详谈激光焊接技术

激光连接技术，即激光焊接技术，是使用高功率激光束对材料表面进行聚焦调控照射，材料表面吸收激光能量后转化为热能，使材料局部升温、熔融，随后经过冷却凝固后实现同种或异种材料的连接。激光焊接过程需要的激光功率密度一般为104~108 W/cm2，相较于传统焊接方式，激光焊接具有以下优点：

目前使用光纤激光器是激光焊接新工艺的研究热点，未来低成本、高功率的激光器与高端数控技术、机器人技术、物联网结合的智能制造设备是重要的发展趋势。

根据焊接模式机理不同，按照是否有匙孔的产生，一般分为激光热导焊和激光深熔焊两种，如下图所示。

1-等离子体云；2-熔化材料；3-匙孔；4-熔深

由于匙孔的存在，激光束在照射到匙孔内部后，经过散射等作用，会增加材料对激光的吸收，促进熔池的形成，两种焊接方式对比如下：

上图给出了同种材料、同一光源的激光焊接过程，其能量转换机制只是通过匙孔完成的，匙孔以及孔壁附近的熔融金属随着激光束的前进而移动，熔融金属将匙孔移开后留下的空气填充并经过冷凝，形成焊缝。

如果待焊材料是异种金属，由于热物性差异的存在会对焊接过程产生很大的影响，如不同材料的熔点、热导率、比热容、膨胀系数的差异，造成焊接过程产生焊接应力、焊接变形，以及焊接接头金属结晶条件变化，造成焊接力学性能下降。

因此根据不同特点的焊接场景，焊接工艺又陆续发展出激光填丝焊接、激光钎焊、双光束激光焊接、激光复合焊接等。

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激光填丝焊接

在铝、钛以及铜合金的激光焊接过程中，由于这些材料对激光的低吸收率（<10%），光致等离子体对激光有一定的屏蔽，因此容易形成飞溅，并导致气孔、裂纹等缺陷的产生。此外，在薄板拼焊时工件的间隙大于光斑直径时也会影响焊接质量。

在解决上述问题时，采用填充料的方法可以得到较好的焊接结果。填充料可以是焊丝或者粉末，也可以采用预置填充料方式。由于聚焦光斑较小，在填充材料后，焊缝变窄且表面呈微凸形状。

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激光钎焊

不同于熔焊将两个焊接件结合处同时融化而实现连接的方式，钎焊是在焊件结合面内添加熔点比母材低的填充材料，在低于母材熔点高于填充材料熔点的温度下将填充材料熔化填满焊件间隙，然后冷凝形成牢固焊缝。

钎焊适用于热敏感的微电子器件、薄板以及易挥发的金属材料。

进一步地，可以根据加热钎料的温度进一步划分为软钎焊（ 450 ）和硬钎焊（ 450 ）。

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双光束激光焊接

双光束焊接可以灵活方便地控制激光照射时间和位置，从而调整能量分布。

主要用于铝、镁合金激光焊接，汽车用拼板、搭接板焊接，激光钎焊和深熔焊等。

双光束可以通过两台独立的激光器获得，也可以用分光镜分光获得。

两束激光可以是不同时域特性（脉冲与连续）、不同波长（中红外与可见光波段）、不同功率的激光的组合，可以根据实际加工材料选取。

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激光复合焊接

由于只采用激光束作为唯一的热源，单热源激光焊接具有能量转换率和利用率低、焊接母材端口接口容易产生错位、易产生气孔和裂纹等缺点，为解决这一问题，可以利用其他热源的加热特性来改善激光对工件的加热，通常称之为激光复合焊接。

激光复合焊接的主要形式为激光与电弧的复合焊接，1+1 2 的效果具体表现如下：

1、在激光束附近外加电弧后，电子密度显著降低，由激光焊接产生的等离子体云得到稀释，能使激光吸收率大大提高，同时电弧对母材的预热也会进一步增加激光的吸收率；

2、电弧的能量利用率高，总的能量利用率也会提高；

3、激光焊接的作用区域小，容易造成焊接端口错位，而电弧的热作用范围大，可以减小焊接端口的错位。同时，由于激光束对电弧的聚焦、引导作用，电弧的焊接质量和效率也得到了提高；

4、激光焊接时峰值温度高、热影响区大，冷却凝固速度快，容易产生裂纹和气孔；而电弧的热作用影响区小，可以使温度梯度减小，冷却、凝固速度降低，可以减小和消除气孔和裂纹的生成。

激光与电弧复合焊接有两种常见形式：激光-TIG复合焊接（如下图）和激光-MIG复合焊接。

另外还有激光与等离子弧、激光与感性热源复合焊接等形式。

从1985年大众集团开始将激光焊接应用于车身制造，此后一度成为高端制造的代表工艺。在全球节能减排的大背景下，激光焊接技术在机械、汽车、钢铁、航空航天等领域发挥着越来越重要的作用。

所以，这些激光焊接的重要知识点，你，记住了吗？

本文转载自公众号 飞博激光