激光焊接技術原理

激光焊接可以采用連續(xù)或脈沖激光束加以實現(xiàn)，激光焊接的原理可分為熱傳導型焊接和激光深熔焊接。功率密度小于10⁴~10⁵ W/cm²為熱傳導焊，此時熔深淺、焊接速度慢；功率密度大于10⁵~10⁷ W/cm²時，金屬表面受熱作用下凹成“孔穴”，形成深熔焊，具有焊接速度快、深寬比大的特點。

其中熱傳導型激光焊接原理為：激光輻射加熱待加工表面，表面熱量通過熱傳導向內(nèi)部擴散，通過控制激光脈沖的寬度、能量、峰功率和重復頻率等激光參數(shù)，使工件熔化，形成特定的熔池。

用于齒輪焊接和冶金薄板焊接用的激光焊接機主要涉及激光深熔焊接。

激光深熔焊接一般采用連續(xù)激光光束完成材料的連接，其冶金物理過程與電子束焊接極為相似，即能量轉(zhuǎn)換機制是通過“小孔”（Key-hole）結(jié)構來完成的。在足夠高的功率密度激光照射下，材料產(chǎn)生蒸發(fā)并形成小孔。這個充滿蒸氣的小孔猶如一個黑體，幾乎吸收全部的入射光束能量，孔腔內(nèi)平衡溫度達2500 0C左右，熱量從這個高溫孔腔外壁傳遞出來，使包圍著這個孔腔四周的金屬熔化。小孔內(nèi)充滿在光束照射下壁體材料連續(xù)蒸發(fā)產(chǎn)生的高溫蒸汽，小孔四壁包圍著熔融金屬，液態(tài)金屬四周包圍著固體材料（而在大多數(shù)常規(guī)焊接過程和激光傳導焊接中，能量首先沉積于工件表面，然后靠傳遞輸送到內(nèi)部）。孔壁外液體流動和壁層表面張力與孔腔內(nèi)連續(xù)產(chǎn)生的蒸汽壓力相持并保持著動態(tài)平衡。光束不斷進入小孔，小孔外的材料在連續(xù)流動，隨著光束移動，小孔始終處于流動的穩(wěn)定狀態(tài)。就是說，小孔和圍著孔壁的熔融金屬隨著前導光束前進速度向前移動，熔融金屬充填著小孔移開后留下的空隙并隨之冷凝，焊縫于是形成。上述過程的所有這一切發(fā)生得如此快，使焊接速度很容易達到每分鐘數(shù)米。

由光學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，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長。

用于焊接的主要有兩種激光, 即CO2 激光和Nd:YAG激光。CO2 激光和Nd: YAG激光都是肉眼不可見紅外光。Nd: YAG激光產(chǎn)生的光束主要是近紅外光,波長為1. 06 Lm, 熱導體對這種波長的光吸收率較高,對于大部分金屬, 它的反射率為20% ~ 30%。只要使用標準的光鏡就能使近紅外波段的光束聚焦為直徑0. 25 mm。CO2 激光的光束為遠紅外光, 波長為10. 6Lm, 大部分金屬對這種光的反射率達到80% ~ 90%,需要特別的光鏡把光束聚焦成直徑為0. 75 - 0. 1mm。Nd: YAG激光功率一般能達到4 000~ 6 000W左右, 現(xiàn)在最大功率已達到10 000W。而CO2 激光功率卻能輕易達到20 000W甚至更大。

大功率的CO2 激光通過小孔效應來解決高反射率的問題, 當光斑照射的材料表面熔化時形成小孔, 這個充滿蒸氣的小孔猶如一個黑體, 幾乎全部吸收入射光線的能量, 孔腔內(nèi)平衡溫度達25 000 e 左右, 在幾微秒的時間內(nèi), 反射率迅速下降。CO2 激光器的發(fā)展重點雖然仍集中于設備的開發(fā)研制, 但已不在于提高最大的輸出功率, 而在于如何提高光束質(zhì)量及其聚焦性能。另外, CO2 激光10 kW以上大功率焊接時, 若使用氬氣保護氣體, 常誘發(fā)很強的等離子體, 使熔深變淺。因此,CO2 激光大功率焊接時, 常使用不產(chǎn)生等離子體的氦氣作為保護氣體。

用于激發(fā)高功率Nd: YAG晶體的二極管激光組合的應用是一項重要的發(fā)展課題, 必將大大提高激光束的質(zhì)量, 并形成更加有效的激光加工。采用直接二極管陣列激發(fā)輸出波長在近紅外區(qū)域的激光, 其平均功率已達1 kW, 光電轉(zhuǎn)換效率接近50% 。二極管還具有更長的使用壽命( 10 000 h), 有利于降低激光設備的維護成本。二極管泵浦固體激光設備(DPSSL)的開發(fā)。

(1)功率密度。 功率密度是激光加工中最關鍵的參數(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(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)，也是決定加工設備造價及體積的關鍵參數(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。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(xiàn)部分汽化，形成高壓蒸汽，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。

(5)焊接速度。焊接速度的快慢會影響單位時間內(nèi)的熱輸入量，焊接速度過慢，則熱輸入量過大，導致工件燒穿，焊接速度過快，則熱輸入量過小，造成工件焊不透。

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元件（如鏡子）導引，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復合焊，實現(xiàn)大熔深焊接，同時熱輸入量比MIG焊大為減小。

傳感器密封焊接采用的方法有：電阻焊、氬弧焊、電子束焊、等離子焊等。

1. 電阻焊：它用來焊接薄金屬件，在兩個電極間夾緊被焊工件通過大的電流熔化電極接觸的表面，即通過工件電阻發(fā)熱來實施焊接。工件易變形，電阻焊通過接頭兩邊焊合，而激光焊只從單邊進行，電阻焊所用電極需經(jīng)常維護以清除氧化物和從工件粘連著的金屬，激光焊接薄金屬搭接接頭時并不接觸工件，再者，光束還可進入常規(guī)焊難以焊及的區(qū)域，焊接速度快。

2. 氬弧焊：使用非消耗電極與保護氣體，常用來焊接薄工件，但焊接速度較慢，且熱輸入比激光焊大很多，易產(chǎn)生變形。

3. 等離子弧焊：與氬弧類似，但其焊炬會產(chǎn)生壓縮電弧，以提高弧溫和能量密度，它比氬弧焊速度快、熔深大，但遜于激光焊。

4.電子束焊：它靠一束加速高能密度電子流撞擊工件，在工件表面很小密積內(nèi)產(chǎn)生巨大的熱，形成"小孔"效應，從而實施深熔焊接。電子束焊的主要缺點是需要高真空環(huán)境以防止電子散射，設備復雜，焊件尺寸和形狀受到真空室的限制，對焊件裝配質(zhì)量要求嚴格，非真空電子束焊也可實施，但由于電子散射而聚焦不好影響效果。電子束焊還有磁偏移和X射線問題，由于電子帶電，會受磁場偏轉(zhuǎn)影響，故要求電子束焊工件焊前去磁處理。X射線在高壓下特別強，需對操作人員實施保護。激光焊則不需 真空室和對工件焊前進行去磁處理，它可在大氣中進行，也沒有防X射線問題，所以可在生產(chǎn)線內(nèi)聯(lián)機操作，也可焊接磁性材料。

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。

20世紀80年代中期，激光焊接作為新技術在歐洲、美國、日本得到了廣泛的關注。1985年德國蒂森鋼鐵公司與德國大眾汽車公司合作，在Audi100車身上成功采用了全球第一塊激光拼焊板。90年代歐洲、北美、日本各大汽車生產(chǎn)廠開始在車身制造中大規(guī)模使用激光拼焊板技術。無論實驗室還是汽車制造廠的實踐經(jīng)驗，均證明了拼焊板可以成功地應用于汽車車身的制造。

激光拼焊是采用激光能源，將若干不同材質(zhì)、不同厚度、不同涂層的鋼材、不銹鋼材、鋁合金材等進行自動拼合和焊接而形成一塊整體板材、型材、夾芯板等，以滿足零部件對材料性能的不同要求，用最輕的重量、最優(yōu)結(jié)構和最佳性能實現(xiàn)裝備輕量化。在歐美等發(fā)達國家，激光拼焊不僅在交通運輸裝備制造業(yè)中被使用，還在建筑業(yè)、橋梁、家電板材焊接生產(chǎn)、軋鋼線鋼板焊接（連續(xù)軋制中的鋼板連接）等領域中被大量使用。

世界著名的激光焊接企業(yè)有瑞士Soudonic公司、法國阿賽洛鋼鐵集團、德國蒂森克虜伯集團TWB公司、加拿大Servo-Robot公司、德國Precitec公司等。

中國的激光拼焊板技術應用剛剛起步，2002年10月25日，中國第一條激光拼焊板專業(yè)化商業(yè)生產(chǎn)線正式投入運行，由武漢蒂森克虜伯中人激光拼焊從德國蒂森克虜伯集團TWB公司引進。此后上海寶鋼阿賽洛激光拼焊公司、一汽寶友激光拼焊有限公司等相繼投產(chǎn)。

2003年，國外實現(xiàn)了A318鋁合金下壁板結(jié)構雙光束C02激光填絲焊和YAG激光填絲焊，它代替?zhèn)鹘y(tǒng)鉚結(jié)構減輕了飛機機身重量的20%，同時也節(jié)約了20%的成本。鞏水利認定激光焊接技術將對我國傳統(tǒng)航空制造業(yè)改造升級產(chǎn)生重大意義。隨后他立即申請多項相關預研課題，組織攻關團隊，在國內(nèi)率先將“雙光束激光焊接”技術引入到課題研究中，并且從一開始就醞釀要將這項技術用到飛機制造中。中國專家團隊向某飛機設計所交底初步技術，向他們推介雙光束激光焊接的優(yōu)越性和可行性。該設計所經(jīng)多方考證和評估，毅然決定將該技術用于某飛機帶筋壁板的制造，實現(xiàn)了最初要把“雙光束激光焊接”技術應用到飛機制造的目標，突破了輕質(zhì)合金激光焊接填絲精度控制等關鍵技術，集成創(chuàng)新研制了雙光束激光填絲復合焊接裝置，建立了國內(nèi)首個大功率雙光束激光填絲焊接平臺，實現(xiàn)了大型薄壁結(jié)構T型接頭雙光束雙側(cè)同步焊接，并首次成功應用于航空帶筋壁板關鍵結(jié)構件的焊接制造中，在我國新型飛機研制中發(fā)揮了重要作用。

2003年 由華工激光提供的國內(nèi)首臺大型帶材在線式焊接成套設備通過離線驗收。該設備集激光切割、焊接和熱處理于一身，使我國華工激光成為世界上第四家能夠生產(chǎn)此類設備的企業(yè)。

2004年 華工激光法利萊“高功率激光切割,焊接及切焊組合加工技術與設備”項目獲得國家科學技術進步二等獎,成為國內(nèi)唯一具備該項技術與設備研制能力的激光企業(yè)。

隨著工業(yè)激光產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，市場對激光加工技術的要求越來越高，激光技術已從單一應用逐漸轉(zhuǎn)向多元化應用，激光加工方面不再是單一的切割或者焊接，市場對激光加工要求切割和焊接一體化的需求也越來越多，激光切割和激光焊接的切焊一體化激光加工設備應運而生。

華工激光法利萊研究開發(fā)Walc9030切焊一體機，9×3米超大幅面，是目前世界最大幅面的激光切焊一體化設備。Walc9030是集成了激光切割與激光焊接功能于一體的大幅面切焊設備，設備具有專業(yè)的切割頭和焊接頭，兩個加工頭共用一個橫梁，用數(shù)控技術保證其不會互相干涉，設備能夠完成同時需要切割與焊接兩道工序。先切后焊，先焊后切，激光切割、焊接輕松進行切換，一臺設備，兩種功能，而不用另外添置新的設備，為應用廠家節(jié)約了設備成本，提高了加工效率和加工范圍，而且由于切焊一體，加工精度得到了完全的保障，設備性能高效穩(wěn)定。 此外，它攻克了超大板材拼焊過程中板材易產(chǎn)生熱變形和如何保持超長飛行光路穩(wěn)定實現(xiàn)的難關，可以將兩塊長6米寬1.5米的平面板材一次性焊接完成，焊后表面光滑平整，無需其他后續(xù)加工。同時可以切割寬3米長度6米以上的20mm以下的板材，一次成型，無需二次位。

中科院沈陽自動化研究所與日本石川島播磨重工株式會社進行國際合作，遵循國家引進消化后再創(chuàng)新的科技發(fā)展戰(zhàn)略，攻克激光拼焊若干個關鍵技術，于2006年9月開發(fā)出國內(nèi)第一套激光拼焊成套生產(chǎn)線，并成功開發(fā)了機器人激光焊接系統(tǒng)，實現(xiàn)了平面和空間曲線的激光焊接。

2013年10月，中國焊接專家獲得了焊接領域最高學術獎--布魯克獎。英國焊接研究所(TWI)每年從來自120多個國家的4000余會員單位中推薦提名，最終將該獎項授予一位專家，以表彰其在焊接或連接科學技術與工業(yè)應用領域做出的卓越貢獻。這次獲獎不僅是對鞏水利及其團隊的認可，也是對中航工業(yè)推動材料連接技術進步的肯定。

激光焊接優(yōu)點

（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，且因熱傳導所導致的變形亦最低；

（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(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。

激光焊接缺點

（1）焊件位置需非常精確，務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(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(yōu)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。

激光焊接制造業(yè)

激光拼焊(TailoredBlandLaserWelding)技術在國外轎車制造中得到廣泛的應用，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。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。

激光焊接粉末冶金

隨著科學技術的不斷發(fā)展，許多工業(yè)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(yōu)點，在某些領域如汽車、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(jié)合強度低，熱影響區(qū)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。

激光焊接汽車工業(yè)

20世紀80年代后期，千瓦級激光成功應用于工業(yè)生產(chǎn)，而今激光焊接生產(chǎn)線已大規(guī)模出現(xiàn)在汽車制造業(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金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)。

激光焊接電子工業(yè)

激光焊接在電子工業(yè)中，特別是微電子工業(yè)中得到了廣泛的應用。由于激光焊接熱影響區(qū)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(yōu)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(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，得到廣泛的應用。

近年來激光焊接又逐漸應用到印制電路板的裝聯(lián)過程中。隨著電路的集成度越來越高，零件尺寸越來越小，引腳間距也變得更小，以往的工具已經(jīng)很難在細小的空間操作。激光由于不需要接觸到零件即可實現(xiàn)焊接，很好的解決了這個問題，受到電路板制造商的重視。

激光焊接生物醫(yī)學

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(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，保持焊接部位的機械性質(zhì)，被修復組織按其原生物力學性狀生長等優(yōu)點將在以后的生物醫(yī)學中得到更廣泛的應用。

激光焊接其他

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。

塑料激光焊接基本介紹

當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，激光焊接技術就能派上很大用場。激光焊接技術速度快，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雜的幾何體，可以考慮使用激光焊接技術。

塑料激光焊接優(yōu)點

激光加工具有很多優(yōu)點，其中有：

? 焊接設備不需要和被粘結(jié)的塑料零部件相接觸。

? 速度快。

? 設備自動化程度高，很方便的用于復雜塑料零部件加工。

? 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。

? 能產(chǎn)生氣密性的或者真空密封結(jié)構。

? 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)構復雜的工件。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力和熱應力。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、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。

塑料激光焊接設備

激光透射焊接技術主要使用兩類激光設備：一個是摻釹釔鋁石榴石合成晶體(Nd3 :YAG)，另一個是半導體二極管。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。可以通過光導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。

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)構緊湊，可以很方便的安裝在自動化設備上。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對比

使用Nd:YAG或二極管激光的透射焊接技術，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。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。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)： 該技術綜合了上述兩種焊接技術。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。

圖 3: 順序型周線焊接、同步焊接和準同步焊接技術（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。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機械夾緊夾具。當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)三維焊接中的應用范圍。

塑料激光焊接應用

在汽車工業(yè)，激光焊接塑料技術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)學領域，激光焊接技術可用于制造液體儲槽、液體過濾器材、軟管連接頭、造口術袋子、助聽器、移植體、分析用的微流體器件等。

圖 5: 激光焊接技術制造的微流體器件，利用了該技術的高精度的特點

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

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。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

激光焊接機功率密度

功率密度是激光加工中最關鍵的參數(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，在傳導型激光焊接中，功率密度在范圍在104~106W/cm2。

激光焊接機脈沖波形

脈沖波形在焊接中是一個重要問題，尤其對于薄片焊接更為重要。當高強度束射至材料表面，金屬表面將會有的能量反射而損失掉，且反射率隨表面溫度變化。在一個脈沖作用期間內(nèi)，金屬反射率的變化很大。

激光焊接機脈沖寬度

脈寬是脈沖焊接的重要參數(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)，也是決定加工設備造價及體積的關鍵參數(shù)。

激光焊接機離焦量的影響

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。