激光焊應(yīng)用

激光焊接在工業(yè)中的應(yīng)用情況

（1）激光焊接在國(guó)外汽車工業(yè)中的應(yīng)用

1） 白車身激光焊接

汽車工業(yè)中的在線激光焊接大量用在白車身沖壓零件的裝配和連接上。主要應(yīng)用包括車頂蓋激光焊、行李箱蓋激光釬焊及車架激光焊接。

另一項(xiàng)比較重要的車身激光焊接應(yīng)用，是車身結(jié)構(gòu)件（包括車門、車身側(cè)圍框架及立柱等）的激光焊接。采用激光焊的原因是可提高車身強(qiáng)度，并可解決一些部位難以實(shí)施常規(guī)電阻點(diǎn)焊的難題。

2） 不等厚激光拼焊板

車身制造采用不等厚激光拼焊板可減輕車身重量、減少零件數(shù)量、提高安全可靠性及降低成本。

3） 齒輪及傳動(dòng)部件焊接

20世紀(jì)80年代末，克萊斯勒公司的Kokomo分公司購(gòu)進(jìn)九臺(tái)6kWCO2激光器，用于齒輪激光焊接，生產(chǎn)能力提高40%。90年代初，美國(guó)三大汽車公司投入40多臺(tái)激光器用于傳動(dòng)部件焊接。奔馳公司經(jīng)研究利用激光焊接代替電子束焊接，因?yàn)榍罢吆缚p熱影響區(qū)小。美國(guó)福特汽車公司用4。7kWCO2激光器焊接車輪鋼圈，鋼圈厚1mm，焊接速度為2。5m/min。該公司還采用帶有視覺系統(tǒng)的激光焊接機(jī)，將六根軸與鍛壓出來的齒輪焊在一起，成為轎車自動(dòng)變速器的齒輪架部件，生產(chǎn)率為200件/h。

（2） 光纖激光焊在造船及海洋工程方面的應(yīng)用

許多輪船都是先制造出許多獨(dú)立的局部組件結(jié)構(gòu)單元，再在水中的船臺(tái)上一個(gè)個(gè)進(jìn)行組裝。采用激光焊技術(shù)制造海洋建筑物局部組件非常合適，因?yàn)樗Y(jié)合了焊接切割自動(dòng)化技術(shù)與激光技術(shù)。與弧焊方法相比，采用該技術(shù)可以大大提高生產(chǎn)率。

造船中，采用光纖激光技術(shù)，可以無需進(jìn)行焊接邊緣預(yù)處理和焊前或焊后熱處理就能將部件焊接在一起。與弧焊相比，激光焊的焊接接頭窄，熱影響區(qū)小，而且沒有傳統(tǒng)弧焊方法中出現(xiàn)的由于弧吹或電極磨損引起的焊接缺陷。所以，接頭采用光纖激光焊，可以實(shí)現(xiàn)新的焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，這在以前是不可能實(shí)焊接接頭比弧焊焊接接頭更加經(jīng)濟(jì)， 質(zhì)量更好。

（3） 激光焊在飛機(jī)制造中的應(yīng)用

激光束焊具有能量密度高，熱影響區(qū)小，空間位置轉(zhuǎn)換靈活，可在大氣環(huán)境下焊接，焊接變形極小等優(yōu)點(diǎn)。它主要應(yīng)用于飛機(jī)大蒙皮的拼接以及蒙皮與長(zhǎng)桁的焊接，以保證氣動(dòng)面的外形公差。另外在機(jī)身附件的裝配中也大量使用了激光束焊接技術(shù)，如腹鰭和襟翼的翼盒，結(jié)構(gòu)不再是應(yīng)用內(nèi)肋條骨架支撐結(jié)構(gòu)和外加蒙皮完成，而是應(yīng)用了先進(jìn)的鈑金成形技術(shù)后，采閑激光焊接技術(shù)在三維空間完成焊接拼合，不僅產(chǎn)品質(zhì)量好，生產(chǎn)效率高，而且工藝再現(xiàn)性好，減重效果明顯。

激光焊也多見于薄壁零件的制造中，如進(jìn)氣道、波紋管、輸油管道、變截面導(dǎo)管和異型封閉件。這些零件的傳統(tǒng)焊接方法多采用微弧等離子弧焊，或者是小電流鎢極氬弧焊。隨著鈦合金材料的大量使用，即便采用了這些低線能量的焊接技術(shù)，仍然由于薄壁材料引起的焊接變形超出公差范圍和焊接缺陷的無法修復(fù)等原因，導(dǎo)致傳統(tǒng)焊接工藝面臨淘汰的命運(yùn)。激光束焊接配以局部保護(hù)措施，非常適合焊接薄壁鈦合金殼體零件。

（4）復(fù)合激光焊的應(yīng)用

復(fù)合激光焊技術(shù)結(jié)合了激光焊和傳統(tǒng)氣體保護(hù)焊（GMAW）兩者的優(yōu)點(diǎn)，激光焊能在較小的熱輸入量和小的焊接熱影響區(qū)（HAZ）情況下獲得較大的熔深；所附加的氣保焊（GMAW）可以大大擴(kuò)展接頭根部間隙的大小，改善表面狀態(tài)和雜質(zhì)的允許量；提高根部間隙填充和成形質(zhì)量以及加強(qiáng)對(duì)焊接冶金的控制。

（5） 激光焊在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用

激光焊是用激光來加熱， 所以它可以穿透透明介質(zhì)， 能夠焊到透明介質(zhì)容器的里邊去。這是其他焊接方法難以做到的。這種方法也被利用到醫(yī)學(xué)里邊，比方講我們有些患者視網(wǎng)膜脫落，視網(wǎng)膜是在眼球的后面，視網(wǎng)膜脫落以后眼睛就會(huì)失明。利用激光的辦法，透過眼球焊到眼球后面，把這個(gè)視網(wǎng)膜和眼球焊起來。這個(gè)已經(jīng)是很成功的手術(shù)了。

激光焊優(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)具的耗損及變形接可降至最低。

（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。

一，按控制方式可分：手動(dòng)式激光焊接機(jī)，自動(dòng)激光焊接機(jī)，振鏡式激光焊接機(jī)

二，按激光器可分：YAG激光焊接機(jī)，半導(dǎo)體激光焊接機(jī)，光纖激光焊接。

激光焊接有兩種基本模式：激光熱導(dǎo)焊和激光深熔焊，前者所用激光功率密度較低（105～106W/cm2），工件吸收激光后，僅達(dá)到表面熔化，然后依靠熱傳導(dǎo)向工件內(nèi)部傳遞熱量形成熔池。這種焊接模式熔深淺，深寬比較小。后者激光功率密度高（106～107W/cm2），工件吸收激光后迅速熔化乃至氣化，熔化的金屬在蒸汽壓力作用下形成小孔激光束可直照孔底，使小孔不斷延伸，直至小孔內(nèi)的蒸氣壓力與液體金屬的表面張力和重力平衡為止。小孔隨著激光束沿焊接方向移動(dòng)時(shí)，小孔前方熔化的金屬繞過小孔流向后方，凝固后形成焊縫。這種焊接模式熔深大，深寬比也大。在機(jī)械制造領(lǐng)域，除了那些微薄零件之外，一般應(yīng)選用深熔焊。

深熔焊過程產(chǎn)生的金屬蒸氣和保護(hù)氣體，在激光作用下發(fā)生電離，從而在小孔內(nèi)部和上方形成等離子體。等離子體對(duì)激光有吸收、折射和散射作用，因此一般來說熔池上方的等離子體會(huì)削弱到達(dá)工件的激光能量。并影響光束的聚焦效果、對(duì)焊接不利。通?？奢o加側(cè)吹氣驅(qū)除或削弱等離子體。小孔的形成和等離子體效應(yīng)，使焊接過程中伴隨著具有特征的聲、光和電荷產(chǎn)生，研究它們與焊接規(guī)范及焊縫質(zhì)量之間的關(guān)系，和利用這些特征信號(hào)對(duì)激光焊接過程及質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)控，具有十分重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值。

激光焊接是激光材料加工技術(shù)應(yīng)用的重要方面之一。20世紀(jì)70年代主要用于焊接薄壁材料和低速焊接，焊接過程屬熱傳導(dǎo)型，即激光輻射加熱工件表面，表面熱量通過熱傳導(dǎo)向內(nèi)部擴(kuò)散，通過控制激光脈沖的寬度、能量、峰值功率和重復(fù)頻率等參數(shù)，使工件熔化，形成特定的熔池。由于其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，已成功應(yīng)用于微、小型零件的精密焊接中。

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、或要求無菌無粉塵環(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(yán)密地連接在一起。激光焊接沒有殘?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。

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(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(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^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(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。但是過高的玻纖含量會(huì)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(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(diǎn)

激光焊接是一項(xiàng)無振動(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)，通過粘接作用形成一個(gè)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