激光焊接原理及应用

激光焊接原理及应用

激光加工，是将具有高能量密度的、被聚集到微小空间的激光用于加工的方法。激光加工属于非接触加工方法，能量集中，加工精度高，加工效率高，应用范围宽广，对今后的生产制造来说是不可缺少的加工方法。激光焊接是激光材料加工技术应用的重要方面之一，它是利用高能量密度的激光束作为热源的一种高效精密焊接方法。激光焊接可以采用连续或脉冲激光束加以实现，激光焊接可分为热传导型焊接和激光深熔焊接。功率密度小于104~105 W/cm2为热传导焊，此时熔深浅、焊接速度慢；功率密度大于105~107 W/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。

图1 激光焊接示意图

激光焊接具有以下几个优点：

（1）能量密度高、焊接变形小、热影响区小，可以有效地提高制件精度； （2）焊缝光滑无杂质、均匀致密、无需附加的打磨工作； （3）对异种材料的焊接具有较高的适应性；

（4）可精确控制，聚焦光点小，高精度定位，配合机械手臂易于实现自动化，提高焊接效率，减少工时，降低成本。

图2 激光焊接过程图

激光焊接主要应用在汽车工业、精密机械与机械零件、电子制造等领域。 （1）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。

图3 奔驰汽车天窗部件焊接

图4 汽车变速箱行星架焊接

（2）精密机械与机械零件行业应用

激光技术为精密器械、精密零件的生产制造提供更加优化的工艺性选择。激光束容易控制，易于与精密机械、精密测量技术和电子计算机相结合实现加工的高度自动化和达到很高的加工精度。激光焊接波纹管具有稳定的弹性性能和自身密封性能，主要用于仪表仪器及机械密封、或作为测量元件。

图5 激光焊接的波纹管和滤清器

（3）其他领域

激光焊接在电子制造以及医学行业也具有广泛的应用潜力，除此之外，激光焊接也逐渐增加特别是在特种材料焊接的研究，如对BT20钛合金、HEl30合金、Li-ion电池等激光焊接。

激光焊接对工件装配要求很高，在工件自熔焊的情况下，工件装配间隙是影响焊接质量的主要因素。如采用江苏中科四象激光科技有限公司3kW光纤耦合输出全固态激光器对常用A3钢板（厚度为4mm）进行激光拼焊，要求单道焊双面成型。

图6 激光焊接用激光器及工装

在焊接参数设定以及工件装配达到要求的前提下对工件进行激光焊接。采用的焊接参数如下表1所示。

表1 激光焊接参数表

激光功率P

焊接方案

(W)

1 2

焊接速度v (m/min) 1.2 1 1.2

焦距f (mm)

离焦量Δf (mm)

2800 1000 2800

150 -0.5

当采用方案1进行激光焊接时，焊缝前部连续一致，成型良好，尾部张开，出现未熔合现象；采用方案2进行激光焊接时，先采用小功率1000W对工件两端进行点焊，然后再采用大功率2800W进行焊接，焊接效果良好，尾部未出现未熔合等缺陷。

图7 1号工件试验结果

图8 2号工件试验结果

出现这种情况的原因在于：虽然焊接前工件已经由工装压紧，且间隙不大，但在焊接过程中，工件前端急剧受热，在热应力的情况下，在未焊接的工件尾部间隙变大，激光本身对装配间隙要求很高，在变大了的间隙下极易出现未熔合缺陷，进而影响整个工件的焊接质量。