gòu)件的焊接難題，這無疑標志著我國在激光焊接技術(shù)領(lǐng)域的重大突破，也為未來大型工程重大應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。除此之外，2016年國內(nèi)的激光焊接技術(shù)研究還集中在激光熱絲焊、異種金屬焊等領(lǐng)域，他們都是現(xiàn)代激光焊接技術(shù)研究的最新課題。而國外在相關(guān)研究領(lǐng)域已經(jīng)取得了突破，特別是德國已經(jīng)初步掌握了異種金屬焊的技巧和方式，而未來我國要想真正熟練的應(yīng)用以及掌握激光焊接技術(shù)，將其應(yīng)用到更多的領(lǐng)域以及行業(yè)內(nèi)，無疑就必須要攻破上述課題，要進一步完善以及優(yōu)化激光焊接技術(shù)。

塑料激光焊接基本介紹

當(dāng)被粘接的塑料零部件不能承受振動、或者水密氣密要求非常高、或要求無菌無粉塵環(huán)境(如醫(yī)療器械和食品包裝)時，激光焊接技術(shù)就能派上很大用場。激光焊接技術(shù)速度快，特別適用于汽車塑料零部件的流水線加工。另外對于那些很難使用其它焊接方法粘接的復(fù)雜的幾何體，可以考慮使用激光焊接技術(shù)。

塑料激光焊接優(yōu)點

激光加工具有很多優(yōu)點，其中有：

? 焊接設(shè)備不需要和被粘結(jié)的塑料零部件相接觸。

? 速度快。

? 設(shè)備自動化程度高，很方便的用于復(fù)雜塑料零部件加工。

? 不會出現(xiàn)飛邊。

? 焊接牢固。

? 可以得到高精度的焊接件。

? 無振動技術(shù)。

? 能產(chǎn)生氣密性的或者真空密封結(jié)構(gòu)。

? 最小化熱損壞和熱變形。

? 可以將不同組成或不同顏色的樹脂粘結(jié)在一起。

塑料激光焊接優(yōu)勢

激光焊接應(yīng)用于塑料部件熔接的優(yōu)點包括：焊接精密、牢固和密封不透氣和不漏水，焊接過程中樹脂降解少、產(chǎn)生的碎屑少，制品的表面能夠在焊縫周圍嚴密地連接在一起。激光焊接沒有殘渣的優(yōu)點，使它更適用于國家食品藥品監(jiān)督管理局管制的醫(yī)藥制品及電子傳感器等。

易于控制，可焊接尺寸小或外形結(jié)構(gòu)復(fù)雜的工件。由于激光便于計算機軟件控制，而且光纖激光器輸出可靈活地達到零件各個細微部位，采用激光焊接能夠焊接其它焊接方法不易達到的區(qū)域，焊接具有復(fù)雜外形、甚至是三維幾何形狀的制品。

與其他熔接方法比較，激光焊接大幅減少制品的振動應(yīng)力和熱應(yīng)力。這意味著制品或者裝置內(nèi)部組件的老化速度更慢，可應(yīng)用于易損壞的制品。能夠焊接許多種類不同的材料。例如，能將透過近紅外激光的聚碳酸脂，玻纖增強的黑色聚對苯二甲酸丁二脂連接在一起，而其它的焊接方法根本不可能將兩種在結(jié)構(gòu)、軟化點和增強材料等方面如此不同的聚合物連接起來。

塑料激光焊接工藝

最常用的激光焊接形式被稱為激光透射焊接。該技術(shù)的過程為：首先將兩個待焊接塑料零部件夾在一起，然后將一束短波紅外區(qū)的激光定向到待粘結(jié)的部位。激光束通過上層透明材料，然后被下層材料吸收。激光能量被吸收使得下層材料溫度升高，熔化上層以及和下層的塑料。上層材料可以是透明的或者是有顏色的，但是必須能夠保證有足夠的激光通過。

圖 1: 激光透射焊接的工作示意圖

在過去由于兩個透明的塑料層都不能吸收足夠的激光能量，利用透射技術(shù)將它們焊接在一起是不可能；同樣由于光束不具備足夠的穿透能力，達到加熱焊接接觸面的作用，利過透射技術(shù)將兩個黑色層的材料焊接在一起也是不可能的。但是最近的技術(shù)進步，已經(jīng)可以將這兩種類型的材料焊接在一起。

塑料激光焊接設(shè)備

激光透射焊接技術(shù)主要使用兩類激光設(shè)備：一個是摻釹釔鋁石榴石合成晶體(Nd3 :YAG)，另一個是半導(dǎo)體二極管。Nd3 :YAG激光的波長為1064納米(nm)，容易被含有特殊填料或顏料的塑料吸收?？梢酝ㄟ^光導(dǎo)纖維將激光很方便的傳送到激光頭，尤其是在使用自動化裝置的焊接技術(shù)。

二極管激光器產(chǎn)生的波長范圍在800-1000nm之間，這對焊接來說是效率最高的能量區(qū)域。它結(jié)構(gòu)緊湊，可以很方便的安裝在自動化設(shè)備上。二極管激光的吸收特征和Nd3 :YAG的吸收特征類似。

塑料焊接有時也使用二氧化碳(CO2)激光器。它能產(chǎn)生10600nm的光波，這同Nd3 :YAG和二極管激光器產(chǎn)生激光相比，更容易被塑料吸收。但是二氧化碳激光的穿透性能沒有其它兩種激光器產(chǎn)生的激光。因此二氧化碳激光器主要用于薄膜材料焊接。

激光類型 CO2 Nd3 :YAG 二極管

波長 (um) 10.6 1.06 0.8-1.0

最大能量 (W) 60,000 6,000 6,000

效率 10% 3% 30%

透射光束 鏡面反射 光纖及鏡面 光纖及鏡面

最小的光點大小(mm) 0.2-0.7(直徑) 0.1-0.5(直徑) 0.5x0.5

表 1: 市場上常用的塑料激光加工技術(shù)對比

使用Nd:YAG或二極管激光的透射焊接技術(shù)，可以以超過20米/分的線速度將1mm以上厚度的塑料件焊接在一起。二氧化碳激光器焊接薄膜的速度可以高達750米/分。

塑料激光焊接材料

幾乎所有的熱塑性塑料和熱塑性彈性體都可以使用激光焊接技術(shù)。常用的焊接材料有 PP、PS、PC、ABS、聚酰胺、PMMA、聚甲醛、PET以及PBT等。而其它的一些工程塑料如聚苯硫醚PPS和液晶聚合物等，由于其具有較低的激光透過率而不太適合使用激光焊接技術(shù)。因此常常在底層材料上加入炭黑，以便使其能吸收足夠能量，從而滿足激光透射焊接的要求。

圖 2：可用于激光焊接的聚合物

未填充的或者玻纖增強的聚合材料都可以用于激光焊接。但是過高的玻纖含量會散射發(fā)出得IR激光，降低光束通過聚合物的穿透力。有色塑料也可以用于激光焊接，但是隨著顏料或染料含量的增加，激光束的通過塑料的穿透能力會有所下降。

塑料激光焊接焊接類型

塑料激光焊接有幾種不同的焊接方式。

輪廓焊接(contour welding)：激光沿著塑料焊接層的輪廓線移動并使其熔化，將塑料層逐漸的粘結(jié)在一起；或者將被夾層沿著固定的激光束移動達到焊接的目的。

同步焊接(simultaneous welding)：來自多個二極管激光束被引導(dǎo)到沿著焊接層的輪廓線上，并熔化塑料，從而使得整個輪廓同時熔化并粘結(jié)在一起。

準同步焊接(Quasi-simultaneous welding)： 該技術(shù)綜合了上述兩種焊接技術(shù)。利用反射鏡產(chǎn)生高速激光束(至少10 米/秒的速度)，并沿著待焊接的部位移動，使得整個焊接處逐漸發(fā)熱并熔合在一起。

掩模焊接（mask welding）：激光束通過模板進行定位、熔化并粘結(jié)塑料，該模板只暴露出下面塑料層的一個很小的、精確的焊接部位。使用這種技術(shù)可以實現(xiàn)低至10微米的高精度焊接。掩膜焊接是瑞士萊丹（Leister）公司的專利技術(shù)。

圖 3: 順序型周線焊接、同步焊接和準同步焊接技術(shù)（左到右）

Globo焊接(GLOBO Welding)是沿著產(chǎn)品的輪廓周線進行焊接的，它是瑞士萊丹（Leister）公司的專利技術(shù)。激光束經(jīng)由氣墊式，可無摩擦任意滾動的玻璃球點狀式的聚焦于焊接界面，該玻璃球不僅僅進行聚焦而且也充當(dāng)機械夾緊夾具。當(dāng)該球在表面上滾動時，為接合面提供了持續(xù)壓力。這就確保了在激光加熱材料的同時有壓力夾緊。該玻璃球取代了機械夾具，同時擴大了激光焊接在連續(xù)三維焊接中的應(yīng)用范圍。

塑料激光焊接應(yīng)用

在汽車工業(yè)，激光焊接塑料技術(shù)可用于制造很多汽車零部件，如燃油噴嘴、變檔機架、發(fā)動機傳感器、駕駛室機架、液壓油箱、過濾架、前燈和尾燈等。其它汽車方面的應(yīng)用還包括進氣管光歧管的制造以及輔助水泵的制造。

圖 4: 激光焊接技術(shù)加工的汽車前燈，使用了可以聚焦激光同時還起到夾持工具作用的玻璃球面

在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，激光焊接技術(shù)可用于制造液體儲槽、液體過濾器材、軟管連接頭、造口術(shù)袋子、助聽器、移植體、分析用的微流體器件等。

圖 5: 激光焊接技術(shù)制造的微流體器件，利用了該技術(shù)的高精度的特點

激光焊接是一項無振動技術(shù)，因此它特別適合用于加工精密的電子元器件。通過激光技術(shù)制造的器材有鼠標、移動電話、連接器件等。激光技術(shù)制造的汽車電子產(chǎn)品有自動門鎖、無鑰匙進出設(shè)備以及傳感器等。

激光還可以將塑料薄膜焊接在一起，它沿著薄膜的邊緣移動，通過粘接作用形成一個包裝用的封體結(jié)構(gòu)。操作過程可以完成的非?？?。根據(jù)TWI公司的資料，它使用100W的二氧化碳激光可以以100米/分的速度焊接100微米的聚乙烯薄膜。

圖 6:激光焊接兩聚乙烯薄膜的顯微圖象

• 前言

• 第1章　緒論

• 第2章　激光的物理特性

• 第3章　工業(yè)激光器及其加工系統(tǒng)

• 第4章　激光與材料之間的相互作用

• 第5章　激光焊接特性

• 第6章　現(xiàn)代激光焊接技術(shù)

• 第7章　激光焊接過程質(zhì)量監(jiān)測

• 第8章　激光焊接過程的數(shù)值計算