激光焊接技術(shù)綜述

(中航鋰電(洛陽) 有限公司，河南 洛陽 471003)

激光是20世紀(jì)以來，人類的又一重大發(fā)明，它是由美國科學(xué)家C.H.Townes 和T.H.Maiman 等在1960年發(fā)明出來的。激光是輻射的受激發(fā)射光放大的簡稱，是一種電磁波，是通過人工增幅產(chǎn)生的。其產(chǎn)生的基本條件包括泵浦源、激光介質(zhì)和諧振腔等，激光具有高的單色性、方向性、相干性和亮度性，激光是一種新型熱源[1，2]。

激光焊接是激光加工技術(shù)應(yīng)用的重要方面之一，更是2l世紀(jì)最受矚目、最有發(fā)展前景的焊接技術(shù)[3]。與傳統(tǒng)焊接方法對比，激光焊接具有很多優(yōu)勢，實(shí)踐證明，激光焊接應(yīng)用范圍越來越廣泛，基本上傳統(tǒng)焊接工藝可以使用的領(lǐng)域，激光焊接都能勝任，且焊接質(zhì)量更高，效率更快。隨著新的激光焊接技術(shù)和設(shè)備的研發(fā)，激光焊接正在逐漸取代傳統(tǒng)的焊接技術(shù)。自20世紀(jì)70年代以來，已廣泛應(yīng)用于工業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域。

1 激光焊接機(jī)理

激光焊接屬于熔融焊，以激光束作為焊接熱源，其焊接原理是:通過特定的方法激勵(lì)活性介質(zhì)，使其在諧振腔中往返振蕩，進(jìn)而轉(zhuǎn)化成受激輻射光束，當(dāng)光束與工件相互接觸時(shí)，其能量則被工件吸收，當(dāng)溫度高達(dá)材料的熔點(diǎn)時(shí)即可進(jìn)行焊接[4]。圖1為激光器原理示意圖，圖2為激光焊接示意圖。

圖1 激光器原理

圖2 激光焊接示意圖

按焊接熔池形成的機(jī)理劃分，激光焊接有兩種基本的焊接機(jī)理:熱傳導(dǎo)焊接和深熔(小孔)焊接[5]。熱傳導(dǎo)焊接時(shí)產(chǎn)生的熱量通過熱傳遞擴(kuò)散至工件內(nèi)部，使焊縫表面熔化，基本不產(chǎn)生汽化現(xiàn)象，常用于低速薄壁構(gòu)件的焊接。深熔焊使材料汽化，形成大量等離子體，由于熱量較大，熔池前端會(huì)出現(xiàn)小孔現(xiàn)象。深熔焊能徹底焊透工件，且輸入能量大、焊接速度快，是目前使用最廣泛的激光焊接模式。

1.1 熱傳導(dǎo)焊接機(jī)理[6]

當(dāng)激光功率密度小于105W/cm2時(shí)，金屬表面溫度迅速加熱到熔點(diǎn)和沸點(diǎn)之間而熔化，通過熱傳導(dǎo)把熱能向金屬內(nèi)部傳遞，使熔池逐漸擴(kuò)大，冷卻凝固時(shí)結(jié)晶形成焊點(diǎn)或者焊縫，焊縫類似為橢球形。激光與材料的相互作用過程中，很大一部分激光束被金屬表面反射，激光的吸收率較低，沒有蒸汽壓的作用，激光光斑功率密度也會(huì)變得較低，不產(chǎn)生小孔效應(yīng)。因此，熱傳導(dǎo)焊接時(shí)熔深淺，速度較慢。圖3為熱傳導(dǎo)焊接機(jī)理示意圖。

圖3 激光熱傳導(dǎo)焊機(jī)理

1.2 深熔焊接機(jī)理[7]

當(dāng)照射到金屬表面的激光功率密度大于106W/cm2時(shí)，金屬表面溫度可在極短的時(shí)間內(nèi)(10-6～10-5S)使加熱區(qū)域的金屬熔化及汽化，產(chǎn)生金屬液體和金屬蒸汽，氣態(tài)金屬產(chǎn)生的蒸汽壓很高，足以克服液態(tài)金屬的表面張力，把熔化的金屬向四周吹散，形成小孔。隨著金屬蒸汽的逸出，在工件上方及小孔內(nèi)部形成等離子體，較厚的等離子體云會(huì)對入射激光具有一定屏蔽作用。激光束在小孔內(nèi)產(chǎn)生多重的反射，小孔幾乎可以吸收全部的激光能量，使小孔進(jìn)一步加深，當(dāng)激光束在小孔產(chǎn)生的金屬蒸汽壓力與液態(tài)金屬的表面張力和重力平衡后，小孔不再加深而形成一個(gè)深度穩(wěn)定的小孔，這就是小孔效應(yīng)。

當(dāng)工件以一定的速度相對于激光束移動(dòng)時(shí)，小孔前方的金屬不斷熔化和汽化，液態(tài)金屬流向小孔后方，逐漸凝固形成焊縫，這種焊接機(jī)理叫深熔焊，是激光焊接中最常用的焊接模式。在激光深熔焊時(shí)，材料對激光束的吸收決定于小孔和等離子體效應(yīng)。一般來說，工件表面的等離子體云吸收部分激光，使激光有效的能量較低，并使光束波前畸變導(dǎo)致焦光斑擴(kuò)散，使表面熔化區(qū)擴(kuò)大，因此等離子體云對焊接過程有害。常采用以下兩種預(yù)防措施:一是使用保護(hù)氣體吹散激光與工件作用點(diǎn)反沖出的金屬蒸汽;第二種是使用保護(hù)氣體，抑制金屬蒸汽電離，阻止等離子體云的產(chǎn)生。圖4為深熔焊接機(jī)理示意圖。

圖4 激光深熔焊接機(jī)理

2 激光焊接特點(diǎn)

激光焊接經(jīng)歷了由脈沖激光焊接到連續(xù)激光焊接，低功率焊接到高功率焊接，薄板焊接到厚板焊接，低速焊接到高速焊接的過程。與傳統(tǒng)焊接相比，其主要優(yōu)勢集中在以下幾個(gè)方面:

(1)能量密度高。功率密度達(dá)106～108W/cm2，深寬比大，最高可達(dá)10:1，焊縫晶粒細(xì)小致密[8-11]。

(2)激光焊接速度快、熔深大[8，12-13]。由于能量密度大，激光焊接過程中，在金屬材料上產(chǎn)生匙孔，激光能量通過小孔往工件焊接方向傳導(dǎo)，而橫向傳導(dǎo)較少，因而在焊接時(shí)，能量較集中，熔深大，焊接速度快。

(3)激光焊接熱輸入量小，熱影響區(qū)小，焊接變形小[8，14]。由于激光焊接功率密度高，所以很小的熱輸入量就可以實(shí)現(xiàn)良好的焊接，從而熱影響區(qū)及焊接變形很小。

(4)激光焊縫力學(xué)性能好，力學(xué)性能強(qiáng)于母材[15]。焊縫強(qiáng)度高、焊接速度快、焊縫窄且表面狀態(tài)好，免去焊后清理等工作。

(5)能在室溫或特殊條件下進(jìn)行焊接。激光在真空、空氣及某種氣體環(huán)境中均能焊接，并能通過玻璃或?qū)馐该鞯牟牧线M(jìn)行焊接。

(6)可以焊接一般焊接方法難以焊接的材料，以及同種或異種難焊材料[16]。如高熔點(diǎn)金屬等，甚至可用于非金屬材料的焊接，如陶瓷等。

(7)可實(shí)施非接觸遠(yuǎn)距離焊接。沒有工具損耗或工具調(diào)換等問題[17]。

(8)激光焊接屬非接觸加工，與接觸焊工藝相比，無電極、工具等的磨損消耗，無加工噪聲，對環(huán)境無污染[17]。

(9)焊接系統(tǒng)具有高度的柔性化。與CAD/CAM 或機(jī)器人聯(lián)合組成的焊接系統(tǒng)可形成多功能的激光加工系統(tǒng)，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化[18]。

但是，激光焊接與傳統(tǒng)焊接方法相比，也存在一定的局限性，主要集中在以下幾個(gè)方面:

(1)對焊接工件加工、裝配精度、定位精度要求較高，且要求光束在工件上的位置不能有顯著偏移，這是因?yàn)榧す饩劢购蠊獍叱叽缧。缚p窄。如工件裝配精度或光束定位精度達(dá)不到要求，很容易造成焊接缺陷[4，8，19，20]。

(2)激光器及焊接系統(tǒng)各配件的價(jià)格較為昂貴，一次性投資大，初期投資及維護(hù)成本比傳統(tǒng)焊接工藝高，經(jīng)濟(jì)效益較差[18]。

(3)受熔深的限制，激光焊接不適宜焊接厚度較大的材料。

(4)由于固體材料對激光的吸收率較低，特別是在出現(xiàn)等離子體后，因此激光焊接的轉(zhuǎn)化效率普遍較低[21，22](通常為5%～30%)。

(5)高反射性及高導(dǎo)熱性材料如鋁、銅及其合金等，焊接性會(huì)受激光所改變[21，22]。

3 影響激光焊接的工藝參數(shù)

影響激光焊接質(zhì)量的工藝參數(shù)較多，如功率密度、激光脈沖波形、離焦量、焊接速度和輔助吹氣等。

3.1 激光功率密度

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，高功率密度對于材料去除加工，如打孔、切割、雕刻有利。對于較低功率密度，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，在熱傳導(dǎo)型激光焊接中，功率密度范圍在104～106W/cm2。

3.2 激光脈沖波形

激光脈沖波形既是區(qū)別是材料去除還是材料熔化的重要參數(shù)，也是決定加工設(shè)備體積及造價(jià)的關(guān)鍵參數(shù)。當(dāng)高強(qiáng)度激光束射至材料表面，材料表面將會(huì)有60～90%的激光能量被反射損失掉，且反射率隨著表面溫度的變化而變化。在一個(gè)激光脈沖作用周期內(nèi)，被加工金屬的反射率的變化也很大。圖5-8 為不同材質(zhì)的激光焊接脈沖波形。

3.3 激光脈沖寬度

激光脈沖寬度是激光焊接中的一個(gè)重要問題，尤其對于薄壁構(gòu)件焊接時(shí)，顯得更為重要。激光脈沖寬度由熔深與熱影響分區(qū)決定，激光脈沖寬度越長，熱影響分區(qū)就越大，熔深隨著激光脈沖寬度的1/2次方增大。但激光脈沖寬度的增大會(huì)降低其峰值功率，較低的峰值功率又會(huì)導(dǎo)致多余的熱輸入。

3.4 離焦量焦斑

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，功率密度分布相對均勻。離焦方式有兩種[7]: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)離焦量相等時(shí)，所對應(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)部分汽化，形成高壓蒸汽，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)的熔化及汽化，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;焊接薄壁材料時(shí)，宜用正離焦。通常長焦距的能量密度低，光斑大，能量密度足夠情況下，可用于對接頭定位精度不高的焊接;短焦距的能量密度較高，光斑小，要求工件配合間隙要小。由D=fθ可知，聚焦鏡焦距越小，焦點(diǎn)光斑直徑越小，穿透力越強(qiáng)，對高度也越敏感。激光光束的聚焦光斑直徑與激光器輸出光束的模式密切相關(guān)，模式越低，聚焦后的光點(diǎn)越小，焊縫越窄，熱影響區(qū)越小。

3.5 焊接速度

焊接速度決定了焊接表面質(zhì)量、熔深、熱影響區(qū)等。焊接速度的快慢會(huì)影響單位時(shí)間內(nèi)的熱輸入量，焊接速度過慢，則熱輸入量過大，導(dǎo)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。通常采用降低焊接速度的方法來改善熔深。

3.6 輔助吹保護(hù)氣

輔助吹保護(hù)氣在高功率激光焊接中是必不可少的一道工序。一方面是為了防止金屬材料濺射而污染聚焦鏡;另一方面是為了防止焊接過程中產(chǎn)生的等離子體過多聚集，阻擋激光到達(dá)材料表面。激光焊接過程常使用氦、氬、氮等惰性氣體保護(hù)熔池，使工件在焊接過程中免受氧化[23]。保護(hù)氣體種類和氣流大小、吹氣角度等因素對焊接結(jié)果有較大影響，不同的吹氣方法也會(huì)對焊接質(zhì)量產(chǎn)生一定的影響[24]。

4 結(jié)束語

本文對激光焊接機(jī)理、工藝特點(diǎn)及工藝參數(shù)進(jìn)行了討論，激光焊接作為一種新型焊接技術(shù)，以其高能量密度、高速度、高精度、深穿透、適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在制造加工業(yè)、冶金業(yè)金屬殼鋰離子電池[25]等領(lǐng)域，不僅提高了生產(chǎn)效率，更提高了焊接質(zhì)量。在21世紀(jì)，激光焊接技術(shù)必將在材料加工領(lǐng)域發(fā)揮更重要的作用。

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