激光焊接技術(shù)綜述

王斌+王雨軒

摘 要：如今，科學(xué)越來(lái)越發(fā)達(dá)，20世紀(jì)，繼原子能、半導(dǎo)體等、計(jì)算機(jī)的發(fā)明之后，激光作為一個(gè)新型技術(shù)也逐漸走入人們視野，目前已經(jīng)在很多的制造領(lǐng)域廣泛運(yùn)用，特別是歐洲發(fā)達(dá)國(guó)家，對(duì)于激光焊接技術(shù)的應(yīng)用格外重視，并已將其列入國(guó)家發(fā)展方針當(dāng)中。本文主要就激光焊接技術(shù)的工作原理、工藝技術(shù)以及在當(dāng)代工業(yè)中的應(yīng)用進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞：激光焊接；原理；工藝

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.19.040

如今，焊接技術(shù)在機(jī)械制造、車輛工程、建筑行業(yè)、使用化工以及航空航天等領(lǐng)域都被廣泛應(yīng)用，是實(shí)現(xiàn)材料永久性連接的有效方法，目前已經(jīng)是制造業(yè)不可缺少的一項(xiàng)重要加工技術(shù)。就當(dāng)前來(lái)說(shuō)，焊接的主要方法包括電焊、氣焊氬弧焊、釬焊、電阻焊接等等。但是，這些方法在空間限制以及精細(xì)件操作等方面，都還存在著各種缺陷。激光束屬于一種高能力量密度的人員，適應(yīng)性較強(qiáng)，在當(dāng)前的焊接領(lǐng)域得到了迅速的發(fā)展及應(yīng)用，并已經(jīng)逐漸取代傳統(tǒng)的焊接技術(shù)，向著低成本、高質(zhì)量的方向發(fā)展，擁有著廣闊的發(fā)展空間。并且對(duì)各種材料的連接領(lǐng)域也有著很重要的作用。

1 激光焊接的原理

激光焊接實(shí)質(zhì)上是非透明材料與激光束相互作用的過(guò)程。整個(gè)過(guò)程極為復(fù)雜，從宏觀的角度上看，表現(xiàn)為融化、吸收、氣化以及反射；而微觀上看則是一個(gè)量子過(guò)程。將焊接根據(jù)機(jī)理進(jìn)行分類可以分為熱傳導(dǎo)焊接以及激光深熔焊。

1.1 熱傳導(dǎo)焊接

所謂熱傳導(dǎo)焊接就是當(dāng)激光輻射到焊接材料上時(shí)，一部分激光被焊接材料所吸收并將其轉(zhuǎn)化為熱能量，表面熱以熱傳遞的形式通過(guò)材料，熔化焊縫并最終將焊接件焊接在一起。

1.2 激光深熔焊

激光深熔焊接是將高功率密度的激光束焊接到焊接材料上。這種材料將被吸收的光能轉(zhuǎn)化為熱能，加熱蒸發(fā)產(chǎn)生金屬蒸氣，當(dāng)金屬蒸氣從工件表面移動(dòng)時(shí)，熔化的金屬流動(dòng)并形成凹痕，伴隨著熱量不斷產(chǎn)生，凹痕也不斷的加深，在激光停止后，凹痕周圍的溶液回流、冷卻后工件便連接在一起。

2 激光焊接的工藝參數(shù)

目前，激光在很多領(lǐng)域中都有涉及。因?yàn)橐坏┌l(fā)生焊接的質(zhì)量問(wèn)題，便會(huì)導(dǎo)致非常嚴(yán)重的后果，因此精確控制焊接質(zhì)量的工藝參數(shù)，將其控制在激光焊接的良好范圍內(nèi)，能夠有效保障焊接的質(zhì)量。在實(shí)際的生產(chǎn)過(guò)程中，激光焊接的工藝參數(shù)可以參照一下參數(shù)。

2.1 焊接速度

在焊接過(guò)程中，如果焊接速度過(guò)慢會(huì)導(dǎo)致焊接材料融化過(guò)度，進(jìn)而造成工件被焊穿；而焊接的速度如果過(guò)于快速，又可能夠使焊接的深度略淺。因此，在現(xiàn)實(shí)的生成中，對(duì)于特定的材料以及激光的功率要有一個(gè)合理的焊接速度標(biāo)準(zhǔn)，以保證焊接熔深的合理。

2.2 離焦量

對(duì)于激光焊接來(lái)說(shuō)，其離焦量也是其中的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，因?yàn)殡x焦量對(duì)于能量密度以及光斑直徑都有很大影響。在離焦量較小時(shí)，激光的光斑直徑則小、功率密度變大，熔池的擴(kuò)張速率也較快，而初始匙孔直徑變小；若離焦量大，初始匙孔的直接也隨之增大，而熔池的擴(kuò)展變慢，焊點(diǎn)的尺寸也有可能會(huì)變小。

2.3 激光脈沖寬度

在激光電焊中，激光脈寬受熱影響區(qū)以及熔深的影響，與材料融化和去除不同，決定加工設(shè)備的體積以及造價(jià)。經(jīng)過(guò)實(shí)踐我們發(fā)現(xiàn)，每一種材料都有一個(gè)最佳的脈沖寬度，能夠?qū)⑵淙凵钸_(dá)到最大化。

2.4 激光脈沖波形

當(dāng)焊接材料的表面被高強(qiáng)度激光束照射時(shí)，它會(huì)失去60%到98%的能量反射，并且材料的反射率也會(huì)隨著時(shí)間發(fā)生變化。材料的溫度達(dá)到熔點(diǎn)時(shí)，其反射率會(huì)有所降低；當(dāng)材料處于熔化的狀態(tài)時(shí)，反射率則會(huì)穩(wěn)固在一定的范圍內(nèi)。

2.5 功率密度

功率密度實(shí)際上就是指單位面積內(nèi)的激光功率，激光功率對(duì)于材料的升溫時(shí)間有著直接的影響，激光的功率越大，材料溫度則升高的越快。高功率密度在切割、穿孔等材料祛除的加工作業(yè)中運(yùn)行較為普遍。而低功率密度能夠很好的進(jìn)行熔融焊接，在進(jìn)行傳導(dǎo)型激光焊接過(guò)程中，應(yīng)將其每平方厘米的數(shù)值控制在104至105W之間。

3 激光焊接技術(shù)的應(yīng)用

伴隨著焊接技術(shù)的發(fā)展以及工業(yè)激光器研發(fā)，目前，激光焊接技術(shù)在很多的焊接行業(yè)都已得到普遍應(yīng)用。在國(guó)外，很多發(fā)達(dá)國(guó)家的激光技術(shù)都已在各個(gè)行業(yè)中得到普及，如航空航天、汽車制造、塑料焊接、核能設(shè)備等等，并且都已經(jīng)與傳統(tǒng)有機(jī)融合，是當(dāng)前比較成熟的焊接技術(shù)。

近年來(lái)，世界主要汽車制造商都使用鎂合金作為其零件使用量技術(shù)領(lǐng)先的一個(gè)標(biāo)志，鎂合金在焊接過(guò)程中容易形成熱脆性和疏松膜，焊接過(guò)程較為復(fù)雜。因此，鎂合金的激光焊接已成為近年來(lái)研究的主要內(nèi)容。在今天的激光焊接的主要應(yīng)用過(guò)程當(dāng)中，起關(guān)注點(diǎn)主要放在通過(guò)對(duì)激光在焊接過(guò)程當(dāng)中所表現(xiàn)出來(lái)的特性進(jìn)行對(duì)比分析。例如，對(duì)激光的控制、對(duì)激光的檢測(cè)以及使用各種材質(zhì)來(lái)達(dá)到焊接的效果。其中使用比較廣泛的是在水下環(huán)境實(shí)施激光焊接技術(shù)，使用深熔激光模擬，以及使用填絲、堆焊以及鋁合金等激光技術(shù)來(lái)進(jìn)行焊接，其最終目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)焊接質(zhì)量的全程控制。伴隨著我國(guó)工業(yè)制造的不斷發(fā)展，加工技術(shù)的高效性是工業(yè)發(fā)展的主要趨勢(shì)，而激光焊接技術(shù)則剛好與該發(fā)展趨勢(shì)相吻合。

4 結(jié)語(yǔ)

激光技術(shù)作為當(dāng)前最新型的焊接技術(shù)擁有很強(qiáng)的適應(yīng)性和加工能力，已經(jīng)漸漸取代了傳統(tǒng)的焊接技術(shù)。伴隨著全球工藝技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，激光的應(yīng)用特點(diǎn)必然會(huì)更加明顯，成為綠色、節(jié)能、高效的制造技術(shù)，帶動(dòng)我國(guó)工業(yè)制造持續(xù)發(fā)展。

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作者簡(jiǎn)介：王斌（1969-），男，江蘇南通人，本科，講師，焊接教研室主任，研究方向：機(jī)電。endprint