激光焊接 王信.docx

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激光焊接王信

激

光

焊

接

姓名：

王信

学号：

5220130222

一、原理与应用

1.激光焊接原理 

激光焊接是将高强度的激光束辐射至金属表面，通过激光与金属的相互作用，金属吸收激光转化为热能使金属熔化后冷却结晶形成焊接。

激光焊接可以采用连续或脉冲激光束加以实现，激光焊接的原理可分为热传导型焊接和激光深熔焊接。

功率密度小于104~105W/cm2为热传导焊，此时熔深浅、焊接速度慢；功率密度大于105~107W/cm2时，金属表面受热作用下凹成“孔穴”，形成深熔焊，具有焊接速度快、深宽比大的特点。

其中热传导型激光焊接原理为：

激光辐射加热待加工表面，表面热量通过热传导向内部扩散，通过控制激光脉冲的宽度、能量、峰功率和重复频率等激光参数，使工件熔化，形成特定的熔池。

简单来说：

激光照射在材料表面时，一部分激光被反射，一部分被材料吸收，将光能转化为热能而加热熔化，材料表面层的热以热传导的方式继续向材料深处传递，最后将两焊件熔接在一起。

用于齿轮焊接和冶金薄板焊接用的激光焊接机主要涉及激光深熔焊接。

下面重点介绍激光深熔焊接的原理。

2.激光深熔焊接

激光深熔焊接一般采用连续激光光束完成材料的连接，其冶金物理过程与电子束焊接极为相似，即能量转换机制是通过“小孔”（Key-hole）结构来完成的。

在足够高的功率密度激光照射下，材料产生蒸发并形成小孔。

这个充满蒸气的小孔犹如一个黑体，几乎吸收全部的入射光束能量，孔腔内平衡温度达25000C左右，热量从这个高温孔腔外壁传递出来，使包围着这个孔腔四周的金属熔化。

小孔内充满在光束照射下壁体材料连续蒸发产生的高温蒸汽，小孔四壁包围着熔融金属，液态金属四周包围着固体材料（而在大多数常规焊接过程和激光传导焊接中，能量首先沉积于工件表面，然后靠传递输送到内部）。

孔壁外液体流动和壁层表面张力与孔腔内连续产生的蒸汽压力相持并保持着动态平衡。

光束不断进入小孔，小孔外的材料在连续流动，随着光束移动，小孔始终处于流动的稳定状态。

就是说，小孔和围着孔壁的熔融金属随着前导光束前进速度向前移动，熔融金属充填着小孔移开后留下的空隙并随之冷凝，焊缝于是形成。

上述过程的所有这一切发生得如此快，使焊接速度很容易达到每分钟数米。

简而言之

当功率密度比较大的激光束照射到材料表面时，材料吸收光能转化为热能，材料被加热熔化至汽化，产生大量的金属蒸汽，在蒸汽退出表面时产生的反作用力下，使熔化的金属液体向四周排挤，形成凹坑，随着激光的继续照射，凹坑穿人更深，当激光停止照射后，凹坑周边的熔液回流，冷却凝固后将两焊件焊接在—起。

 3.激光深熔焊接的主要工艺参数 

  1）激光功率。

激光焊接中存在一个激光能量密度阈值，低于此值，熔深很浅，一旦达到或超过此值，熔深会大幅度提高。

只有当工件上的激光功率密度超过阈值（与材料有关），等离子体才会产生，这标志着稳定深熔焊的进行。

如果激光功率低于此阈值，工件仅发生表面熔化，也即焊接以稳定热传导型进行。

而当激光功率密度处于小孔形成的临界条件附近时，深熔焊和传导焊交替进行，成为不稳定焊接过程，导致熔深波动很大。

激光深熔焊时，激光功率同时控制熔透深度和焊接速度。

焊接的熔深直接与光束功率密度有关，且是入射光束功率和光束焦斑的函数。

一般来说，对一定直径的激光束，熔深随着光束功率提高而增加。

2）光束焦斑。

光束斑点大小是激光焊接的最重要变量之一，因为它决定功率密度。

但对高功率激光来说，对它的测量是一个难题，尽管已经有很多间接测量技术。

 光束焦点衍射极限光斑尺寸可以根据光衍射理论计算，但由于聚焦透镜像差的存在，实际光斑要比计算值偏大。

最简单的实测方法是等温度轮廓法，即用厚纸烧焦和穿透聚丙烯板后测量焦斑和穿孔直径。

这种方法要通过测量实践，掌握好激光功率大小和光束作用的时间。

3）材料吸收值。

材料对激光的吸收取决于材料的一些重要性能，如吸收率、反射率、热导率、熔化温度、蒸发温度等，其中最重要的是吸收率。

 影响材料对激光光束的吸收率的因素包括两个方面：

首先是材料的电阻系数，经过对材料抛光表面的吸收率测量发现，材料吸收率与电阻系数的平方根成正比，而电阻系数又随温度而变化；其次，材料的表面状态（或者光洁度）对光束吸收率有较重要影响，从而对焊接效果产生明显作用。

CO2激光器的输出波长通常为10.6μm，陶瓷、玻璃、橡胶、塑料等非金属对它的吸收率在室温就很高，而金属材料在室温时对它的吸收很差，直到材料一旦熔化乃至气化，它的吸收才急剧增加。

采用表面涂层或表面生成氧化膜的方法，提高材料对光束的吸收很有效。

4）焊接速度。

焊接速度对熔深影响较大，提高速度会使熔深变浅，但速度过低又会导致材料过度熔化、工件焊穿。

所以，对一定激光功率和一定厚度的某特定材料有一个合适的焊接速度范围，并在其中相应速度值时可获得最大熔深。

图10-2给出了1018钢焊接速度与熔深的关系。

保护气体这部分就不讲了感兴趣的自己可以查查资料，这块比较多复杂没准备。

 6）透镜焦距。

焊接时通常采用聚焦方式会聚激光，一般选用63~254mm（2.5”~10”）焦距的透镜。

聚焦光斑大小与焦距成正比，焦距越短，光斑越小。

但焦距长短也影响焦深，即焦深随着焦距同步增加，所以短焦距可提高功率密度，但因焦深小，必须精确保持透镜与工件的间距，且熔深也不大。

由于受焊接过程中产生的飞溅物和激光模式的影响，实际焊接使用的最短焦深多为焦距126mm（5”）。

当接缝较大或需要通过加大光斑尺寸来增加焊缝时，可选择254mm（10”）焦距的透镜，在此情况下，为了达到深熔小孔效应，需要更高的激光输出功率（功率密度）。

当激光功率超过2kW时，特别是对于10.6μm的CO2激光束，由于采用特殊光学材料构成光学系统，为了避免聚焦透镜遭光学破坏的危险，经常选用反射聚焦方法，一般采用抛光铜镜作反射镜。

由于能有效冷却，它常被推荐用于高功率激光束聚焦。

  7）焦点位置。

焊接时，为了保持足够功率密度，焦点位置至关重要。

焦点与工件表面相对位置的变化直接影响焊缝宽度与深度。

图2-6表示焦点位置对1018钢熔深及缝宽的影响。

 在大多数激光焊接应用场合，通常将焦点的位置设置在工件表面之下大约所需熔深的1/4处。

 8）激光束位置。

对不同的材料进行激光焊接时，激光束位置控制着焊缝的最终质量，特别是对接接头的情况比搭接结头的情况对此更为敏感。

例如，当淬火钢齿轮焊接到低碳钢鼓轮，正确控制激光束位置将有利于产生主要有低碳组分组成的焊缝，这种焊缝具有较好的抗裂性。

有些应用场合，被焊接工件的几何形状需要激光束偏转一个角度，当光束轴线与接头平面间偏转角度在100度以内时，工件对激光能量的吸收不会受到影响。

9）焊接起始、

终止点的激光功率渐升、渐降控制。

激光深熔焊接时，不管焊缝深浅，小孔现象始终存在。

当焊接过程终止、关闭功率开关时，焊缝尾端将出现凹坑。

另外，当激光焊层覆盖原先焊缝时，会出现对激光束过度吸收，导致焊件过热或产生气孔。

为了防止上述现象发生，可对功率起止点编制程序，使功率起始和终止时间变成可调，即起始功率用电子学方法在一个短时间内从零升至设置功率值，并调节焊接时间，最后在焊接终止时使功率由设置功率逐渐降至零值。

4.激光深熔焊接的特点

激光深熔焊接的优缺点

（一）激光深熔焊的优点 

1） 由于聚焦激光比常规方法具有高得多的功率密度，导致焊接速度快，受热影响区和变形都很小，还可以焊接钛等难焊的材料。

2） 因为光束容易传输和控制，又不需要经常更换焊枪、喷嘴，又没有电子束焊接所需的抽真空，显著减少停机辅助时间，所以有荷系数和生产效率都高。

3）  由于纯化作用和高的冷却速度，焊缝强度、韧性和综合性能高。

4）  由于平均热输入低，加工精度高，可减少再加工费用；另外，激光焊接运转费用也较低，从而可降低工件加工成本。

5）  对光束强度和精细定位能有效控制，容易实现自动化操作。

（三）激光深熔焊的缺点 

1）  焊接深度有限。

2）  工件装配要求高。

3）  激光系统一次性投资较高

5.激光焊的主要应用

制造业

激光拼焊（TailoredBlandLaserWelding）技术在国外轿车制造中得到广泛的应用，据统计，2000年全球范围内剪裁坯板激光拼焊生产线超过100条，年产轿车构件拼焊坯板7000万件，并继续以较高速度增长。

国内生产的引进车型Passat，Buick，Audi等也采用了一些剪裁坯板结构。

日本以CO2激光焊代替了闪光对焊进行制钢业轧钢卷材的连接，在超薄板焊接的研究，如板厚100微米以下的箔片，无法熔焊，但通过有特殊输出功率波形的YAG激光焊得以成功，显示了激光焊的广阔前途。

日本还在世界上首次成功开发了将YAG激光焊用于核反应堆中蒸气发生器细管的维修等，在国内苏宝蓉等还进行了齿轮的激光焊接技术。

粉末冶金

随着科学技术的不断发展，许多工业技术上对材料特殊要求，应用冶铸方法制造的材料已不能满足需要。

由于粉末冶金材料具有特殊的性能和制造优点，在某些领域如汽车、飞机、工具刃具制造业中正在取代传统的冶铸材料，随着粉末冶金材料的日益发展，它与其它零件的连接问题显得日益突出，使粉末冶金材料的应用受到限制。

在八十年代初期，激光焊以其独特的优点进入粉末冶金材料加工领域，为粉末冶金材料的应用开辟了新的前景，如采用粉末冶金材料连接中常用的钎焊的方法焊接金刚石，由于结合强度低，热影响区宽特别是不能适应高温及强度要求高而引起钎料熔化脱落，采用激光焊接可以提高焊接强度以及耐高温性能。

汽车工业

20世纪80年代后期，千瓦级激光成功应用于工业生产，而今激光焊接生产线已大规模出现在汽车制造业，成为汽车制造业突出的成就之一。

德国奥迪、奔驰、大众、瑞典的沃尔沃等欧洲的汽车制造厂早在20世纪80年代就率先采用激光焊接车顶、车身、侧框等钣金焊接，90年代美国通用、福特和克莱斯勒公司竟相将激光焊接引入汽车制造，尽管起步较晚，但发展很快。

意大利菲亚特在大多数钢板组件的焊接装配中采用了激光焊接，日本的日产、本田和丰田汽车公司在制造车身覆盖件中都使用了激光焊接和切割工艺，高强钢激光焊接装配件因其性能优良在汽车车身制造中使用得越来越多，根据美国金属市场统计，至2002年底，激光焊接钢结构的消耗将达到70000t比1998年增加3倍。

根据汽车工业批量大、自动化程度高的特点，激光焊接设备向大功率、多路式方向发展。

在工艺方面美国Sandia国家实验室与PrattWitney联合进行在激光焊接过程中添加粉末金属和金属丝的研究，德国不莱梅应用光束技术研究所在使用激光焊接铝合金车身骨架方面进行了大量的研究，认为在焊缝中添加填充余属有助于消除热裂纹，提高焊接速度，解决公差问题，开发的生产线已在奔驰公司的工厂投入生产。

电子工业

激光焊接在电子工业中，特别是微电子工业中得到了广泛的应用。

由于激光焊接热影响区小、加热集中迅速、热应力低，因而正在集成电路和半导体器件壳体的封装中，显示出独特的优越性，在真空器件研制中，激光焊接也得到了应用，如钼聚焦极与不锈钢支持环、快热阴极灯丝组件等。

传感器或温控器中的弹性薄壁波纹片其厚度在0.05-0.1mm，采用传统焊接方法难以解决，TIG焊容易焊穿，等离子稳定性差，影响因素多而采用激光焊接效果很好，得到广泛的应用。

生物医学

生物组织的激光焊接始于20世纪70年代，Klink等及jain[13]用激光焊接输卵管和血管的成功焊接及显示出来的优越性，使更多研究者尝试焊接各种生物组织，并推广到其他组织的焊接。

有关激光焊接神经方面国内外的研究主要集中在激光波长、剂量及其对功能恢复以及激光焊料的选择等方面的研究，刘铜军进行了激光焊接小血管及皮肤等基础研究的基础上又对大白鼠胆总管进行了焊接研究。

激光焊接方法与传统的缝合方法比较，激光焊接具有吻合速度快，愈合过程中没有异物反应，保持焊接部位的机械性质，被修复组织按其原生物力学性状生长等优点将在以后的生物医学中得到更广泛的应用。

其他

在其他行业中，激光焊接也逐渐增加特别是在特种材料焊接中国内进行了许多研究，如对BT20钛合金、HEl30合金、Li-ion电池等激光焊接，德国玻璃机械制造商GlamacoCoswig公司与IFW接合技术与材料实验研究院合作开发出了一种用于平板玻璃的激光焊接新技术。

二、起源与发展

1.世界上的第一个激光束于1960年利用闪光灯泡激发红宝石晶粒所产生，因受限于晶体的热容量，只能产生很短暂的脉冲光束且频率很低。

虽然瞬间脉冲峰值能量可高达10^6瓦，但仍属于低能量输出。

2.20世纪80年代中期，激光焊接作为新技术在欧洲、美国、日本得到了广泛的关注。

1985年德国蒂森钢铁公司与德国大众汽车公司合作，在Audi100车身上成功采用了全球第一块激光拼焊板。

90年代欧洲、北美、日本各大汽车生产厂开始在车身制造中大规模使用激光拼焊板技术。

无论实验室还是汽车制造厂的实践经验，均证明了拼焊板可以成功地应用于汽车车身的制造。

3.世界著名的激光焊接企业有瑞士Soudonic公司、法国阿赛洛钢铁集团、德国蒂森克虏伯集团TWB公司、加拿大Servo-Robot公司、德国Precitec公司等。

4.中国的激光拼焊板技术应用刚刚起步，2002年10月25日，中国第一条激光拼焊板专业化商业生产线正式投入运行，由武汉蒂森克虏伯中人激光拼焊从德国蒂森克虏伯集团TWB公司引进。

此后上海宝钢阿赛洛激光拼焊公司、一汽宝友激光拼焊有限公司等相继投产。

中科院沈阳自动化研究所与日本石川岛播磨重工株式会社进行国际合作，遵循国家引进消化后再创新的科技发展战略，攻克激光拼焊若干个关键技术，于2006年9月开发出国内第一套激光拼焊成套生产线，并成功开发了机器人激光焊接系统，实现了平面和空间曲线的激光焊接。

5.2013年10月，中国焊接专家获得了焊接领域最高学术奖--布鲁克奖。

英国焊接研究所（TWI）每年从来自120多个国家的4000余会员单位中推荐提名，最终将该奖项授予一位专家，以表彰其在焊接或连接科学技术与工业应用领域做出的[2]卓越贡献。

这次获奖不仅是对巩水利及其团队的认可，也是对中航工业推动材料连接技术进步的肯定。

6.

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三、改善和发展激光焊接的新技术

以下几项技术有助扩展激光焊接的应用范围及提高激光焊接自动控制水平

l.填充焊丝激光焊

激光焊接一般不填充焊丝，但对焊件装配间隙要求很高，实际生产中有时很难保证，限制了其应用范围。

采用填丝激光焊，可大大降低对装配间隙的要求。

例如板厚2mm的铝合金板，如不采用填充焊丝，板材间隙必须为零才能获得良好的成形，如采用φ1.6mm的焊丝做为填充金属，即使间隙增至1.0mm，也可保证焊缝良好的成形。

此外，填充焊丝还可以调整化学成分或进行厚板多层焊。

2.光束旋转激光焊

使激光束旋转进行焊接的方法，也可大大降低焊件装配以及光束对中的要求。

例如在2mm厚高强合金钢板对接时，容许对缝装配间隙从0.14mm增大到0.25mm；而对4mm厚的板，则从0.23mm增大到0.30mm。

光束中心与焊缝中心的对准允许误差从0.25mm增加至0.5mm。

3．激光焊接质量在线检测与控制

利用等离子体的光、声、电荷信号对激光焊接过程进行检测，近年来已成为国内外研究的热点，少数研究成果已达到了闭环控制的程度