激光焊接

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(jiàn)紅外光。Nd: YAG激光產(chǎn)生的光束主要是近紅外光,波長(zhǎng)為1. 06 Lm, 熱導(dǎo)體對(duì)這種波長(zhǎng)的光吸收率較高,對(duì)于大部分金屬, 它的反射率為20% ~ 30%。只要使用標(biāo)準(zhǔn)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(yuǎn)紅外光, 波長(zhǎng)為10. 6Lm, 大部分金屬對(duì)這種光的反射率達(dá)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(dá)到4 000~ 6 000W左右, 現(xiàn)在最大功率已達(dá)到10 000W。而CO2 激光功率卻能輕易達(dá)到20 000W甚至更大。

大功率的CO2 激光通過(guò)小孔效應(yīng)來(lái)解決高反射率的問(wèn)題, 當(dāng)光斑照射的材料表面熔化時(shí)形成小孔, 這個(gè)充滿蒸氣的小孔猶如一個(gè)黑體, 幾乎全部吸收入射光線的能量, 孔腔內(nèi)平衡溫度達(dá)25 000 e 左右, 在幾微秒的時(shí)間內(nèi), 反射率迅速下降。CO2 激光器的發(fā)展重點(diǎn)雖然仍集中于設(shè)備的開(kāi)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(shí), 若使用氬氣保護(hù)氣體, 常誘發(fā)很強(qiáng)的等離子體, 使熔深變淺。因此,CO2 激光大功率焊接時(shí), 常使用不產(chǎn)生等離子體的氦氣作為保護(hù)氣體。

用于激發(fā)高功率Nd: YAG晶體的二極管激光組合的應(yīng)用是一項(xiàng)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(zhǎng)在近紅外區(qū)域的激光, 其平均功率已達(dá)1 kW, 光電轉(zhuǎn)換效率接近50% 。二極管還具有更長(zhǎng)的使用壽命( 10 000 h), 有利于降低激光設(shè)備的維護(hù)成本。二極管泵浦固體激光設(shè)備(DPSSL)的開(kāi)發(fā)。

(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(shí)間范圍內(nèi)，表層即可加熱至沸點(diǎn)，產(chǎn)生大量汽化。因此，高功率密度對(duì)于材料去除加工，如打孔、切割、雕刻有利。對(duì)于較低功率密度，表層溫度達(dá)到沸點(diǎn)需要經(jīng)歷數(shù)毫秒，在表層汽化前，底層達(dá)到熔點(diǎn)，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(gè)重要問(wèn)題，尤其對(duì)于薄片焊接更為重要。當(dāng)高強(qiáng)度激光束射至材料表面，金屬表面將會(huì)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(gè)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(jià)及體積的關(guān)鍵參數(shù)。

(4)離焦量對(duì)焊接質(zhì)量的影響。 激光焊接通常需要一定的離焦量，因?yàn)榧す饨裹c(diǎn)處光斑中心的功率密度過(guò)高，容易蒸發(fā)成孔。離開(kāi)激光焦點(diǎn)的各平面上，功率密度分布相對(duì)均勻。離焦方式有兩種：正離焦與負(fù)離焦。焦平面位于工件上方為正離焦，反之為負(fù)離焦。按幾何光學(xué)理論，當(dāng)正負(fù)離焦平面與焊接平面距離相等時(shí)，所對(duì)應(yīng)平面上功率密度近似相同，但實(shí)際上所獲得的熔池形狀不同。負(fù)離焦時(shí)，可獲得更大的熔深，這與熔池的形成過(guò)程有關(guān)。實(shí)驗(yàn)表明，激光加熱50~200us材料開(kāi)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(shí)，高濃度汽體使液相金屬運(yùn)動(dòng)至熔池邊緣，在熔池中心形成凹陷。當(dāng)負(fù)離焦時(shí)，材料內(nèi)部功率密度比表面還高，易形成更強(qiáng)的熔化、汽化，使光能向材料更深處傳遞。所以在實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)要求熔深較大時(shí)，采用負(fù)離焦；焊接薄材料時(shí)，宜用正離焦。

(5)焊接速度。焊接速度的快慢會(huì)影響單位時(shí)間內(nèi)的熱輸入量，焊接速度過(guò)慢，則熱輸入量過(guò)大，導(dǎo)致工件燒穿，焊接速度過(guò)快，則熱輸入量過(guò)小，造成工件焊不透。

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(shí)，開(kāi)始產(chǎn)生同相位光波且在兩端鏡間來(lái)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(kāi)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(jiàn)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(jìn)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(zhǎng)的光束-激光。由于具同相位及單一波長(zhǎng)，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(zhǎng)。

激光焊接可以采用連續(xù)或脈沖激光束加以實(shí)現(xiàn)，激光焊接的原理可分為熱傳導(dǎo)型焊接和激光深熔焊接。功率密度小于10⁴~10⁵ W/cm²為熱傳導(dǎo)焊，此時(shí)熔深淺、焊接速度慢；功率密度大于10⁵~10⁷ W/cm²時(shí)，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(diǎn)。

其中熱傳導(dǎo)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(guò)熱傳導(dǎo)向內(nèi)部擴(kuò)散，通過(guò)控制激光脈沖的寬度、能量、峰功率和重復(fù)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(jī)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(guò)程與電子束焊接極為相似，即能量轉(zhuǎn)換機(jī)制是通過(guò)“小孔”（Key-hole）結(jié)構(gòu)來(lái)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(gè)充滿蒸氣的小孔猶如一個(gè)黑體，幾乎吸收全部的入射光束能量，孔腔內(nèi)平衡溫度達(dá)2500 0C左右，熱量從這個(gè)高溫孔腔外壁傳遞出來(lái)，使包圍著這個(gè)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(guò)程和激光傳導(dǎo)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）?？妆谕庖后w流動(dòng)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(dòng)態(tài)平衡。光束不斷進(jìn)入小孔，小孔外的材料在連續(xù)流動(dòng)，隨著光束移動(dòng)，小孔始終處于流動(dòng)的穩(wěn)定狀態(tài)。就是說(shuō)，小孔和圍著孔壁的熔融金屬隨著前導(dǎo)光束前進(jìn)速度向前移動(dòng)，熔融金屬充填著小孔移開(kāi)后留下的空隙并隨之冷凝，焊縫于是形成。上述過(guò)程的所有這一切發(fā)生得如此快，使焊接速度很容易達(dá)到每分鐘數(shù)米。

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(lái)焊接薄金屬件，在兩個(gè)電極間夾緊被焊工件通過(guò)大的電流熔化電極接觸的表面，即通過(guò)工件電阻發(fā)熱來(lái)實(shí)施焊接。工件易變形，電阻焊通過(guò)接頭兩邊焊合，而激光焊只從單邊進(jìn)行，電阻焊所用電極需經(jīng)常維護(hù)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(shí)并不接觸工件，再者，光束還可進(jìn)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(hù)氣體，常用來(lái)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(huì)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(yīng)，從而實(shí)施深熔焊接。電子束焊的主要缺點(diǎn)是需要高真空環(huán)境以防止電子散射，設(shè)備復(fù)雜，焊件尺寸和形狀受到真空室的限制，對(duì)焊件裝配質(zhì)量要求嚴(yán)格，非真空電子束焊也可實(shí)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(wèn)題，由于電子帶電，會(huì)受磁場(chǎng)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(qiáng)，需對(duì)操作人員實(shí)施保護(hù)。激光焊則不需 真空室和對(duì)工件焊前進(jìn)行去磁處理，它可在大氣中進(jìn)行，也沒(méi)有防X射線問(wèn)題，所以可在生產(chǎn)線內(nèi)聯(lián)機(jī)操作，也可焊接磁性材料。

激光焊接制造業(yè)

激光拼焊(TailoredBlandLaserWelding)技術(shù)在國(guó)外轎車制造中得到廣泛的應(yīng)用，據(jù)統(tǒng)計(jì)，2000年全球范圍內(nèi)剪裁坯板激光拼焊生產(chǎn)線超過(guò)100條，年產(chǎn)轎車構(gòu)件拼焊坯板7000萬(wàn)件，并繼續(xù)以較高速度增長(zhǎng)。國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的引進(jìn)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(duì)焊進(jìn)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(wú)法熔焊，但通過(guò)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(kāi)發(fā)了將YAG激光焊用于核反應(yīng)堆中蒸氣發(fā)生器細(xì)管的維修等，在國(guó)內(nèi)蘇寶蓉等還進(jìn)行了齒輪的激光焊接技術(shù)。

激光焊接粉末冶金

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，許多工業(yè)技術(shù)上對(duì)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(diǎn)，在某些領(lǐng)域如汽車、飛機(jī)、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(wèn)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(dú)特的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)入粉末冶金材料加工領(lǐng)域，為粉末冶金材料的應(yīng)用開(kāi)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(qiáng)度低，熱影響區(qū)寬特別是不能適應(yīng)高溫及強(qiáng)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(qiáng)度以及耐高溫性能。

激光焊接汽車工業(yè)

20世紀(jì)80年代后期，千瓦級(jí)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)在汽車制造業(yè)，成為汽車制造業(yè)突出的成就之一。德國(guó)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(jì)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(guó)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(qiáng)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(lái)越多，根據(jù)美國(guó)金屬市場(chǎng)統(tǒng)計(jì)，至2002年底，激光焊接鋼結(jié)構(gòu)的消耗將達(dá)到70000t比1998年增加3倍。根據(jù)汽車工業(yè)批量大、自動(dòng)化程度高的特點(diǎn)，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(guó)Sandia國(guó)家實(shí)驗(yàn)室與PrattWitney聯(lián)合進(jìn)行在激光焊接過(guò)程中添加粉末金屬和金屬絲的研究，德國(guó)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(jìn)行了大量的研究，認(rèn)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(wèn)題，開(kāi)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(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(dú)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。

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

激光焊接生物醫(yī)學(xué)

生物組織的激光焊接始于20世紀(jì)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(lái)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(guó)內(nèi)外的研究主要集中在激光波長(zhǎng)、劑量及其對(duì)功能恢復(fù)以及激光焊料的選擇等方面的研究，劉銅軍進(jìn)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(duì)大白鼠膽總管進(jìn)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(guò)程中沒(méi)有異物反應(yīng)，保持焊接部位的機(jī)械性質(zhì)，被修復(fù)組織按其原生物力學(xué)性狀生長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)將在以后的生物醫(yī)學(xué)中得到更廣泛的應(yīng)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(guó)內(nèi)進(jìn)行了許多研究，如對(duì)BT20鈦合金、HEl30合金、Li-ion電池等激光焊接，德國(guó)玻璃機(jī)械制造商GlamacoCoswig公司與IFW接合技術(shù)與材料實(shí)驗(yàn)研究院合作開(kāi)發(fā)出了一種用于平板玻璃的激光焊接新技術(shù)。

世界上的第一個(gè)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(dá)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(zhǎng)光束。YAG激光，波長(zhǎng)為1.06uM，可以通過(guò)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(zhǎng)10.6uM），輸出能量可達(dá)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(jì)80年代中期，激光焊接作為新技術(shù)在歐洲、美國(guó)、日本得到了廣泛的關(guān)注。1985年德國(guó)蒂森鋼鐵公司與德國(guó)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(kāi)始在車身制造中大規(guī)模使用激光拼焊板技術(shù)。無(wú)論實(shí)驗(yàn)室還是汽車制造廠的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，均證明了拼焊板可以成功地應(yīng)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(jìn)行自動(dòng)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(duì)材料性能的不同要求，用最輕的重量、最優(yōu)結(jié)構(gòu)和最佳性能實(shí)現(xiàn)裝備輕量化。在歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家，激光拼焊不僅在交通運(yùn)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(lǐng)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(guó)阿賽洛鋼鐵集團(tuán)、德國(guó)蒂森克虜伯集團(tuán)TWB公司、加拿大Servo-Robot公司、德國(guó)Precitec公司等。

中國(guó)的激光拼焊板技術(shù)應(yīng)用剛剛起步，2002年10月25日，中國(guó)第一條激光拼焊板專業(yè)化商業(yè)生產(chǎn)線正式投入運(yùn)行，由武漢蒂森克虜伯中人激光拼焊從德國(guó)蒂森克虜伯集團(tuán)TWB公司引進(jìn)。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(guó)外實(shí)現(xiàn)了A318鋁合金下壁板結(jié)構(gòu)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(gòu)減輕了飛機(jī)機(jī)身重量的20%，同時(shí)也節(jié)約了20%的成本。鞏水利認(rèn)定激光焊接技術(shù)將對(duì)我國(guó)傳統(tǒng)航空制造業(yè)改造升級(jí)產(chǎn)生重大意義。隨后他立即申請(qǐng)多項(xiàng)相關(guān)預(yù)研課題，組織攻關(guān)團(tuán)隊(duì)，在國(guó)內(nèi)率先將“雙光束激光焊接”技術(shù)引入到課題研究中，并且從一開(kāi)始就醞釀要將這項(xiàng)技術(shù)用到飛機(jī)制造中。中國(guó)專家團(tuán)隊(duì)向某飛機(jī)設(shè)計(jì)所交底初步技術(shù)，向他們推介雙光束激光焊接的優(yōu)越性和可行性。該設(shè)計(jì)所經(jīng)多方考證和評(píng)估，毅然決定將該技術(shù)用于某飛機(jī)帶筋壁板的制造，實(shí)現(xiàn)了最初要把“雙光束激光焊接”技術(shù)應(yīng)用到飛機(jī)制造的目標(biāo)，突破了輕質(zhì)合金激光焊接填絲精度控制等關(guān)鍵技術(shù)，集成創(chuàng)新研制了雙光束激光填絲復(fù)合焊接裝置，建立了國(guó)內(nèi)首個(gè)大功率雙光束激光填絲焊接平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了大型薄壁結(jié)構(gòu)T型接頭雙光束雙側(cè)同步焊接，并首次成功應(yīng)用于航空帶筋壁板關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件的焊接制造中，在我國(guó)新型飛機(jī)研制中發(fā)揮了重要作用。

2003年 由華工激光提供的國(guó)內(nèi)首臺(tái)大型帶材在線式焊接成套設(shè)備通過(guò)離線驗(yàn)收。該設(shè)備集激光切割、焊接和熱處理于一身，使我國(guó)華工激光成為世界上第四家能夠生產(chǎn)此類設(shè)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(shù)與設(shè)備”項(xiàng)目獲得國(guó)家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步二等獎(jiǎng),成為國(guó)內(nèi)唯一具備該項(xiàng)技術(shù)與設(shè)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(chǎng)對(duì)激光加工技術(shù)的要求越來(lái)越高，激光技術(shù)已從單一應(yīng)用逐漸轉(zhuǎn)向多元化應(yīng)用，激光加工方面不再是單一的切割或者焊接，市場(chǎng)對(duì)激光加工要求切割和焊接一體化的需求也越來(lái)越多，激光切割和激光焊接的切焊一體化激光加工設(shè)備應(yīng)運(yùn)而生。

華工激光法利萊研究開(kāi)發(fā)Walc9030切焊一體機(jī)，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(shè)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(shè)備，設(shè)備具有專業(yè)的切割頭和焊接頭，兩個(gè)加工頭共用一個(gè)橫梁，用數(shù)控技術(shù)保證其不會(huì)互相干涉，設(shè)備能夠完成同時(shí)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(jìn)行切換，一臺(tái)設(shè)備，兩種功能，而不用另外添置新的設(shè)備，為應(yīng)用廠家節(jié)約了設(shè)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(shè)備性能高效穩(wěn)定。 此外，它攻克了超大板材拼焊過(guò)程中板材易產(chǎn)生熱變形和如何保持超長(zhǎng)飛行光路穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)的難關(guān)，可以將兩塊長(zhǎng)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(wú)需其他后續(xù)加工。同時(shí)可以切割寬3米長(zhǎng)度6米以上的20mm以下的板材，一次成型，無(wú)需二次位。

中科院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所與日本石川島播磨重工株式會(huì)社進(jìn)行國(guó)際合作，遵循國(guó)家引進(jìn)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(gè)關(guān)鍵技術(shù)，于2006年9月開(kāi)發(fā)出國(guó)內(nèi)第一套激光拼焊成套生產(chǎn)線，并成功開(kāi)發(fā)了機(jī)器人激光焊接系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了平面和空間曲線的激光焊接。

2013年10月，中國(guó)焊接專家獲得了焊接領(lǐng)域最高學(xué)術(shù)獎(jiǎng)--布魯克獎(jiǎng)。英國(guó)焊接研究所(TWI)每年從來(lái)自120多個(gè)國(guó)家的4000余會(huì)員單位中推薦提名，最終將該獎(jiǎng)項(xiàng)授予一位專家，以表彰其在焊接或連接科學(xué)技術(shù)與工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域做出的卓越貢獻(xiàn)。這次獲獎(jiǎng)不僅是對(duì)鞏水利及其團(tuán)隊(duì)的認(rèn)可，也是對(duì)中航工業(yè)推動(dòng)材料連接技術(shù)進(jìn)步的肯定。

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(guò)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(shí)現(xiàn)大熔深焊接，同時(shí)熱輸入量比MIG焊大為減小。

激光焊接優(yōu)點(diǎn)

（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(shí)間甚至可省掉填料金屬的使用；

（3）不需使用電極，沒(méi)有電極污染或受損的顧慮。且因不屬于接觸式焊接制程，機(jī)具的耗損及變形皆可降至最低；

（4）激光束易于聚焦、對(duì)準(zhǔn)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(jī)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(wú)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(dòng)化進(jìn)行高速焊接，亦可以數(shù)位或電腦控制；

（9）焊接薄材或細(xì)徑線材時(shí)，不會(huì)像電弧焊接般易有回熔的困擾；

（10）不受磁場(chǎng)所影響（電弧焊接及電子束焊接則容易），能精確的對(duì)準(zhǔn)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(hù)；

（13）若以穿孔式焊接，焊道深一寬比可達(dá)10:1；

（14）可以切換裝置將激光束傳送至多個(gè)工作站。

激光焊接缺點(diǎn)

（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(shí)，必須確保焊件的最終位置需與激光束將沖擊的焊點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)；

（3）最大可焊厚度受到限制滲透厚度遠(yuǎn)超過(guò)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(huì)受激光所改變；

（5）當(dāng)進(jìn)行中能量至高能量的激光束焊接時(shí)，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(jìn)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(xì)分為冷絲焊和熱絲焊）、外加磁場(chǎng)輔助增強(qiáng)激光焊、保護(hù)氣控制熔池深度激光焊、激光輔助攪拌摩擦焊等。

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(dòng)、或者水密氣密要求非常高、或要求無(wú)菌無(wú)粉塵環(huán)境(如醫(yī)療器械和食品包裝)時(shí)，激光焊接技術(shù)就能派上很大用場(chǎng)。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(duì)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(diǎn)

激光加工具有很多優(yōu)點(diǎn)，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(dòng)化程度高，很方便的用于復(fù)雜塑料零部件加工。

? 不會(huì)出現(xiàn)飛邊。

? 焊接牢固。

? 可以得到高精度的焊接件。

? 無(wú)振動(dòng)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(shù)脂粘結(jié)在一起。

塑料激光焊接優(yōu)勢(shì)

激光焊接應(yīng)用于塑料部件熔接的優(yōu)點(diǎn)包括：焊接精密、牢固和密封不透氣和不漏水，焊接過(guò)程中樹(shù)脂降解少、產(chǎn)生的碎屑少，制品的表面能夠在焊縫周圍嚴(yán)密地連接在一起。激光焊接沒(méi)有殘?jiān)膬?yōu)點(diǎn)，使它更適用于國(guó)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(jì)算機(jī)軟件控制，而且光纖激光器輸出可靈活地達(dá)到零件各個(gè)細(xì)微部位，采用激光焊接能夠焊接其它焊接方法不易達(dá)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(dòng)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(guò)近紅外激光的聚碳酸脂，玻纖增強(qiáng)的黑色聚對(duì)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(diǎn)和增強(qiáng)材料等方面如此不同的聚合物連接起來(lái)。

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(guò)程為：首先將兩個(gè)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(guò)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(guò)。

圖 1: 激光透射焊接的工作示意圖

在過(guò)去由于兩個(gè)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(dá)到加熱焊接接觸面的作用，利過(guò)透射技術(shù)將兩個(gè)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(jìn)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(gè)是摻釹釔鋁石榴石合成晶體(Nd3 :YAG)，另一個(gè)是半導(dǎo)體二極管。Nd3 :YAG激光的波長(zhǎng)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^(guò)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(dòng)化裝置的焊接技術(shù)。

二極管激光器產(chǎn)生的波長(zhǎng)范圍在800-1000nm之間，這對(duì)焊接來(lái)說(shuō)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(dòng)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(shí)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(méi)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(zhǎng) (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(diǎn)大小(mm) 0.2-0.7(直徑) 0.1-0.5(直徑) 0.5x0.5

表 1: 市場(chǎng)上常用的塑料激光加工技術(shù)對(duì)比

使用Nd:YAG或二極管激光的透射焊接技術(shù)，可以以超過(guò)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(dá)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(guò)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(qiáng)的聚合材料都可以用于激光焊接。但是過(guò)高的玻纖含量會(huì)散射發(fā)出得IR激光，降低光束通過(guò)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(guò)塑料的穿透能力會(huì)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(dòng)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(dòng)達(dá)到焊接的目的。

同步焊接(simultaneous welding)：來(lái)自多個(gè)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(gè)輪廓同時(shí)熔化并粘結(jié)在一起。

準(zhǔn)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(dòng)，使得整個(gè)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(guò)模板進(jìn)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(gè)很小的、精確的焊接部位。使用這種技術(shù)可以實(shí)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(zhǔn)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(jìn)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(wú)摩擦任意滾動(dòng)的玻璃球點(diǎn)狀式的聚焦于焊接界面，該玻璃球不僅僅進(jìn)行聚焦而且也充當(dāng)機(jī)械夾緊夾具。當(dāng)該球在表面上滾動(dòng)時(shí)，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(shí)有壓力夾緊。該玻璃球取代了機(jī)械夾具，同時(shí)擴(kuò)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(jī)架、發(fā)動(dòng)機(jī)傳感器、駕駛室機(jī)架、液壓油箱、過(guò)濾架、前燈和尾燈等。其它汽車方面的應(yīng)用還包括進(jìn)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(shí)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(chǔ)槽、液體過(guò)濾器材、軟管連接頭、造口術(shù)袋子、助聽(tīng)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(diǎn)

激光焊接是一項(xiàng)無(wú)振動(dòng)技術(shù)，因此它特別適合用于加工精密的電子元器件。通過(guò)激光技術(shù)制造的器材有鼠標(biāo)、移動(dòng)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(dòng)門鎖、無(wú)鑰匙進(jìn)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(dòng)，通過(guò)粘接作用形成一個(gè)包裝用的封體結(jié)構(gòu)。操作過(guò)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(jī)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(shí)間范圍內(nèi)，表層即可加熱至沸點(diǎn)，產(chǎn)生大量汽化。因此，高功率密度對(duì)于材料去除加工，如打孔、切割、雕刻有利。對(duì)于較低功率密度，表層溫度達(dá)到沸點(diǎn)需要經(jīng)歷數(shù)毫秒，在表層汽化前，底層達(dá)到熔點(diǎn)，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104~106W/cm2。

激光焊接機(jī)脈沖波形

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

激光焊接機(jī)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(shè)備造價(jià)及體積的關(guān)鍵參數(shù)。

激光焊接機(jī)離焦量的影響

因?yàn)榧す饨裹c(diǎn)處光斑中心的功率密度過(guò)高，容易蒸發(fā)成孔。離開(kāi)激光焦點(diǎn)的各平面上，功率密度分布相對(duì)均勻。離焦方式有兩種：正離焦與負(fù)離焦。焦平面位于工件上方為正離焦，反之為負(fù)離焦。按幾何光學(xué)理論，當(dāng)正負(fù)離焦平面與焊接平面距離相等時(shí)，所對(duì)應(yīng)平面上功率密度近似相同，但實(shí)際上所獲得的熔池形狀不同。負(fù)離焦時(shí)，可獲得更大的熔深，這與熔池的形成過(guò)程有關(guān)。