激光焊接技術(shù)應(yīng)用及其發(fā)展研究

陳 琴 ，徐逸舟

(1.鎮(zhèn)江技師學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212100；2.鎮(zhèn)江市交通運輸綜合行政執(zhí)法支隊，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

0 引言

激光焊接技術(shù)的優(yōu)點是質(zhì)量高、精度好、變形小，是一種非常先進的焊接技術(shù)。當(dāng)前，在機械制造、航空航天、汽車工業(yè)、粉末冶金等領(lǐng)域都有激光焊接的應(yīng)用。當(dāng)前激光焊接的主要研究方向是CO2激光和YAG激光焊接的相關(guān)理論，包括激光焊接智能化控制、復(fù)合焊接、焊接缺陷的發(fā)生原理和避免方法等。本文闡述了激光焊接的相關(guān)原理，并對其應(yīng)用和未來發(fā)展進行了探討。

1 激光焊接的使用原理

激光焊接的原理是把強度非常高的激光束對金屬表面進行輻射，使激光和金屬發(fā)生相互作用，金屬發(fā)生融化冷卻后形成焊接。

(1)熱傳導(dǎo)焊接。當(dāng)激光照射在金屬表面，反射一部分激光，還有一部分被材料吸收，從而加熱熔化，材料表面熱量傳導(dǎo)至材料深處，使焊接件熔合在一起。

(2)激光深熔焊。功率很大的激光束照射于材料表面的時候，材料吸收光能變?yōu)闊崮?，材料加熱到汽化，?dāng)蒸氣產(chǎn)生反作用力，導(dǎo)致熔化后金屬液體向四周排擠，產(chǎn)生一個凹坑，伴隨激光持續(xù)照射，凹坑不斷加深。當(dāng)激光停止后，凹坑溶液出現(xiàn)回流，冷卻凝固使焊接件熔合。

2 激光焊接在不同行業(yè)的應(yīng)用

(1)在制造業(yè)的應(yīng)用。目前，國外轎車制造中激光焊接技術(shù)受到普遍歡迎。全球范圍內(nèi)使用激光焊接的生產(chǎn)線在數(shù)百條，并且每年的轎車剪裁激光焊坯板數(shù)量都在不斷增長。大眾在我國的轎車生產(chǎn)廠，包括帕薩特、別克、奧迪等都使用剪裁坯板結(jié)構(gòu)制造汽車。目前，日本制鋼業(yè)的軋鋼卷材連接已經(jīng)用CO2激光焊接替代了閃光對焊。在超薄板焊接過程中，對于板厚在100 μm下的箔片不能使用熔焊，而采用特殊功率的YAG激光焊就可以，這說明激光焊的應(yīng)用前景非常廣闊。

(2)在粉末冶金領(lǐng)域的應(yīng)用。由于科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展。很多工業(yè)制造對于材料都有特殊要求，傳統(tǒng)冶煉鑄造產(chǎn)生的材料不能符合目前的需求。粉末冶金材料的性能非常好，具有明顯的制造優(yōu)點。在很多領(lǐng)域，例如汽車制造、飛機、工具制造等都得到了普遍應(yīng)用，逐漸替代傳統(tǒng)冶煉鑄造的材料。由于粉末冶金技術(shù)的不斷發(fā)展，在同其他零件進行連接過程中表現(xiàn)出了很多問題，導(dǎo)致粉末冶金材料不能得到普遍應(yīng)用。由于激光焊的特殊性，將其用于粉末冶金焊接取得了很好的效果，推動了粉末冶金材料更好的應(yīng)用。例如，在粉末冶金材料焊接中通常使用焊接金剛石，但因為強度比較低，不適合高溫和強度高的環(huán)境，會導(dǎo)致釬料發(fā)生脫落，使用激光焊接能夠有效提升焊接強度，并非常耐高溫。

(3)在汽車工業(yè)的應(yīng)用。在20世紀80年代，已經(jīng)在工業(yè)生產(chǎn)中引入了千瓦級激光焊接，當(dāng)前汽車制造業(yè)中已經(jīng)廣泛推廣激光焊接生產(chǎn)線，這極大地提高了汽車制造的效率。目前，很多著名汽車品牌，例如奔馳、奧迪、沃爾沃等已經(jīng)普遍使用激光焊接車頂、車身等鈑金焊接。隨著技術(shù)發(fā)展，已經(jīng)有越來越多汽車制造企業(yè)在制造中引入激光焊接，包括美國通用、福特、克萊斯勒等。意大利的汽車品牌菲亞特在鋼板組件焊接中也普遍應(yīng)用了激光焊接。日本的汽車制造廠家，包括日產(chǎn)、豐田、本田等，都把激光焊接和切割工藝用于車身覆蓋件的制造。在汽車車身制造中，高強度材料激光焊接因為性能非常好受到普遍歡迎。當(dāng)前，激光焊接鋼結(jié)構(gòu)的消耗量逐年增加，已經(jīng)占到了很多的比重。由于汽車制造業(yè)的特點是大批量、自動化水平高，因此激光焊接設(shè)備逐漸朝著高功率的方向發(fā)展。目前，對于激光焊接的工藝很多國家也進行了深入研究，例如，美國主要研究激光焊接中如何添加粉末金屬以及金屬絲，而德國研究者則把重點放在了鋁合金車身骨架的激光焊接上面，他們認為在焊縫中增加金屬可以避免產(chǎn)生熱裂縫，提升焊接速度，提高精確度，當(dāng)前已經(jīng)投入實際生產(chǎn)。

(4)在電子工業(yè)中的應(yīng)用。當(dāng)前，在電子工業(yè)，尤其是微電子工業(yè)中，激光焊接都得到了普遍應(yīng)用。因為激光焊接產(chǎn)生的熱影響區(qū)非常小，加熱能夠很快集中，而且熱應(yīng)力小，所以普遍用于集成電路以及半導(dǎo)體殼體的封裝，具有很好的優(yōu)勢。在真空器材的研究中，激光焊接也取得了普遍應(yīng)用，例如用于快熱陰極燈絲組件、不銹鋼支持環(huán)等。由于傳感器和溫控器中的波紋片厚度非常薄，傳統(tǒng)焊接技術(shù)不能做到，容易發(fā)生焊接穿孔的情況，而使用激光焊接技術(shù)就能取得很好的效果，因此受到普遍歡迎。

(5)在其他領(lǐng)域的普遍應(yīng)用。目前，在特種材料焊接中，也普遍應(yīng)用了激光焊接技術(shù)，例如進行BT20鈦合金焊接、HE130合金焊接等。一家德國的玻璃制造企業(yè)還開發(fā)了對平板玻璃進行焊接的激光焊接技術(shù)。

3 影響激光焊接質(zhì)量的相關(guān)因素

研究發(fā)現(xiàn)，對激光焊接能力影響比較重要的一個因素是激光焊接參數(shù)，它對焊接質(zhì)量產(chǎn)生直接影響，所以要認真研究激光焊接的工藝參數(shù)，這樣才能更好地使用激光焊接技術(shù)。激光焊接參數(shù)包括：激光輸出功率、激光脈沖寬度、離焦量和焦距、焊接速度、材料吸收率、保護氣體等。

激光輸出功率以及焊接速度都會對焊接溫度造成直接影響，而且熔池大小以及深度，也對焊接質(zhì)量產(chǎn)生直接影響。脈沖寬度對熔深以及焊接質(zhì)量也產(chǎn)生了一定影響。焊接過程中，光束焦距、離焦量等都對能量密度產(chǎn)生影響，短焦距具有很高的能量密度，光斑比較小，但工件的間距也要很小。另外，激光束和材料吸收相容性也會影響材料吸收率，它對熔池溫度升高具有直接影響，還會影響到焊接熱循環(huán)以及焊接接頭質(zhì)量。同時保護氣體對焊接質(zhì)量也有一定影響，焊接中通常使用惰性氣體保護熔池，常見的氣體包括氮氣、氬氣、氦氣，成本最高的是氦氣，具有很好的抗氧化性；氬氣也具有很好的抗氧化性，但會產(chǎn)生電離，主要用于鋁鈦合金；氮氣成本非常低，通常用于不銹鋼焊接。

4 激光焊接的激光發(fā)生器和工藝發(fā)展趨勢

當(dāng)前，激光焊接用到的激光器包括大功率CO2和脈沖Nd∶YAG激光器。對于激光器來說，要求提高其電源穩(wěn)定性，延長使用壽命。針對CO2氣體激光器要控制好大功率放電穩(wěn)定，針對YAG固體激光器要開發(fā)容量大、壽命長的光泵激勵光源。當(dāng)前，使用直接二極管陣列激光輸出波長能夠使激光功率達到1 kW，光電轉(zhuǎn)換效率達到50%，這些激光設(shè)備和激光技術(shù)，有效提高了焊接技術(shù)在各個行業(yè)中的應(yīng)用。另外，還要加強對激光加工光束質(zhì)量研究，并改進加工外圍設(shè)備質(zhì)量。要對不同激光加工工藝的激光光束要求、加工質(zhì)量監(jiān)控技術(shù)、光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計研究等進行深入研究。還要認真研究焊接工藝、焊接材料，提高焊接設(shè)備穩(wěn)定性，要積極研究如何焊接有色金屬以及特殊金屬的焊接，從而促進激光焊接技術(shù)的發(fā)展。

5 結(jié)語

本文主要闡述了激光焊接技術(shù)的使用原理、使用特點，并對激光焊接在不同領(lǐng)域的應(yīng)用進行了總結(jié)，最后展望了激光焊接技術(shù)的發(fā)展前景。激光焊接技術(shù)是一種先進的焊接技術(shù)，它的精度高、適應(yīng)性好、具有很強的能量，在制造業(yè)、汽車、冶金等行業(yè)取得了廣泛應(yīng)用，提升了生產(chǎn)水平和焊接質(zhì)量。相信隨著激光焊接技術(shù)的不斷完善，激光焊接一定會取得更大的進步。