激光焊接是什么？

簡(jiǎn)單講，激光焊接就是將激光輻射加熱工件表面，表面熱量通過(guò)熱傳導(dǎo)向內(nèi)部擴(kuò)散，再通過(guò)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，從而實(shí)現(xiàn)焊接。

激光焊接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，因熱傳導(dǎo)所導(dǎo)致的變形亦最低。

非接觸式焊接，機(jī)具的耗損及變形接可降至最低。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，可在工件周?chē)臋C(jī)具或障礙間再導(dǎo)引。

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，可焊材質(zhì)種類(lèi)范圍大，亦可相互接合各種異質(zhì)材料。

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。焊接薄材或細(xì)徑線材時(shí)，無(wú)回熔等困擾。

激光焊接技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀？

激光焊接技術(shù)是伴隨著激光技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展起來(lái)的，近些年，藍(lán)光激光器、綠光激光器、飛秒激光器等新光源，擺動(dòng)焊接、ARM（adjustable ringmode）環(huán)形可調(diào)光斑焊接等新工藝不斷被推出，創(chuàng)新性地解決了工業(yè)生產(chǎn)中的一些焊接難題，這使得激光焊接在工業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域得到快速推廣和發(fā)展。 

金屬激光焊接技術(shù)

激光的高能量密度使一些難焊金屬材料的焊接成為可能，但對(duì)于金、銀、銅、鋁等高反射材料、異種金屬材料的焊接依然存在一些問(wèn)題。主要原因包括：

①高反射率、高導(dǎo)熱率，激光焊接需要較高的起始功率；

②高功率激光焊接過(guò)程中，對(duì)材料表面狀態(tài)的變化比較敏感，導(dǎo)致焊點(diǎn)/焊縫成型不好；

③激光焊接速度較快，導(dǎo)致焊縫內(nèi)部易出現(xiàn)氣孔等焊接缺陷，尤其是鋁及鋁合金。

銅及銅合金的高效激光焊接

銅具有優(yōu)良的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能，被廣泛應(yīng)用于電子產(chǎn)品、電動(dòng)汽車(chē)等制造領(lǐng)域，其中電動(dòng)機(jī)、電池、傳感器以及線束和終端等產(chǎn)品應(yīng)用最為廣泛。

過(guò)去，金屬材料激光焊接主要依賴(lài)紅外激光進(jìn)行。然而，銅導(dǎo)熱系數(shù)過(guò)高，幾乎是純鐵的 5 倍，純鋁的 1.7 倍，銅對(duì)紅外激光吸收率低，單純采用紅外激光進(jìn)行直線焊接，具有不穩(wěn)定的工藝窗口和最大的熔深波動(dòng)，易出現(xiàn)焊接飛濺、熔融金屬?lài)姙R、氣孔和熔透深度大幅波動(dòng)等問(wèn)題。

因此，大功率短波長(zhǎng)激光器出現(xiàn)后，可見(jiàn)光激光焊接及復(fù)合焊接成為銅及銅合金等高反射材料的理想加工方式。

①綠光激光焊接

綠光激光是波長(zhǎng)為500～560nm的一種可見(jiàn)光，銅對(duì)波長(zhǎng) λ= 515nm 的綠光吸收率高達(dá)40%，是1μm 左右紅外光吸收率的 8 倍左右，且能量耦合效率更高，對(duì)表面氧化程度的敏感性也降低。

圖片來(lái)源：通快激光

采用綠光激光可以顯著降低銅深熔焊接的閾值功率，焊縫表面的熔噴量和飛濺數(shù)量少，且?guī)缀醪皇芎附铀俣扔绊?。如果增加光束掃描、光束離焦以及正確的激光功率調(diào)制，還可顯著提高焊接質(zhì)量，焊縫缺陷數(shù)量大大減少的同時(shí)，焊縫表面還會(huì)更加規(guī)則和均勻。

②藍(lán)光激光焊接

波長(zhǎng)越短意味著更高的光子能量，利于提升材料對(duì)激光的吸收率。藍(lán)光激光波長(zhǎng)為400nm～500n，基于氮化鎵材料的半導(dǎo)體激光器可直接產(chǎn)生波長(zhǎng) 450 nm 的激光，無(wú)需進(jìn)一步倍頻，有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便、電-光轉(zhuǎn)換效率、吸收率高等優(yōu)點(diǎn)。

圖片來(lái)源：聯(lián)贏激光

藍(lán)光激光器相較于工業(yè)加工常用的光纖激光器，金屬材料在450nm處的吸收率提升了10-60%，尤其對(duì)銅、金等高反射金屬材料吸收率的提升更為明顯。據(jù)驗(yàn)證，銅焊接所需的能耗比紅外激光器低84%，這意味著，當(dāng)紅外激光器需要10 W的激光功率來(lái)焊接銅材時(shí)，使用藍(lán)光激光器僅需要約1 kW或0.5 kW的功率。

③雙光束復(fù)合焊接

采用紅外-可見(jiàn)光雙光束復(fù)合焊接工藝，通過(guò)較小功率的可見(jiàn)光激光，可以使紅外激光在低于深熔焊接閾值功率時(shí)，實(shí)現(xiàn)銅的強(qiáng)制深熔焊接，并大幅減少焊接飛濺，設(shè)備成本低，焊接質(zhì)量高，被認(rèn)為具有非常突出的優(yōu)勢(shì)和良好的應(yīng)用前景。

1.2 鋁合金激光擺動(dòng)焊接

采用常規(guī)單焦點(diǎn)聚焦激光束焊接鋁合金時(shí)，氣孔是常見(jiàn)的缺陷。鋁合金形成氣孔的原因主要有：

①焊接熔池和匙孔劇烈振動(dòng)容易塌陷失穩(wěn)，形成氣孔；

②氫在鋁合金中的溶解度會(huì)隨著溫度的降低而急劇下降，從而導(dǎo)致凝固過(guò)程中過(guò)飽和氫析出，形成氫氣孔。氣孔的存在會(huì)引起焊縫中的應(yīng)力集中，進(jìn)而造成凝固過(guò)程中焊縫開(kāi)裂。

激光擺動(dòng)焊接。焊接過(guò)程中，光束沿著焊縫方向移動(dòng)過(guò)程中同時(shí)進(jìn)行圓形、8字形、螺旋線等多種形態(tài)的擺動(dòng)。

目前，實(shí)現(xiàn)光束擺動(dòng)主要通過(guò)能夠承受高功率激光的振鏡實(shí)現(xiàn)，激光擺動(dòng)焊接的光束作用面積增大，使得匙孔與熔池面積及熔池根部尺寸增大，提高了匙孔和熔池的穩(wěn)定性，對(duì)熔合不良和咬邊等缺陷有明顯的改善作用。同時(shí)，擺動(dòng)光束對(duì)熔池的攪拌，加速了熔池的對(duì)流，使得熔池中氣泡的逸出速度提升，降低了氣孔率。

當(dāng)前激光焊接技術(shù)在各領(lǐng)域中的應(yīng)用

激光用于焊接并不比切割晚，目前我國(guó)已經(jīng)有專(zhuān)業(yè)從事激光焊接的企業(yè)，早期以燈泵浦激光、YAG激光焊接為主，都是很傳統(tǒng)的小功率激光焊，在模具、廣告字、眼鏡、珠寶首飾等幾個(gè)領(lǐng)域有所應(yīng)用，規(guī)模非常有限。近些年，隨著激光器功率的不斷提升，更重要的是半導(dǎo)體激光器、光纖激光器逐漸開(kāi)發(fā)了激光焊接應(yīng)用場(chǎng)景，破除了原來(lái)激光焊接的技術(shù)瓶頸，打開(kāi)了新的市場(chǎng)空間。

激光焊接技術(shù)在汽車(chē)制造領(lǐng)域的應(yīng)用

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展以及人民消費(fèi)水平、生活質(zhì)量的改善，汽車(chē)生產(chǎn)領(lǐng)域?qū)ζ?chē)車(chē)體的輕量化以及對(duì)汽車(chē)車(chē)身的藝術(shù)美學(xué)的要求越來(lái)越高，激光焊接技術(shù)因其加工效果優(yōu)良、產(chǎn)品質(zhì)量好、工作效率高等優(yōu)點(diǎn)脫穎而出，迅速成為汽車(chē)生產(chǎn)領(lǐng)域焊接工藝技術(shù)應(yīng)用中的寵兒。

在車(chē)輛生產(chǎn)中，激光焊接技術(shù)主要運(yùn)用在厚鋼板的激光拼焊、汽車(chē)總成和分系統(tǒng)總成的激光組焊、車(chē)輛零件的激光焊接等工序中。歐美一些國(guó)家的汽車(chē)制造商對(duì)激光焊接技術(shù)的應(yīng)用起步比較早，開(kāi)始于20世紀(jì)80年代，奧迪、奔馳、通用等大家耳熟能詳?shù)钠?chē)生產(chǎn)品牌當(dāng)時(shí)就開(kāi)始將激光焊接技術(shù)引入到車(chē)輛生產(chǎn)制造中，促進(jìn)了激光焊接技術(shù)在車(chē)輛生產(chǎn)制造領(lǐng)域中的深入運(yùn)用與發(fā)展。

動(dòng)力電池的激光焊接應(yīng)該是近年最亮眼的焊接應(yīng)用需求，對(duì)聯(lián)贏激光、逸飛激光、大族新能源等企業(yè)有較大的推動(dòng)。其次應(yīng)該是汽車(chē)車(chē)身、零部件的焊接，中國(guó)是全世界最大的汽車(chē)市場(chǎng)，老牌車(chē)企眾多，新車(chē)企不斷涌現(xiàn)，擁有近百個(gè)汽車(chē)品牌。比如我國(guó)的一汽、奇瑞、廣汽本田等都已采用自動(dòng)化激光焊接產(chǎn)線；中車(chē)唐山機(jī)車(chē)、中車(chē)青島四方機(jī)車(chē)也采用了千瓦級(jí)焊接技術(shù)；在動(dòng)力電池方面就更多了，寧德時(shí)代、中航鋰電、比亞迪、國(guó)軒等頭部企業(yè)均大量用上了激光焊接設(shè)備。

激光焊接技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)？

隨著焊接技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展與突破，在激光焊接技術(shù)的研發(fā)過(guò)程中就更顯示出了它的獨(dú)到之處。激光焊接技術(shù)可以對(duì)金屬材料進(jìn)行快速而高效的焊接，當(dāng)激光束產(chǎn)生的瞬間，由于其自身具有的高聚焦特性，可導(dǎo)致在激光束內(nèi)蘊(yùn)含有極高的功率密度，這使得激光束能夠在極其短的時(shí)間內(nèi)釋放出大量的熱能量，進(jìn)而使焊接效率大為提高，確保焊接質(zhì)量。

另外，由于激光焊接技術(shù)所擁有的瞬時(shí)焊接優(yōu)勢(shì)，從而使得它有著十分廣泛的應(yīng)用前景。在激光焊接技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，激光束在直接照射金屬材料表面時(shí)，并不會(huì)對(duì)金屬材料的照射面積之外產(chǎn)生影響，因此也沒(méi)有引起金屬材料表面在焊接過(guò)程中產(chǎn)生較大損傷，并且在焊接過(guò)程全部完成后也不需再進(jìn)行相關(guān)的表面加工處理，這使激光焊接技術(shù)特別適合于對(duì)各類(lèi)精密零件表面進(jìn)行加工處理，使得較高難度的焊接作業(yè)也可以快速實(shí)現(xiàn)。

此外，在以往的焊接技術(shù)規(guī)范中，通常規(guī)定了對(duì)所有焊接材料的材質(zhì)要求都必須一致，而采用了激光焊接技術(shù)，就不必再對(duì)焊接材料的材質(zhì)有很大的限制，所以即便是材質(zhì)不同的焊接材料，也可以使用激光焊接技術(shù)實(shí)現(xiàn)輕松焊接?？梢哉f(shuō)，激光焊接技術(shù)的形成與廣泛應(yīng)用，既有效地克服了傳統(tǒng)焊接技術(shù)中所出現(xiàn)的問(wèn)題，又減輕了傳統(tǒng)焊接作業(yè)的難度。

激光焊接技術(shù)經(jīng)過(guò)半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，其技術(shù)水平也走向了日益完善，并且已經(jīng)逐步地在越來(lái)越多的工業(yè)領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用。

在航空航天、電子儀表、機(jī)械制造、鋼鐵冶金、汽車(chē)制造、醫(yī)療器械等行業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域當(dāng)中，激光焊接技術(shù)發(fā)揮著日益巨大的功能，比如：在汽車(chē)零部件生產(chǎn)當(dāng)中，便可以采用激光焊技術(shù)來(lái)對(duì)車(chē)輛的覆蓋部件進(jìn)行加工生產(chǎn)，而美國(guó)、日本等先進(jìn)國(guó)家還把激光焊技術(shù)運(yùn)用到純氮?dú)猸h(huán)境中的航空配件生產(chǎn)當(dāng)中。