激光焊接技術(shù)概要

    激光焊接是激光加工材料加工技術(shù)應(yīng)用的重要方面之一。70年代主要用于焊接薄壁材料和低速焊接，焊接過程屬于熱傳導(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。由于激光焊接作為一種高質(zhì)量、高精度、低變形、高效率和高速度的焊接方法，隨著高功率CO2和高功率的YAG激光器以及光纖傳輸技術(shù)的完善、金屬鉬焊接聚束物鏡等的研制成功，使其在機(jī)械制造、航空航天、汽車工業(yè)、粉末冶金、生物醫(yī)學(xué)微電子行業(yè)等領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣。
    目前的研究主要集中于C02激光和YAG激光焊接各種金屬材料時(shí)的理論，包括激光誘發(fā)的等離子體的分光、吸收、散射特性以及激光焊接智能化控制、復(fù)合焊接、激光焊接現(xiàn)象及小孔行為、焊接缺陷發(fā)生機(jī)理與防止方法等，并對(duì)鎳基耐熱合金、鋁合金及鎂合金的焊接性，焊接現(xiàn)象建模與數(shù)值模擬，鋼鐵材料、銅、鋁合金與異種材料的連接，激光接頭性能評(píng)價(jià)等方面做了一定的研究[1]。
激光焊接原理：
    激光焊接是將高強(qiáng)度的激光束輻射至金屬表面，通過激光與金屬的相互作用，金屬吸收激光轉(zhuǎn)化為熱能使金屬熔化后冷卻結(jié)晶形成焊接。圖1顯示在不同的輻射功率密度下熔化過程的演變階段[2]，激光焊接的機(jī)理有兩種：
1、熱傳導(dǎo)焊接 當(dāng)激光照射在材料表面時(shí)，一部分激光被反射，一部分被材料吸收，將光能轉(zhuǎn)化為熱能而加熱熔化，材料表面層的熱以熱傳導(dǎo)的方式繼續(xù)向材料深處傳遞，最后將兩焊件熔接在一起。
2、激光深熔焊當(dāng)功率密度比較大的激光束照射到材料表面時(shí)，材料吸收光能轉(zhuǎn)化為熱能，材料被加熱熔化至汽化，產(chǎn)生大量的金屬蒸汽，在蒸汽退出表面時(shí)產(chǎn)生的反作用力下，使熔化的金屬液體向四周排擠，形成凹坑，隨著激光的繼續(xù)照射，凹坑穿人更深，當(dāng)激光停止照射后，凹坑周邊的熔液回流，冷卻凝固后將兩焊件焊接在—起。
    這兩種焊接機(jī)理根據(jù)實(shí)際的材料性質(zhì)和焊接需要來選擇，通過調(diào)節(jié)激光的各焊接工藝參數(shù)得到不同的焊接機(jī)理。這兩種方式最基本的區(qū)別在于：前者熔池表面保持封閉，而后者熔池則被激光束穿透成孔。傳導(dǎo)焊對(duì)系統(tǒng)的擾動(dòng)較小，因?yàn)榧す馐�的輻射沒有穿透被焊材料，所以，在傳導(dǎo)焊過程中焊縫不易被氣體侵入；而深熔焊時(shí)，小孔的不斷關(guān)閉能導(dǎo)致氣孔。傳導(dǎo)焊和深熔焊方式也可以在同一焊接過程中相互轉(zhuǎn)換，由傳導(dǎo)方式向小孔方式的轉(zhuǎn)變?nèi)�決于施加于工件的峰值激光能量密度和激光脈沖持續(xù)時(shí)間。激光脈沖能量密度的時(shí)間依賴性能夠使激光焊接在激光與材料相互作用期間由一種焊接方式向另一種方式轉(zhuǎn)變，即在相互作用過程中焊縫可以先在傳導(dǎo)方式下形成，然后再轉(zhuǎn)變?yōu)樾】追绞健?
目前激光焊應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大，主要應(yīng)用于：
    制造業(yè)應(yīng)用、粉末冶金領(lǐng)域、汽車工業(yè)、電子工業(yè)、生物醫(yī)學(xué)、其他領(lǐng)域如對(duì)BT20鈦合金[22]、HEl30合金[23]、Li-ion電池[24]等激光焊接。
    激光焊接的特點(diǎn)是被焊接工件變形極小，幾乎沒有連接間隙，焊接深度/寬度比高，因此焊接質(zhì)量比傳統(tǒng)焊接方法高。但是，如向保證激光焊接的質(zhì)量，也就是激光焊接過程監(jiān)測(cè)與質(zhì)量控制是一個(gè)激光利用領(lǐng)域的重要內(nèi)容，包括利用電感、電容、聲波、光電等各種傳感器，通過電子計(jì)算機(jī)處理，針對(duì)不同焊接對(duì)象和要求，實(shí)現(xiàn)諸如焊縫跟蹤、缺陷檢測(cè)、焊縫質(zhì)量監(jiān)測(cè)等項(xiàng)目，通過反饋控制調(diào)節(jié)焊接工藝參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化激光焊接。 在激光焊接中，光束焦點(diǎn)位置是最關(guān)鍵的控制工藝參數(shù)之一，在一定激光功率和焊接速度下，只有焦點(diǎn)處于最佳位置范圍內(nèi)才能獲得最大熔深和好的焊縫形狀。在實(shí)際激光焊接中，為了避免和減少影響焦點(diǎn)位置穩(wěn)定性的因素，需要專門的夾緊和設(shè)備技術(shù)，這種設(shè)備的精確程度與激光焊接的質(zhì)量高低是相輔相成的。
一、激光焊接的主要特性。 與其它傳統(tǒng)焊接技術(shù)相比，激光焊接的主要優(yōu)點(diǎn)是：
1、速度快、深度大、變形小。
2、能在室溫或特殊條件下進(jìn)行焊接，焊接設(shè)備裝置簡(jiǎn)單。例如，激光通過電磁場(chǎng)，光束不會(huì)偏移；激光在真空、空氣及某種氣體環(huán)境中均能施焊，并能通過玻璃或?qū)�光束透明的材料進(jìn)行焊接。
3、可焊接難熔材料如鈦、石英等，并能對(duì)異性材料施焊，效果良好。
4、激光聚焦后，功率密度高，在高功率器件焊接時(shí)，深寬比可達(dá)5：1，最高可達(dá)10：1。
5、可進(jìn)行微型焊接。激光束經(jīng)聚焦后可獲得很小的光斑，且能精確定位，可應(yīng)用于大批量自動(dòng)化生產(chǎn)的微、小型工件的組焊中。
6、可焊接難以接近的部位，施行非接觸遠(yuǎn)距離焊接，具有很大的靈活性。尤其是近幾年來， 在YAG激光加工技術(shù)中采用了光纖傳輸技術(shù)，使激光焊接技術(shù)獲得了更為廣泛的推廣和應(yīng)用。
7、激光束易實(shí)現(xiàn)光束按時(shí)間與空間分光，能進(jìn)行多光束同時(shí)加工及多工位加工，為更精密的焊接提供了條件。
但是，激光焊接也存在著一定的局限性：
1、要求焊件裝配精度高，且要求光束在工件上的位置不能有顯著偏移。這是因?yàn)榧す饩劢购蠊獍叱哂甏缧。�焊縫窄，為加填充金屬材料。若工件裝配精度或光束定位精度達(dá)不到要求，很容易造成焊接缺憾。
2、激光器及其相關(guān)系統(tǒng)的成本較高，一次性投資較大。
二、激光焊接熱傳導(dǎo)。
    激光焊接是將高強(qiáng)度的激光束輻射至金屬表面，通過激光與金屬的相互作用，使金屬熔化形成焊接。在激光與金屬的相互作用過程中，金屬熔化僅為其中一種物理現(xiàn)象。有時(shí)光能并非主要轉(zhuǎn)化為金屬熔化，而以其它形式表現(xiàn)出來，如汽化、等離子體形成等。然而，要實(shí)現(xiàn)良好的熔融焊接，必須使金屬熔化成為能量轉(zhuǎn)換的主要形式。為此，必須了解激光與金屬相互作用中所產(chǎn)生的各種物理現(xiàn)象以及這些物理現(xiàn)象與激光參數(shù)的關(guān)系，從而通過控制激光參數(shù)，使激光能量絕大部分轉(zhuǎn)化為金屬熔化的能量，達(dá)到焊接的目的。
三、激光焊接的工藝參數(shù)。
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104~106W/CM2。
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，因?yàn)榧す饨裹c(diǎn)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(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)離做文章一相等時(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，這與熔池的形成過程有關(guān)。實(shí)驗(yàn)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(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。
雙點(diǎn)激光焊技術(shù)
    目前在焊接電阻、電池及電子領(lǐng)域常用同時(shí)焊接兩個(gè)點(diǎn)的工藝，通常采用兩個(gè)激光光源設(shè)計(jì)。
    奧華雙光點(diǎn)激光焊接機(jī)是激光束經(jīng)過分光鏡分為兩束相同的激光束,經(jīng)鏡片組聚為兩個(gè)光點(diǎn).應(yīng)用高能脈沖激光對(duì)物件進(jìn)行焊接，激光脈沖的高能量、高密度可使焊接平整、焊縫寬度小熱影響區(qū)小，能完成傳統(tǒng)工藝無法實(shí)現(xiàn)的精密焊接。此機(jī)型具有兩個(gè)光點(diǎn)同步運(yùn)行,效率提高兩倍,兩光點(diǎn)距離可自由調(diào)節(jié)。
適合激光焊的材質(zhì)有哪些
1、模具鋼。
    S136，SKD-11，NAK80，8407，718，738，H13，P20，W302，2344等焊接效果較好。
2、碳鋼及普通合金鋼的激光焊接。
    總的說，碳鋼激光焊接效果良好，其焊接質(zhì)量取決于雜質(zhì)含量。就象其它焊接工藝一樣，硫和磷是產(chǎn)生焊接裂紋的敏感因素。 為了獲得滿意的焊接質(zhì)量，碳含量超過0.25%時(shí)需要預(yù)熱。當(dāng)不同含碳量的鋼相互焊接時(shí)，焊炬可稍偏向低碳材料一邊，以確保接頭質(zhì)量。 低碳沸騰鋼由于硫、磷的含量高，并不適合激光焊接。低碳鎮(zhèn)靜鋼由于低的雜質(zhì)含量，焊接效果就很好。 中、高碳鋼和普通合金鋼都可以進(jìn)行良好的激光焊接，但需要預(yù)熱和焊后處理，以消除應(yīng)力，避免裂紋形成。
3、不銹鋼的激光焊接。 一般的情況下，不銹鋼激光焊接比常規(guī)焊接更易于獲得優(yōu)質(zhì)接頭。由于高的焊接速度熱影響區(qū)很小，敏化不成為重要問題。與碳鋼相比，不銹鋼低的熱導(dǎo)系數(shù)更易于獲得深熔窄焊縫。
4、不同鋼材之間的激光焊接。
    激光焊接極高的冷卻速度和很小的熱影響區(qū)，為許多不同金屬焊接融化后有不同結(jié)構(gòu)的材料相容創(chuàng)造了有利條件�，F(xiàn)已證明以下金屬可以順利進(jìn)行激光深熔焊接：不銹鋼~低碳鋼，416不銹鋼~310不銹鋼，347不銹鋼~HASTALLY鎳合金，鎳電極~冷鍛鋼，不同鎳含量的雙金屬帶。
5、鈦、鎳、錫、銅、鋁、鉻、鈮、金、銀等多種金屬及其合金，及鋼、可伐合金等合金的同種材料間的焊接。
    有色金屬相對(duì)難焊，其紫銅合金、銀合金最難焊。
6、應(yīng)用于銅－鎳、鎳－鈦、銅－鈦、鈦－鉬、黃銅－銅、低碳鋼－銅等多種異種金屬間的焊接。
難易度
不銹鋼 模具鋼 碳鋼 合金鋼 鎳 鋅 鋁 金 銀 銅
不銹鋼 易
模具鋼 易 易
碳鋼 易 易 易
合金鋼 易 易 易 易
鎳 易 易 易 易 易
鋅 易 易 易 易 易 易
鋁 稍難 稍難 稍難 稍難 稍難 稍難 較易
金 難 難 難 難 難 難 難 稍難
銀 難 難 難 難 難 難 難 難 難
銅 難 難 難 難 難 難 難 難 難 難
以上僅供參考，金屬與合金成份不一，對(duì)焊接有較大影響，所以以實(shí)際測(cè)試為準(zhǔn)。
鍍層對(duì)激光焊的影響：
高平鏡面鍍層很難焊接： 鏡面鍍鉻、鍍銀、鍍銀等
一般鍍層較易焊接：鍍鎳、鍍鋅、鍍銅 對(duì)焊接強(qiáng)度無影響
高度拋光金屬較難焊：銅、銀、金 焊接強(qiáng)度較小
其他處理易焊接：只要不是鏡面 焊接強(qiáng)度較大
間隙對(duì)激光焊的影響：
    縫越小，外觀越好，強(qiáng)度越大，縫大時(shí)，出現(xiàn)較嚴(yán)重的槽狀焊縫,強(qiáng)度也小。
材料厚度對(duì)激光焊的影響：
    0.2以下的材質(zhì)，焊接難度大，焊接縫會(huì)有變形等現(xiàn)象，焊接牢固度變小。 較厚材質(zhì)，焊接外觀較好，強(qiáng)度也大。