激光焊接

激光焊接可以採用連續或脈衝激光束加以實現，激光焊接的原理可分為熱傳導型焊接和激光深熔焊接。功率密度小於10⁴~10⁵ W/cm²為熱傳導焊，此時熔深淺、焊接速度慢；功率密度大於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部擴散，通過控制激光脈衝的寬度、能量、峯功率和重複頻率等激光參數，使工件熔化，形成特定的熔池。

用於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。

激光深熔焊接一般採用連續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，即能量轉換機制是通過“小孔”（Key-hole）結構來完成的。在足夠高的功率密度激光照射下，材料產生蒸發並形成小孔。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，孔腔內平衡温度達2500℃左右 ^[1]  ，熱量從這個高温孔腔外壁傳遞出來，使包圍着這個孔腔四周的金屬熔化。小孔內充滿在光束照射下壁體材料連續蒸發產生的高温蒸汽，小孔四壁包圍着熔融金屬，液態金屬四周包圍着固體材料（而在大多數常規焊接過程和激光傳導焊接中，能量首先沉積於工件表面，然後靠傳遞輸送到內部）。孔壁外液體流動和壁層表面張力與孔腔內連續產生的蒸汽壓力相持並保持着動態平衡。光束不斷進入小孔，小孔外的材料在連續流動，隨着光束移動，小孔始終處於流動的穩定狀態。就是説，小孔和圍着孔壁的熔融金屬隨着前導光束前進速度向前移動，熔融金屬充填着小孔移開後留下的空隙並隨之冷凝，焊縫於是形成。上述過程的所有這一切發生得如此快，使焊接速度很容易達到每分鐘數米。

由光學震盪器及放在震盪器空穴兩端鏡間的介質所組成。介質受到激發至高能量狀態時，開始產生同相位光波且在兩端鏡間來回反射，形成光電的串結效應，將光波放大，並獲得足夠能量而開始發射出激光。

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。轉換形態在某些固態、液態或氣態介質中很容易進行。當這些介質以原子或分子形態被激發，便產生相位幾乎相同且近乎單一波長的光束-激光。由於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。

用於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,對於大部分金屬, 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, 孔腔內平衡温度達25 000 e 左右, 在幾微秒的時間內, 反射率迅速下降。CO2 激光器的發展重點雖然仍集中於設備的開發研製, 但已不在於提高最大的輸出功率, 而在於如何提高光束質量及其聚焦性能。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, 常使用不產生等離子體的氦氣作為保護氣體。

用於激發高功率Nd: YAG晶體的二極管激光組合的應用是一項重要的發展課題, 必將大大提高激光束的質量, 並形成更加有效的激光加工。採用直接二極管陣列激發輸出波長在近紅外區域的激光, 其平均功率已達1 kW, 光電轉換效率接近50% 。二極管還具有更長的使用壽命( 10 000 h), 有利於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。

(1)功率密度。 功率密度是激光加工中最關鍵的參數之一。採用較高的功率密度，在微秒時間範圍內，表層即可加熱至沸點，產生大量汽化。因此，高功率密度對於材料去除加工，如打孔、切割、雕刻有利。對於較低功率密度，表層温度達到沸點需要經歷數毫秒，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，功率密度在範圍在10^4~10^6W/CM^2。

(2)激光脈衝波形。 激光脈衝波形在激光焊接中是一個重要問題，尤其對於薄片焊接更為重要。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，且反射率隨表面温度變化。在一個激光脈衝作用期間內，金屬反射率的變化很大。

(3)激光脈衝寬度。 脈寬是脈衝激光焊接的重要參數之一，它既是區別於材料去除和材料熔化的重要參數，也是決定加工設備造價及體積的關鍵參數。

(4)離焦量對焊接質量的影響。 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，容易蒸發成孔。離開激光焦點的各平面上，功率密度分佈相對均勻。離焦方式有兩種：正離焦與負離焦。焦平面位於工件上方為正離焦，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，形成液相金屬並出現部分汽化，形成高壓蒸汽，並以極高的速度噴射，發出耀眼的白光。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，採用負離焦；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。

屬於熔融焊接，以激光束為能源，衝擊在焊件接頭上。

激光束可由平面光學元件（如鏡子）導引，隨後再以反射聚焦元件或鏡片將光束投射在焊縫上。

激光焊接設備和產品(17張)

激光焊接屬非接觸式焊接，作業過程不需加壓，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複合焊，實現大熔深焊接，同時熱輸入量比MIG焊大為減小。

傳感器密封焊接採用的方法有：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常維護以清除氧化物和從工件粘連着的金屬，激光焊接薄金屬搭接接頭時並不接觸工件，再者，光束還可進入常規焊難以焊及的區域，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，易產生變形。

3. 等離子弧焊：與氬弧類似，但其焊炬會產生壓縮電弧，以提高弧温和能量密度，它比氬弧焊速度快、熔深大，但遜於激光焊。

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產生巨大的熱，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境以防止電子散射，設備複雜，焊件尺寸和形狀受到真空室的限制，對焊件裝配質量要求嚴格，非真空電子束焊也可實施，但由於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，由於電子帶電，會受磁場偏轉影響，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，所以可在生產線內聯機操作，也可焊接磁性材料。

世界上的第一個激光束於1960年利用閃光燈泡激發紅寶石晶粒 所產生，因受限於晶體的熱容量，只能產生很短暫的脈衝光束且頻率很低。雖然瞬間脈衝峯值能量可高達10^6瓦，但仍屬於低能量輸出。

使用釹（ND）為激發元素的釔鋁石榴石晶棒（Nd:YAG）可產生1---8KW的連續單一波長光束。YAG激光，波長為1.06uM，可以通過柔性光纖連接到激光加工頭，設備佈局靈活，適用焊接厚度0.5-6mm。

使用CO2為激發物的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，工業界已廣泛用於金屬的加工上。

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車身上成功採用了全球第一塊激光拼焊板。90年代歐洲、北美、日本各大汽車生產廠開始在車身製造中大規模使用激光拼焊板技術。無論實驗室還是汽車製造廠的實踐經驗，均證明了拼焊板可以成功地應用於汽車車身的製造。

激光拼焊是採用激光能源，將若干不同材質、不同厚度、不同塗層的鋼材、不鏽鋼材、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、最優結構和最佳性能實現裝備輕量化。在歐美等發達國家，激光拼焊不僅在交通運輸裝備製造業中被使用，還在建築業、橋樑、家電板材焊接生產、軋鋼線鋼板焊接（連續軋製中的鋼板連接）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化商業生產線正式投入運行，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。此後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。

2003年，國外實現了A318鋁合金下壁板結構雙光束C02激光填絲焊和YAG激光填絲焊，它代替傳統鉚結構減輕了飛機機身重量的20%，同時也節約了20%的成本。鞏水利認定激光焊接技術將對我國傳統航空製造業改造升級產生重大意義。隨後他立即申請多項相關預研課題，組織攻關團隊，在國內率先將“雙光束激光焊接”技術引入到課題研究中，並且從一開始就醖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越性和可行性。該設計所經多方考證和評估，毅然決定將該技術用於某飛機帶筋壁板的製造，實現了最初要把“雙光束激光焊接”技術應用到飛機制造的目標，突破了輕質合金激光焊接填絲精度控制等關鍵技術，集成創新研製了雙光束激光填絲複合焊接裝置，建立了國內首個大功率雙光束激光填絲焊接平台，實現了大型薄壁結構T型接頭雙光束雙側同步焊接，並首次成功應用於航空帶筋壁板關鍵結構件的焊接製造中，在我國新型飛機研製中發揮了重要作用。

2003年 由華工激光提供的國內首台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、焊接和熱處理於一身，使我國華工激光成為世界上第四家能夠生產此類設備的企業。

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,成為國內唯一具備該項技術與設備研製能力的激光企業。

隨着工業激光產業的快速發展，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於一體的大幅面切焊設備，設備具有專業的切割頭和焊接頭，兩個加工頭共用一個橫樑，用數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。先切後焊，先焊後切，激光切割、焊接輕鬆進行切換，一台設備，兩種功能，而不用另外添置新的設備，為應用廠家節約了設備成本，提高了加工效率和加工範圍，而且由於切焊一體，加工精度得到了完全的保障，設備性能高效穩定。 此外，它攻克了超大板材拼焊過程中板材易產生熱變形和如何保持超長飛行光路穩定實現的難關，可以將兩塊長6米寬1.5米的平面板材一次性焊接完成，焊後表面光滑平整，無需其他後續加工。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。

中科院瀋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，遵循國家引進消化後再創新的科技發展戰略，攻克激光拼焊若干個關鍵技術，於2006年9月開發出國內第一套激光拼焊成套生產線，併成功開發了機器人激光焊接系統，實現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餘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，也是對中航工業推動材料連接技術進步的肯定。

（1）可將入熱量降到最低的需要量，熱影響區金相變化範圍小，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業經檢定合格，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。且因不屬於接觸式焊接製程，機具的耗損及變形皆可降至最低；

（4）激光束易於聚焦、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揮；

（5）工件可放置在封閉的空間（經抽真空或內部氣體環境在控制下）；

（6）激光束可聚焦在很小的區域，可焊接小型且間隔相近的部件；

（7）可焊材質種類範圍大，亦可相互接合各種異質材料；

（8）易於以自動化進行高速焊接，亦可以數位或電腦控制；

（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。

（1）焊件位置需非常精確，務必在激光束的聚焦範圍內；

（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衝擊的焊點對準；

（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除，以確保焊道的再出現；

（6）能量轉換效率太低，通常低於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、激光與感應熱源複合焊接、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。

激光拼焊(TailoredBlandLaserWelding)技術在國外轎車製造中得到廣泛的應用，據統計，2000年全球範圍內剪裁坯板激光拼焊生產線超過100條，年產轎車構件拼焊坯板7000萬件，並繼續以較高速度增長。國內生產的引進車型Passat，Buick，Audi等也採用了一些剪裁坯板結構。日本以CO2激光焊代替了閃光對焊進行制鋼業軋鋼卷材的連接，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了將YAG激光焊用於核反應堆中蒸氣發生器細管的維修等，在國內蘇寶蓉等還進行了齒輪的激光焊接技術。

隨着科學技術的不斷髮展，許多工業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。由於粉末冶金材料具有特殊的性能和製造優點，在某些領域如汽車、飛機、工具刃具製造業中正在取代傳統的冶鑄材料，隨着粉末冶金材料的日益發展，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點進入粉末冶金材料加工領域，為粉末冶金材料的應用開闢了新的前景，如採用粉末冶金材料連接中常用的釺焊的方法焊接金剛石，由於結合強度低，熱影響區寬特別是不能適應高温及強度要求高而引起釺料熔化脱落，採用激光焊接可以提高焊接強度以及耐高温性能。

20世紀80年代後期，千瓦級激光成功應用於工業生產，而今激光焊接生產線已大規模出現在汽車製造業，成為汽車製造業突出的成就之一。德國奧迪、奔馳、大眾、瑞典的沃爾沃等歐洲的汽車製造廠早在20世紀80年代就率先採用激光焊接車頂、車身、側框等鈑金焊接，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製造，儘管起步較晚，但發展很快。意大利菲亞特在大多數鋼板組件的焊接裝配中採用了激光焊接，日本的日產、本田和豐田汽車公司在製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良在汽車車身製造中使用得越來越多，根據美國金屬市場統計，至2002年底，激光焊接鋼結構的消耗將達到70000t比1998年增加3倍。根據汽車工業批量大、自動化程度高的特點，激光焊接設備向大功率、多路式方向發展。在工藝方面美國Sandia國家實驗室與PrattWitney聯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於消除熱裂紋，提高焊接速度，解決公差問題，開發的生產線已在奔馳公司的工廠投入生產。

激光焊接在電子工業中，特別是微電子工業中得到了廣泛的應用。由於激光焊接熱影響區小、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，顯示出獨特的優越性，在真空器件研製中，激光焊接也得到了應用，如鉬聚焦極與不鏽鋼支持環、快熱陰極燈絲組件等。傳感器或温控器中的彈性薄壁波紋片其厚度在0.05-0.1mm，採用傳統焊接方法難以解決，TIG焊容易焊穿，等離子穩定性差，影響因素多而採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製電路板的裝聯過程中。隨着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，以往的工具已經很難在細小的空間操作。激光由於不需要接觸到零件即可實現焊接，很好的解決了這個問題，受到電路板製造商的重視。

生物組織的激光焊接始於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越性，使更多研究者嘗試焊接各種生物組織，並推廣到其他組織的焊接。有關激光焊接神經方面國內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的縫合方法比較，激光焊接具有吻合速度快，癒合過程中沒有異物反應，保持焊接部位的機械性質，被修復組織按其原生物力學性狀生長等優點將在以後的生物醫學中得到更廣泛的應用。

在其他行業中，激光焊接也逐漸增加特別是在特種材料焊接中國內進行了許多研究，如對BT20鈦合金、HEl30合金、Li-ion電池等激光焊接，德國玻璃機械製造商GlamacoCoswig公司與IFW接合技術與材料實驗研究院合作開發出了一種用於平板玻璃的激光焊接新技術。