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1、激光焊接技术原理应用及发展趋势激光焊接技术原理应用及发展趋势彭树陈彭树陈邵阳学院机械系邵阳学院机械系 湖南湖南 邵阳邵阳 422004摘要：本文讲述了机关焊接的原理、特点、激光焊接工艺在不同领摘要：本文讲述了机关焊接的原理、特点、激光焊接工艺在不同领域的应用以及激光焊接在未来的发展趋势和应用。域的应用以及激光焊接在未来的发展趋势和应用。关键字：激光焊接关键字：激光焊接 ;焊接原理焊接原理;应用领域应用领域;发展趋势。发展趋势。前言前言激光焊接是激光加工材料加工技术应用的重要方面之一。激光焊接是激光加工材料加工技术应用的重要方面之一。70 年代主要用年代主要用于焊接薄壁材料和低速焊接，焊接过程属
2、于热传导型，即激光辐射加热于焊接薄壁材料和低速焊接，焊接过程属于热传导型，即激光辐射加热工件表面，表面热量通过热传导向内部扩散，通过控制激光脉冲的宽度、工件表面，表面热量通过热传导向内部扩散，通过控制激光脉冲的宽度、能量、峰值功率和重复频率等参数，使工件熔化，形成特定的熔池。由能量、峰值功率和重复频率等参数，使工件熔化，形成特定的熔池。由于激光焊接作为一种高质量、高精度、低变形、高效率和高速度的焊接于激光焊接作为一种高质量、高精度、低变形、高效率和高速度的焊接方法，随着高功率方法，随着高功率 CO2 和高功率的和高功率的 YAG 激光器以及光纤传输技术的完激光器以及光纤传输技术的完善、金属钼焊
3、接聚束物镜等的研制成功，使其在机械制造、航空航天、善、金属钼焊接聚束物镜等的研制成功，使其在机械制造、航空航天、汽车工业、粉末冶金、生物医学微电子行业等领域的应用越来越广。汽车工业、粉末冶金、生物医学微电子行业等领域的应用越来越广。一、一、 激光焊接的原理及特点激光焊接的原理及特点1. 原理原理激光是指利用原子受激辐射的原理，使物质受激而产生的波长专一、方激光是指利用原子受激辐射的原理，使物质受激而产生的波长专一、方向一致和强度很高的光束。向一致和强度很高的光束。激光焊接塑料的基本原理是，通过夹具施压将两个工件叠加在一起，激光焊接塑料的基本原理是，通过夹具施压将两个工件叠加在一起，再向上面的工
4、件射入激光，使激光能够穿透该工件并被下面的工件吸收。再向上面的工件射入激光，使激光能够穿透该工件并被下面的工件吸收。吸收的激光光能转化为热能，进而使两工件的接触面熔化，最终形成焊吸收的激光光能转化为热能，进而使两工件的接触面熔化，最终形成焊接区。接区。激光焊接的机理有两种：激光焊接的机理有两种：（1）热传导焊接）热传导焊接 当激光照射在材料表面时，一部分激光被反射，一部分被材料吸收，将当激光照射在材料表面时，一部分激光被反射，一部分被材料吸收，将光能转化为热能而加热熔化，材料表面层的热以热传导的方式继续向材光能转化为热能而加热熔化，材料表面层的热以热传导的方式继续向材料深处传递，最后将两焊件熔
5、接在一起。料深处传递，最后将两焊件熔接在一起。 （2）激光深熔焊）激光深熔焊 当功率密度比较大的激光束照射到材料表面时，材料吸收光能转化为热当功率密度比较大的激光束照射到材料表面时，材料吸收光能转化为热能，材料被加热熔化至汽化，产生大量的金属蒸汽，在蒸汽退出表面时能，材料被加热熔化至汽化，产生大量的金属蒸汽，在蒸汽退出表面时产生的反作用力下，使熔化的金属液体向四周排挤，形成凹坑，随着激产生的反作用力下，使熔化的金属液体向四周排挤，形成凹坑，随着激光的继续照射，凹坑穿人更深，当激光停止照射后，凹坑周边的熔液回光的继续照射，凹坑穿人更深，当激光停止照射后，凹坑周边的熔液回流，冷却凝固后将两焊件焊接
6、在流，冷却凝固后将两焊件焊接在起。起。 这两种焊接机理根据实际的材料性质和焊接需要来选择，通过调节激光这两种焊接机理根据实际的材料性质和焊接需要来选择，通过调节激光的各焊接工艺参数得到不同的焊接机理。的各焊接工艺参数得到不同的焊接机理。2. 特点特点（1）激光辐射的能量释放极其迅速，电焊过程只有几毫秒。这不仅提激光辐射的能量释放极其迅速，电焊过程只有几毫秒。这不仅提高了生产率，而且被焊接材料不易氧化。应此可以在大气中进行高了生产率，而且被焊接材料不易氧化。应此可以在大气中进行焊接，不需要气体保护或真空环境。焊接，不需要气体保护或真空环境。（2）激光焊接能量密度高、热量集中、作用时间很短，所以焊
7、接热量激光焊接能量密度高、热量集中、作用时间很短，所以焊接热量影响区极小，弓箭步变型，特别适用于热敏感材料的焊接。影响区极小，弓箭步变型，特别适用于热敏感材料的焊接。（3）激光束可以用反射镜或偏转棱镜将其在任何方向上弯曲或聚焦，激光束可以用反射镜或偏转棱镜将其在任何方向上弯曲或聚焦，可以用光导纤维应到难以接近的部位。激光还可以通过透明材料可以用光导纤维应到难以接近的部位。激光还可以通过透明材料壁进行聚焦，因此可以焊接一般喊法难以接近或无法安置的焊点。壁进行聚焦，因此可以焊接一般喊法难以接近或无法安置的焊点。（4）激光可以对绝缘材料进行焊接，焊接异种金属材料也比较容易，激光可以对绝缘材料进行焊接
8、，焊接异种金属材料也比较容易，甚至可以把金属与非金属焊接在一起。甚至可以把金属与非金属焊接在一起。二、二、 激光焊接的应用激光焊接的应用1、制造业应用、制造业应用 激光拼焊技术在国外轿车制造中得到广泛的应用，国内生产的引进车型激光拼焊技术在国外轿车制造中得到广泛的应用，国内生产的引进车型Passat，Buick，Audi 等也采用了一些剪裁坯板结构。日本以等也采用了一些剪裁坯板结构。日本以 CO2 激光激光焊代替了闪光对焊进行制钢业轧钢卷材的连接，在超薄板焊接的研究，焊代替了闪光对焊进行制钢业轧钢卷材的连接，在超薄板焊接的研究，如板厚如板厚 100 微米以下的箔片，无法熔焊，但通过有特殊输出功
9、率波形的微米以下的箔片，无法熔焊，但通过有特殊输出功率波形的YAG 激光焊得以成功，显示了激光焊的广阔前途。日本还在世界上首次激光焊得以成功，显示了激光焊的广阔前途。日本还在世界上首次成功开发了将成功开发了将 YAG 激光焊用于核反应堆中蒸气发生器细管的维修等，激光焊用于核反应堆中蒸气发生器细管的维修等，在国内苏宝蓉等还进行了齿轮的激光焊接技术。在国内苏宝蓉等还进行了齿轮的激光焊接技术。 2、粉末冶金领域、粉末冶金领域 随着科学技术的不断发展，许多工业技术上对材料特殊要求，应用冶铸随着科学技术的不断发展，许多工业技术上对材料特殊要求，应用冶铸方法制造的材料已不能满足需要。由于粉末冶金材料具有特
10、殊的性能和方法制造的材料已不能满足需要。由于粉末冶金材料具有特殊的性能和制造优点，在某些领域如汽车、飞机、工具刃具制造业中正在取代传统制造优点，在某些领域如汽车、飞机、工具刃具制造业中正在取代传统的冶铸材料，随着粉末冶金材料的日益发展，它与其它零件的连接问题的冶铸材料，随着粉末冶金材料的日益发展，它与其它零件的连接问题显得日益突出，使粉末冶金材料的应用受到限制显得日益突出，使粉末冶金材料的应用受到限制8。在八十年代初期，。在八十年代初期，激光焊以其独特的优点进入粉末冶金材料加工领域，为粉末冶金材料的激光焊以其独特的优点进入粉末冶金材料加工领域，为粉末冶金材料的应用开辟了新的前景，如采用粉末冶金
11、材料连接中常用的钎焊的方法焊应用开辟了新的前景，如采用粉末冶金材料连接中常用的钎焊的方法焊接金刚石，由于结合强度低，热影响区宽特别是不能适应高温及强度要接金刚石，由于结合强度低，热影响区宽特别是不能适应高温及强度要求高而引起钎料熔化脱落，采用激光焊接可以提高焊接强度以及耐高温求高而引起钎料熔化脱落，采用激光焊接可以提高焊接强度以及耐高温性能。性能。 3、汽车工业、汽车工业 20 世纪世纪 80 年代后期，千瓦级激光成功应用于工业生产，而今激光焊接年代后期，千瓦级激光成功应用于工业生产，而今激光焊接生产线已大规模出现在汽车制造业，成为汽车制造业突出的成就之一。生产线已大规模出现在汽车制造业，成为
12、汽车制造业突出的成就之一。德国奥迪、奔驰、大众、瑞典的沃尔沃等欧洲的汽车制造厂早在德国奥迪、奔驰、大众、瑞典的沃尔沃等欧洲的汽车制造厂早在 20 世世纪纪 80 年代就率先采用激光焊接车顶、车身、侧框等钣金焊接，年代就率先采用激光焊接车顶、车身、侧框等钣金焊接，90 年代年代美国通用、福特和克莱斯勒公司竟相将激光焊接引入汽车制造，尽管起美国通用、福特和克莱斯勒公司竟相将激光焊接引入汽车制造，尽管起步较晚，但发展很快。意大利菲亚特在大多数钢板组件的焊接装配中采步较晚，但发展很快。意大利菲亚特在大多数钢板组件的焊接装配中采用了激光焊接，日本的日产、本田和丰田汽车公司在制造车身覆盖件中用了激光焊接，
13、日本的日产、本田和丰田汽车公司在制造车身覆盖件中都使用了激光焊接和切割工艺，高强钢激光焊接装配件因其性能优良在都使用了激光焊接和切割工艺，高强钢激光焊接装配件因其性能优良在汽车车身制造中使用得越来越多，根据美国金属市场统计，至汽车车身制造中使用得越来越多，根据美国金属市场统计，至 2002 年年底，激光焊接钢结构的消耗将达到底，激光焊接钢结构的消耗将达到 70 000t 比比 1998 年增加年增加 3 倍。根据汽倍。根据汽车工业批量大、自动化程度高的特点，激光焊接设备向大功率、多路式车工业批量大、自动化程度高的特点，激光焊接设备向大功率、多路式方向发展。方向发展。 4、电子工业、电子工业 激
14、光焊接在电子工业中，特别是微电子工业中得到了广泛的应用激光焊接在电子工业中，特别是微电子工业中得到了广泛的应用12。由于激光焊接热影响区小加热集中迅速、热应力低，因而正在集成电路由于激光焊接热影响区小加热集中迅速、热应力低，因而正在集成电路和半导体器件壳体的封装中，显示出独特的优越性，在真空器件研制中，和半导体器件壳体的封装中，显示出独特的优越性，在真空器件研制中，激光焊接也得到了应用，如钼聚焦极与不锈钢支持环、快热阴极灯丝组激光焊接也得到了应用，如钼聚焦极与不锈钢支持环、快热阴极灯丝组件等。传感器或温控器中的弹性薄壁波纹片其厚度在件等。传感器或温控器中的弹性薄壁波纹片其厚度在 0.05-0.
15、1mm，采用，采用传统焊接方法难以解决，传统焊接方法难以解决，TIG 焊容易焊穿，等离子稳定性差，影响因素焊容易焊穿，等离子稳定性差，影响因素多而采用激光焊接效果很好，得到广泛的应用。多而采用激光焊接效果很好，得到广泛的应用。 5、其他领域、其他领域 在其他行业中，激光焊接也逐渐增加特别是在特种材料焊接中国内进行在其他行业中，激光焊接也逐渐增加特别是在特种材料焊接中国内进行了许多研究，如对了许多研究，如对 BT20 钛合金、钛合金、HEl30 合金、合金、Li-ion 电池等激光焊接，电池等激光焊接，德国玻璃机械制造商德国玻璃机械制造商 Glamaco Coswig 公司与公司与 IFW 接合
16、技术与材料实验接合技术与材料实验研究院合作开发出了一种用于平板玻璃的激光焊接新技术。研究院合作开发出了一种用于平板玻璃的激光焊接新技术。三、三、 发展趋势发展趋势关于器件尺寸，市场有两种相反的趋势：一方面，器件越来越小，关于器件尺寸，市场有两种相反的趋势：一方面，器件越来越小，且焊缝复杂；另一方面，器件更大，且是三维的。而激光焊接设备的不且焊缝复杂；另一方面，器件更大，且是三维的。而激光焊接设备的不断发展，可同时满足这两种要求。断发展，可同时满足这两种要求。目前的激光焊接所使用的激光器主要为大功率目前的激光焊接所使用的激光器主要为大功率 CO2 激光器和脉冲激光器和脉冲Nd：YAG 激光器激光器45，激光器的发展仍然集中于激光设备的开发研制，激光器的发展仍然集中于激光设备的开发研制，如提高电源的稳定性和寿命，对于如提高电源的稳定性和寿命，对于 CO2 气体激光器要解决大功率激光气体激光器要解决大功率激光器的放电稳定性，对于器的放电稳定性，对于 YAG 固体激光器要研制大容量、长寿命的光泵固体激光器要研制大容量、长寿命的光泵激励光源。
