激光复合焊接的技术要领

一，概述

激光（Laser）是利用辐射激发光放大原理而产生一种单色、方向性强、光亮度大的光束经透射或反射镜聚焦后获得高密度功率的能束。它可用于焊接、切割和材料表面处理的热源。激光焊（LW）是利用高能量密度的激光束作为热源的一种高效精密的焊接方法。按照激光发生器工作性质的不同激光分为固体、液体、气体、半导体等激光；按照激光对工件的作用和激光器输出能量的不同激光焊可分为连续激光焊和脉冲激光焊；按照激光聚焦后光斑作用在工件上的功率密度激光焊可分为传热焊（熔透焊）和深熔焊（锁孔焊、穿孔焊、小孔焊）。

激光焊机主要由激光器（核心部分，目前主要是YAG固体激光器和CO2气体激光器）、光束传输和聚焦系统、焊炬、工作台、电源和控制装置、气源、水源、 *** 作盘数控装置等组成。目前常见激光焊机的型号有：HH200～500、XHY-LF200～3000、NJH-30、JKg、DH-WM01、GD-10-1等等。主要应用在航空、电子议表、机械、汽车、医疗、食品、核能等领域。

激光焊有其显著的优点：具有很高功率密度（10³W/cm²）,可小孔焊和高速焊；激光能发射、透射，能通过光纤、棱镜等光学方法弯曲传输、偏转、聚焦，特别适于微型另件、难以接近的部位或远距离的焊接；一台激光器可供多个工作台进行不同的工作（焊接、切割、合金化、热处理等）；激光可穿过玻璃等透明物体，适于在玻璃制成的密封容器内焊接铍合金等剧毒材料；激光不受电磁场影响，没有X射线；激光在大气中损耗不大，也不需要真空保护；除了能焊接碳钢、低合金钢、不锈钢、硅钢、铝、钛等有色金属，在一定条件下，铜-镍、镍-钛、铜-钛、钛-钼、黄铜-铜、低碳钢-铜、不锈钢-铜等异种金属材料可进行激光焊，也可以焊接金属与陶瓷、玻璃、复合材料等非金属，对于高熔点金属、非金属材料（陶瓷、有机玻璃等）、对热输入敏感的材料进行激光焊，焊后无需热处理。激光焊没有得到广泛应用主要是：价格太贵；对焊件加工、组装、定位要求高；光能转换率低（10～20%）。

二，激光复合焊介绍

为了扩大激光焊的应用范围、提高激光焊的质量、增加焊件厚度以及避免单纯激光焊的局限性，便出现了新的焊接工艺：激光复合焊，这里要注意激光复焊的优点不单单是两种焊接方法的叠加！特别是能量的利用率远远大于两种热源的简单相加。激光复合焊的优点在于：能量利用率提高，母材处于固态时对激光的吸收率很低，而熔化后对激光的吸收率提高到50～100%；熔深增加很多，在电弧的作用下，母材熔化形成熔池，而激光又作用在电弧形成的底部，加上液态金属对激光束的吸收率高，因此激光复合焊要比单纯激光焊熔深要大；电弧很稳定，比如单独用TIG或MIG焊接时，焊接电弧有时不稳定特别是在小电流情况下，当焊接速度提高到一定值时会引起电弧漂移，而采用激光复合焊时，激光产生的等离子体有助于稳定电弧；提高激光焊接时对接接头间隙的适应性，降低激光焊的装配精度从而实现高效率。

1，激光焊的工艺参数，脉冲激光焊有四个主要参数：脉冲能量、脉冲宽度、功率密度和离焦量；连续激光焊的参数主要有：激光功率、焊接速度、光斑直径、离焦量、保护气体的种类和流量等；双光束激光焊的参数有：光束排布方式、间距、两光束角度、聚焦位置、两光束的能量比等。激光复合焊种类有：激光-电弧复合焊、激光-高频焊、激光-压焊、激光-钎焊等；其中激光-电弧焊最为常见，如激光-氩弧焊（TIG）、激光-气保焊（MIG）等。按照激光与电弧的相对位置不同有：同轴复合式、交叉复合式、偏离复合式。

2,应用在大厚板深熔焊接，由于单纯激光焊严格的装配要求和大功率激光器成本高限制了厚板焊接。采用激光-电弧复合焊可进行厚板深熔焊接，并且提高对焊接坡口的制备、光束对中性和接头装配间隙的适应性。在造船业得到很好的应用，对于低合金高强度钢可不预热焊接，用激光-电弧复合焊单道焊熔深可达15mm,双道焊熔深达30mm焊接变形量仅为双丝焊的1/10，焊接厚度16mm的T形接头焊接速度可达3m/min。

3，应用在铝合金的激光焊接，激光焊接铝合金存在反射率大，易产生气孔、裂纹、成分变化等问题。采用激光-电弧复合焊，由于电弧的作用，激光束能够直接照射到液态熔池表面，增大吸收率，提高熔深。采用交流TIG或直流反接，可在激光焊前面清理氧化膜，同时电弧形成的熔池在激光束前方移动，增大熔池与固态金属之间的润湿性，防止咬边。

4，应用在搭接接头，搭接焊缝广泛应用于汽车的框架和底板结构中，目前汽车壳体焊接中很多都采用了镀锌钢板搭接焊和铝板焊接。采用激光-电弧复合焊可以减小焊接部件的变形量、消除下凹、咬边等缺陷，并大大提高焊接速度。比如：采用10kW的CO2激光与MIG电弧复合热源焊接低碳钢板的搭接接头，可实现间隙为0.5～1.5mm的搭接焊，熔深可达地板厚度的40%。又如：采用2.7kW的YAG激光-MIG电弧复合高速焊接的铝合金搭接接头，焊接速度可达8m/min。

5，应用在薄板高速焊上，激光高速焊接薄板的主要问题是焊缝成形连续性差，焊道表面易出现隆起等缺陷。采用等离子弧辅助YAG或CO2激光进行薄板（0.14mm）复合焊接，焊接速度为单独激光焊提高1倍，即使焊接速度达到100m/min电弧也很稳定，可获得较宽的焊道和光滑的焊缝表面。

三，焊后处理

一般地讲激光焊焊后不处理，但对于像马氏体、铁素体不锈钢等有淬火倾响的材料要进行焊后热处理。

激光焊接的优势：

1、可将入热量降到最低的需要量，热影响区金相变化范围小，且因热传导所导致的变形亦最低。

2、32mm板厚单道焊接的焊接工艺参数业经检定合格，可降低厚板焊接所需的时间甚至可省掉填料金属的使用。

3、不需使用电极，没有电极污染或受损的顾虑。且因不属于接触式焊接制程，机具的耗损及变形接可降至最低。

4、激光束易于聚焦、对准及受光学仪器所导引，可放置在离工件适当之距离，且可在工件周围的机具或障碍间再导引，其他焊接法则因受到上述的空间限制而无法发挥。

5、工件可放置在封闭的空间（经抽真空或内部气体环境在控制下）。

6、激光束可聚焦在很小的区域，可焊接小型且间隔相近的部件。

7、可焊材质种类范围大，亦可相互接合各种异质材料。

8、易于以自动化进行高速焊接，亦可以数位或电脑控制。

9、焊接薄材或细径线材时，不会像电弧焊接般易有回熔的困扰。

10、不受磁场所影响（电弧焊接及电子束焊接则容易），能精确的对准焊件。

11、可焊接不同物性（如不同电阻）的两种金属

12、不需真空，亦不需做射线防护。

13、若以穿孔式焊接，焊道深一宽比可达10:1

14、可以切换装置将激光束传送至多个工作站。

激光焊接的缺点

1、焊件位置需非常精确，务必在激光束的聚焦范围内。

2、焊件需使用夹治具时，必须确保焊件的最终位置需与激光束将冲击的焊点对准。

3、最大可焊厚度受到限制渗透厚度远超过19mm的工件，生产线上不适合使用激光焊接。

4、高反射性及高导热性材料如铝、铜及其合金等，焊接性会受激光所改变。

5、当进行中能量至高能量的激光束焊接时，需使用等离子控制器将熔池周围的离子化气体驱除，以确保焊道的再出现。

6、能量转换效率太低，通常低于10%。

7、焊道快速凝固，可能有气孔及脆化的顾虑。

8、设备昂贵。

为了消除或减少激光焊接的缺陷,更好地应用这一优秀的焊接方法,提出了一些用其它热源与激光进行复合焊接的工艺,主要有激光与电弧、激光与等离子弧、激光与感应热源复合焊接、双激光束焊接以及多光束激光焊接等。此外还提出了各种辅助工艺措施，如激光填丝焊(可细分为冷丝焊和热丝焊)、外加磁场辅助增强激光焊、保护气控制熔池深度激光焊、激光辅助搅拌摩擦焊等。

(1)功率密度。 功率密度是激光加工中最关键的参数之一。采用较高的功率密度，在微秒时间范围内，表层即可加热至沸点，产生大量汽化。因此，高功率密度对于材料去除加工，如打孔、切割、雕刻有利。对于较低功率密度，表层温度达到沸点需要经历数毫秒，在表层汽化前，底层达到熔点，易形成良好的熔融焊接。因此，在传导型激光焊接中，功率密度在范围在10^4~10^6W/CM^2。

(2)激光脉冲波形。 激光脉冲波形在激光焊接中是一个重要问题，尤其对于薄片焊接更为重要。当高强度激光束射至材料表面，金属表面将会有60~98%的激光能量反射而损失掉，且反射率随表面温度变化。在一个激光脉冲作用期间内，金属反射率的变化很大。

(3)激光脉冲宽度。 脉宽是脉冲激光焊接的重要参数之一，它既是区别于材料去除和材料熔化的重要参数，也是决定加工设备造价及体积的关键参数。

(4)离焦量对焊接质量的影响。 激光焊接通常需要一定的离做文章一，因为激光焦点处光斑中心的功率密度过高，容易蒸发成孔。离开激光焦点的各平面上，功率密度分布相对均匀。离焦方式有两种:正离焦与负离焦。焦平面位于工件上方为正离焦，反之为负离焦。按几何光学理论，当正负离焦平面与焊接平面距离相等时，所对应平面上功率密度近似相同，但实际上所获得的熔池形状不同。负离焦时，可获得更大的熔深，这与熔池的形成过程有关。实验表明，激光加热50~200us材料开始熔化，形成液相金属并出现问分汽化，形成市压蒸汽，并以极高的速度喷射，发出耀眼的白光。与此同时，高浓度汽体使液相金属运动至熔池边缘，在熔池中心形成凹陷。当负离焦时，材料内部功率密度比表面还高，易形成更强的熔化、汽化，使光能向材料更深处传递。所以在实际应用中，当要求熔深较大时，采用负离焦焊接薄材料时，宜用正离焦。

折叠编辑本段应用

激光焊接机技术广泛被应运在汽车、轮船、飞机、高铁等高精制造领域，给人们的生活质量带来了重大提升，更是引领家电行业进入了精工时代。

特别是在大众汽车创造的42米无缝焊接技术，大大提高了车身整体性和稳定性之后，家电领头企业海尔集团隆重推出首款采用激光无缝焊接技术生产的洗衣 机，该家电为人民珍视了科技的进步，先进的激光技术可以为人民的生活带来巨大的改变。随着洗衣机全球品牌地位的不断巩固，其对行业的引领开始全面展现，然 而有激光焊接机技术的支持，也将对家电行业有一个更深的改革。据海尔研发人员介绍，市场上的全自动洗衣机内桶的制造技术大多采用"扣搭"技术，内桶的衔 接处会存在缝隙或不平整，导致桶体强度不高、对衣物产生不必要磨损。为了进一步提高内桶的可靠性和精细化，海尔洗衣机以汽车、造船行业为参照母本，将激光 无缝焊接技术应用在匀动力洗衣机新品上，避免了内桶缝隙和不平整的产生，在全面提高了产品的可靠性的同时更加呵护衣物。由于内桶的强度的提高，匀动力洗衣 机脱水过程中最高转速比普通全自动洗衣机也提高了25%，脱水效率大幅提升，并且耗电少、用时省。

此外，还了解到，中德造船业合作研发的"高功率激光焊接机技术"，保证了轮船的安全性，进一步加强了船身结构在航空领域，激光无缝焊接技术也已广泛 应用于飞机发动机的制造上，同时，铝合金机身的激光无缝焊接技术可以取代铆钉，从而减轻了20%的机身重量我国的高铁轨道也引进了激光无缝焊接技术，在 提高安全性能同时，也大大降低了噪音，为旅客带来安静舒心的乘车环境。

随着科技的全面发展，激光焊接机技术的不断巩固与应用，也带领全球的家电产业步入了一个新时代，新的工艺不仅是产品的升级，也是更多科技的展示和应用。

1、制造业应用 激光拼焊(TailoredBlandLaserWelding)技术在国外轿车制造中得到广泛的应用，据统计，2000年全球范围内剪裁坯板激光拼焊生产线超过100条，年产轿车构件拼焊坯板7000万件，并继续以较高速度增长。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CO2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，如板厚100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，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 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。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。

3、汽车工业 20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。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世纪80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2002年底，激光焊接钢结构的消耗将达到70000t比1998年增加3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、多路式方向发展。在工艺方面美国Sandia国家实验室与PrattWitney联合进行在激光焊接过程中添加粉末金属和金属丝的研究，德国不莱梅应用光束技术研究所在使用激光焊接铝合金车身骨架方面进行了大量的研究，认为在焊缝中添加填充余属有助于消除热裂纹，提高焊接速度，解决公差问题，开发的生产线已在奔驰公司的工厂投入生产。

4、电子工业 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。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，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d性薄壁波纹片其厚度在0.05-0.1mm，采用传统焊接方法难以解决，TIG焊容易焊穿，等离子稳定性差，影响因素多而采用激光焊接效果很好，得到广泛的应用。

5、生物医学 生物组织的激光焊接始于20世纪70年代，Klink等及jain[13]用激光焊接输卵管和血管的成功焊接及显示出来的优越性，使更多研究者尝试焊接各种生物组织，并推广到其他组织的焊接。有关激光焊接神经方面国内外的研究主要集中在激光波长、剂量及其对功能恢复以及激光焊料的选择等方面的研究，刘铜军进行了激光焊接小血管及皮肤等基础研究的基础上又对大白鼠胆总管进行了焊接研究。激光焊接方法与传统的缝合方法比较，激光焊接具有吻合速度快，愈合过程中没有异物反应，保持焊接部位的机械性质，被修复组织按其原生物力学性状生长等优点将在以后的生物医学中得到更广泛的应用。

6、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了许多研究，如对BT20钛合金、HEl30合金、Li-ion电池等激光焊接，德国玻璃机械制造商GlamacoCoswig公司与IFW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。

折叠编辑本段混合焊接优势

激光混合焊接技术具有显著的优点。对于激光混合，优点主要体现在:更大的熔深/较大缝隙的焊接能力焊缝的韧性更好，通过添加辅助材料可对焊缝晶格组织施加影响无烧穿时焊缝背面下垂的现象适用范围更广借助于激光替换技术投资较少。对于激光MIG惰性气体保护焊混合，优点主要体现在:较高的焊接速度熔焊深度大产生的焊接热少焊缝的强度高焊缝宽度小焊缝凸出小。从而使得整个系统的生产过程稳定性好，设备可用性好焊缝准备工作量和焊接后焊缝处理工作量小焊接生产工时短、费用低、生产效率高具有很好的光学设备配置性能。

但是，激光混合焊接在电源设备方面的投资成本相对较高。随着市场的进一步扩大，电源设备的价格也将会有所下降，并将使激光混合焊接技术在更多的领域中得到应用。至少激光混合焊接技术在铝合金材料的焊接中是一种非常合适的焊接工艺，将在较长的时期内成为主要的焊接生产工具。

折叠编辑本段发展现状

国外激光技术以及制造业较为发达，他们早在上世纪八十年代就已经开始研究如何将现代激光技术应用在传统制造业中。欧盟、美国等西方国家和亚洲的日本借助于自身发达的科学技术实力以及良好的制造业基础，在政府合理的引导以及财政支持下，激光焊接技术发展非常快速，特别是进入新世纪以后，已经在许多的制造业和其他行业中能够看到激光焊接技术的应用，包括电子工业、造船工业、汽车工业等等，都能够看到现代激光焊接技术的应用。并且已经初步形成了焊接技术的行业标准，从而使得其能够在一个合理可控的范围内得到应用。与此同时，为了进一步提升焊接效率，使得激光焊接技术能够更好地应用于现代大型生产，特别是大型制造业以及建筑业，西方发达国家近年来在积极研究如何提升激光焊接的效率，通过大功率激光器的研究，进一步推动和实现大功率激光焊接技术的实现，由此真正将其应用到大型制造业、建筑业甚至是军事领域，进行潜艇以及军舰的制造。

目前，激光焊接技术研究在国内走在前列的当属哈尔滨焊接研究所。近年来，其除了进一步拓宽和研发新的激光焊接种类以及设备之外，也在积极模仿以及参照国外研究的最新动向，不断寻求大功率激光焊接技术的突破与发展。而最新的研究成果显示，他们成功克服了国内大型构件的焊接难题，这无疑标志着我国在激光焊接技术领域的重大突破，也为未来大型工程重大应用奠定了基础。除此之外，目前国内的激光焊接技术研究还集中在激光热丝焊、异种金属焊等领域，他们都是现代激光焊接技术研究的最新课题。而国外在相关研究领域已经取得了突破，特别是德国已经初步掌握了异种金属焊的技巧和方式，而未来我国要想真正熟练的应用以及掌握激光焊接技术，将其应用到更多的领域以及行业内，无疑就必须要攻破上述课题，要进一步完善以及优化激光焊接技术。

折叠编辑本段前景

激光焊接作为现代科技与传统技术的结合体，其相对于传统焊接技术而言，尤其独特之处并且本身的应用领域以及应用层面更加广泛，可以极大的提升焊接的效率和精度。其功率密度高、能量释放快，从而更好的提高了工作效率，同时其本身的聚焦点更小，无疑使得缝合的材料之间的黏连度更好，不会造成材料的损伤和变形。激光焊接技术的出现，实现了传统焊接技术所无法应用领域，其能够简单的实现不同材质、金属与非金属等多种焊接需求，并且因为激光本身的穿透性和折射性，使得其能够依据光速本身的运行轨迹，实现360 度范围内的随意焦，而这无疑是传统焊接技术发展下所无法想象的。除此之外，因为激光焊接能够在短时间内释放大量热量实现快速焊接，因而其对于环境要求更低，能够在一般室温条件下进行，而无需再在真空环境或是气体保护状态下。经过几十年的发展，人们对于激光技术的了解以及认知程度最高，其也从最初的军事领域逐步扩展到现代民用领域，而激光焊接技术的出现进一步拓展了激光技术的应用范围。未来激光焊接技术不仅仅能够用于汽车、钢铁、仪器制造等领域，其必然还可以在军事、医学等等更多的领域得到应用，特别是在医学领域，借助于其本身的高热量、高融合、卫生等特点，更好的在神经医学、生殖医学等临床诊治中应用。而其本身的精度优势也会在更多的精密仪器制造业中得到应用，从而不断造福人类以及社会的发展。[1]

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