激光焊接技術(shù)相關(guān)應用

譚學吉

【摘 要】激光技術(shù)在制造業(yè)中的應用，是目前各國的研究重點。隨著工業(yè)發(fā)展對高效、環(huán)保、自動化的需要，激光技術(shù)在制造部諸多領(lǐng)域迅速普及，在此基礎(chǔ)上，激光焊接工藝將成為激光應用的一個重要方面。激光技術(shù)目前在很多高新技術(shù)領(lǐng)域中都得到了廣泛的應用，其中激光焊接技術(shù)應用較為多樣化，激光焊具有焊接速度快、深度大、變形小、穿透力強以及精度高等特點受到各發(fā)達國家的重視，這種焊接方式對于一些特殊的材料及結(jié)構(gòu)的焊接具有非常重要的作用。近些年來，激光焊已很多制造業(yè)中都得到了應用，例如：半導體行業(yè)、汽車工業(yè)、航空航天、醫(yī)療行業(yè)、生物醫(yī)學、微電子行業(yè)等領(lǐng)域。本文概述了激光焊接的特點及發(fā)展現(xiàn)狀.簡單介紹了采用激光技術(shù)進行焊接的基本原理及其優(yōu)缺點，分析了激光焊的原理及其在實際生產(chǎn)中的應用與發(fā)展。

1、激光焊的機理

激光焊接的機理分為兩種，第一種為熱傳導焊接，指的是當激光照射在材料表面時，一部分激光被反射，另一部分被材料吸收，被吸收的光由無數(shù)個光子組成，它們轟擊金屬表面形成蒸汽，蒸發(fā)的金屬可防止剩余能量被金屬反射掉，如果被焊金屬有良好的導熱性能，則會得到較大的熔深。第二種為激光深熔焊，一般指的是用較大功率密度的激光束來焊接，激光照射到材料表面，材料吸收光能同樣地轉(zhuǎn)化為熱能，不同的是由于功率密度大，材料表面被加熱熔化至汽化，產(chǎn)生大量的金屬蒸汽，在蒸汽退出表面時產(chǎn)生的反作用力下，使熔化的金屬液體向四周排擠，形成凹坑，隨著激光的繼續(xù)照射，凹坑持續(xù)深入加深熔池的深度，當激光停止照射后，凹坑周邊的熔液回流，冷卻凝固后將兩焊件焊接在—起。

激光焊接從根本上來說就是電磁場與材料相互產(chǎn)生化學反應的過程。激光以不同頻率的光波入射到材料上，材料表面的帶電粒子依著光波電矢量的步調(diào)振動，使光子在材料表面的作用變成了電子的動能.物質(zhì)吸收激光后，第一時間會產(chǎn)生某些質(zhì)點的過量能量，這些能量包括：自由電子的動能、束縛電子的激發(fā)能等等，在焊接過程中這些過量能量最終也會轉(zhuǎn)化為熱能。

2、激光焊的特點

激光焊接技術(shù)是一種比較高效的焊接工藝，激光焊接是通過聚焦激光束形成高能量激光脈沖，并把激光脈沖能量在材料和物質(zhì)表面轉(zhuǎn)化為熱能進行焊接。通常，激光焊接技術(shù)可應用于微小精密的部件焊接，激光束可集中在非常狹小的區(qū)域轉(zhuǎn)換為熱能，電子束焊接也同激光束焊接一樣能產(chǎn)生非常狹小的焊縫，但激光焊接對比于電子束焊接的優(yōu)勢是，其可在大氣壓下進行焊接操作，而無需真空室，而電子束必須在真空爐內(nèi)才能焊接。激光焊接的優(yōu)點還有很多，包括：熔深較大，不易變形，焊速較快，設(shè)備簡單，操作便利，激光焊也可在特殊環(huán)境中進行使用，對于航空航天專用材料—鈦和石英等能產(chǎn)生良好的焊接效果。

激光焊接技術(shù)在實際應用當中，也存在一定的缺陷，比如在焊接過程中，母材受熱熔化并且有部分汽化，形成深熔小孔，孔中充滿金屬蒸汽，金屬氣體與激光作用形成等離子云。等離子云吸收、反射激光，降低金屬材料對激光的吸收率，使激光的能量利用率降低，同時激光焊接對母材端面整齊度要求較高，焊接過程容易產(chǎn)生錯位。由于激光熱輸入較大，激光焊后在母材端面之間的接口部位容易出現(xiàn)凹陷，焊接過程不穩(wěn)定等等問題。

3、激光焊接的現(xiàn)狀

一般來說，工業(yè)激光焊接系統(tǒng)都是將激光頭通過光纖與機器人融為一體，在系統(tǒng)中，激光器負責出光，而機器人負責對軌跡進行試教編程。焊接機器人與傳統(tǒng)手持激光焊相比有很多優(yōu)點，比如：自由度、編程靈活、自動化程度高、柔性程度高等特點，它是焊接生產(chǎn)線的重要組成部分。將激光器安裝在焊接機器人上進行焊接，增強了自動化的能力，很大程度上提高了焊接機器人的焊接質(zhì)量和產(chǎn)品的一致性，在汽車工業(yè)和航空航天領(lǐng)域中激光焊接機器人具有越來越重要的地位。

目前，在我國哈爾濱焊接研究所的激光焊接技術(shù)發(fā)展的比較成熟。近年來，其除了進一步拓寬和研發(fā)新的激光焊接種類以及設(shè)備之外，也在積極參與和研討國外焊接技術(shù)研究的最新動態(tài)，我們在也不斷尋求大功率激光焊接技術(shù)上的突破與發(fā)展。根據(jù)最新的研究成果，哈爾濱焊接團隊在國內(nèi)大型構(gòu)件的焊接難題上有了新的突破，這無疑標志著我國在激光焊接技術(shù)領(lǐng)域的重大突破，也為未來大型工程重大應用奠定了基礎(chǔ)。除此之外，目前國內(nèi)的激光焊接技術(shù)研究還集中在激光熱絲焊、異種金屬焊等領(lǐng)域，他們都是現(xiàn)代激光焊接技術(shù)研究的最新課題。而國外在相關(guān)研究領(lǐng)域已經(jīng)取得了突破，特別是德國已經(jīng)初步掌握了異種金屬焊的技巧和方式，而未來我國要想真正熟練的應用以及掌握激光焊接技術(shù)，將其應用到更多的領(lǐng)域，就需要進一步完善以及優(yōu)化激光焊接技術(shù)。

4、激光焊接的應用

（1）汽車工業(yè)

在現(xiàn)階段汽車制造的過程中，激光焊接技術(shù)可以說具有舉足輕重的地位。它不但可以有效保障汽車生產(chǎn)質(zhì)量，也能有效提高制造人員的工作效率。早在上世紀，激光焊接技術(shù)就已經(jīng)被運用在汽車制造業(yè)中，著名的奔馳和大眾等品牌都采用了這一技術(shù)，并且隨著激光焊接技術(shù)的日漸完善，這種技術(shù)也被大多數(shù)先進的汽車行業(yè)所青睞。

汽車工業(yè)中的在線激光焊接大量應用在白車身沖壓零件的裝配和連接上，包括車頂蓋激光焊、車架激光焊接、車身結(jié)構(gòu)件激光焊接等。其采用激光焊的原因是激光焊接可提高車身強度，也可解決其他焊接方式困難的問題。

（2）航空航天

現(xiàn)如今，航空發(fā)動機中焊接件的比重逐步增長，焊接技術(shù)在產(chǎn)品制造中的重要作用不言而喻。在航空航天諸多制造技術(shù)中，焊接技術(shù)的優(yōu)勢在于可以明顯地減輕發(fā)動機的重量、降低生產(chǎn)成本、簡化結(jié)構(gòu)設(shè)計、提高產(chǎn)品性能等。

大型客機機身壁板激光焊接工藝屬于大尺寸、小厚度、多焊縫的復雜焊接工藝，其變形過程甚為復雜鈦合金主要廣泛用在飛機上，并已由次承力結(jié)構(gòu)件轉(zhuǎn)為主結(jié)構(gòu)件，鋁合金是運載火箭及各種航天器的主要結(jié)構(gòu)材料。

（3）電子行業(yè)

激光焊接技術(shù)在電子工業(yè)領(lǐng)域的應用也較為廣泛，這主要是由于它熱影響區(qū)域較小的特性所決定的。通常，激光焊接技術(shù)在電子工業(yè)領(lǐng)域都是應用在較小電子元件方面的，這可以完美發(fā)揮激光焊接技術(shù)的優(yōu)越性。傳統(tǒng)模式下的焊接技術(shù)穩(wěn)定性不足，精準度較差，熱影響區(qū)域較大，焊接較為困難，采用傳統(tǒng)焊接方法難以解決，TIG焊容易焊穿，等離子穩(wěn)定性差。激光焊接技術(shù)在電子工業(yè)領(lǐng)域廣受好評，雖然目前普及范圍還不算廣泛，但隨著我國科技力量不斷發(fā)展，相信激光焊接技術(shù)的運用也會成為電子工業(yè)領(lǐng)域主要的應用工藝。

5、激光焊接的發(fā)展趨勢

目前國內(nèi)的研究方向主要集中在兩方面：一是對焊接過程進行有效的動態(tài)監(jiān)測和調(diào)控，二是降低激光焊接的成本。想要完成高精度的動態(tài)調(diào)控，只進行單一的傳感反饋調(diào)節(jié)是遠遠不夠的，需要將光學傳感、電學傳感、力學傳感等諸多傳感技術(shù)進行綜合運用。任何一項技術(shù)的普及都繞不開成本問題。想要降低應用成本，一方面可以從降低設(shè)備費用上下手，另一方面可以考慮改進現(xiàn)有的激光焊接技術(shù)，使激光焊接的能量利用率得到較大提升。

6、總結(jié)

綜上所述，激光焊接技術(shù)在實際應用中有著傳統(tǒng)焊接技術(shù)所無法比擬的應用優(yōu)勢，該技術(shù)不僅具有極高的能量密度，而且不依賴于真空環(huán)境，不會受到導電材料的影響，正是這些技術(shù)優(yōu)勢，使其不僅在服務(wù)業(yè)、農(nóng)業(yè)等基礎(chǔ)領(lǐng)域中得到了廣泛應用，在生物醫(yī)學、鋼鐵生產(chǎn)、精密儀器制造等高端領(lǐng)域中也嶄露頭角。并且，在智能化技術(shù)的帶動下，激光焊接技術(shù)也將向著智能化的方向發(fā)展，越來越多先進的激光器也將相繼被研制出來，這些都將為激光焊接技術(shù)的快速發(fā)展提供強大的技術(shù)支撐。