激光焊接是激光加工技術(shù)應(yīng)用的重要方面之一，更是21世紀(jì)最受矚目、最有發(fā)展前景的焊接技術(shù)。與傳統(tǒng)焊接方法對(duì)比，激光焊接具有很多優(yōu)勢(shì)，焊接質(zhì)量更高、效率更快。目前，激光焊接技術(shù)已廣泛應(yīng)用于制造業(yè)、粉末冶金、汽車工業(yè)、電子工業(yè)、生物醫(yī)學(xué)等各個(gè)領(lǐng)域。

激光焊接原理

激光焊接屬于熔融焊，以激光束作為焊接熱源，其焊接原理是：通過特定的方法激勵(lì)活性介質(zhì)，使其在諧振腔中往返震蕩，進(jìn)而轉(zhuǎn)化成受激輻射光束，當(dāng)光束與工件相互接觸時(shí)，其能量則被工件吸收，當(dāng)溫度高達(dá)材料的熔點(diǎn)時(shí)即可進(jìn)行焊接。

△激光焊接原理

按焊接熔池形成的機(jī)理劃分，激光焊接有兩種基本的焊接機(jī)理：熱傳導(dǎo)焊接和深熔（小孔）焊接。熱傳導(dǎo)焊接時(shí)產(chǎn)生的熱量通過熱傳遞擴(kuò)散至工件內(nèi)部，使焊縫表面熔化，基本不產(chǎn)生汽化現(xiàn)象，常用于低速薄壁構(gòu)件的焊接。深熔焊使材料汽化，形成大量等離子體，由于熱量較大，熔池前端會(huì)出現(xiàn)小孔現(xiàn)象。深熔焊能徹底焊透工件，且輸入能量大、焊接速度快，是目前使用最廣泛的激光焊接模式。

激光焊接主要工藝參數(shù)

影響激光焊接質(zhì)量的工藝參數(shù)較多，如功率密度、激光脈沖波形、離焦量、焊接速度和輔助吹保護(hù)氣等。

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激光功率密度

功率密度是激光加工中最關(guān)鍵的參數(shù)之一。采用較高的功率密度，在微秒時(shí)間范圍內(nèi)，表層即可加熱至沸點(diǎn)，產(chǎn)生大量汽化。因此，高功率密度對(duì)于材料去除加工，如打孔、切割、雕刻十分有利。對(duì)于較低功率密度，表層溫度達(dá)到沸點(diǎn)需要經(jīng)歷數(shù)毫秒，在表層汽化前，底層達(dá)到熔點(diǎn)，易形成良好的熔融焊接。因此，在熱傳導(dǎo)型激光焊接中，功率密度范圍在104-106W/cm2。

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激光脈沖波形

激光脈沖波形既是區(qū)別材料去除還是材料熔化的重要參數(shù)，也是決定加工設(shè)備體積及造價(jià)的關(guān)鍵參數(shù)。當(dāng)高強(qiáng)度激光束射至材料表面，材料表面將會(huì)有60～90%的激光能量反射而損失掉，尤其是金、銀、銅、鋁、鈦等材料反射強(qiáng)、傳熱快。一個(gè)激光脈沖訊號(hào)過程中，金屬的反射率隨時(shí)間而變化。當(dāng)材料表面溫度升高到熔點(diǎn)時(shí)，反射率會(huì)迅速下降，當(dāng)表面處于熔化狀態(tài)時(shí)，反射穩(wěn)定于某一值。

△不同材質(zhì)的激光焊接脈沖波形

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激光脈沖寬度

脈寬是脈沖激光焊接的重要參數(shù)。脈寬由熔深與熱影響分區(qū)確定，脈寬越長(zhǎng)熱影響區(qū)越大，熔深隨脈寬的1/2?次方增加。但脈沖寬度的增大會(huì)降低峰值功率，因此增加脈沖寬度一般用于熱傳導(dǎo)焊接方式，形成的焊縫尺寸寬而淺，尤其適合薄板和厚板的搭接焊。但是，較低的峰值功率會(huì)導(dǎo)致多余的熱輸入，每種材料都有一個(gè)可使熔深達(dá)到最大的最佳脈沖寬度。

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離焦量

激光焊接通常需要一定的離焦量，因?yàn)榧す饨裹c(diǎn)處光斑中心的功率密度過高，容易蒸發(fā)成孔。離開激光焦點(diǎn)的各平面上，功率密度分布相對(duì)均勻。

離焦方式有兩種：

正離焦與負(fù)離焦。焦平面位于工件上方為正離焦，反之為負(fù)離焦。按幾何光學(xué)理論，當(dāng)正負(fù)離焦平面與焊接平面距離相等時(shí)，所對(duì)應(yīng)平面上的功率密度近似相同，但實(shí)際上所獲得的熔池形狀有一定差異。負(fù)離焦時(shí)，可獲得更大的熔深，這與熔池的形成過程有關(guān)。

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焊接速度

焊接速度決定了焊接表面質(zhì)量、熔深、熱影響區(qū)等。焊接速度的快慢會(huì)影響單位時(shí)間內(nèi)的熱輸入量，焊接速度過慢，則熱輸入量過大，導(dǎo)致工件燒穿，焊接速度過快，則熱輸入量過小，造成工件焊不透。通常采用降低焊接速度的方法來改善熔深。

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輔助吹保護(hù)氣

輔助吹保護(hù)氣在高功率激光焊接中是必不可少的一道工序。一方面是為了防止金屬材料濺射而污染聚焦鏡；另一方面是為了防止焊接過程中產(chǎn)生的等離子體過多聚焦，阻擋激光到達(dá)材料表面。激光焊接過程常使用氦、氬、氮等氣體保護(hù)熔池，使工件在焊接工程中免受氧化。保護(hù)氣體種類和氣流大小、吹氣角度等因素對(duì)焊接結(jié)果有較大影響，不同的吹氣方法也會(huì)對(duì)焊接質(zhì)量產(chǎn)生一定的影響。

氦氣不易電離（電離能量較高），可讓激光順利通過，光束能量不受阻礙地直達(dá)工件表面。這是激光焊接時(shí)使用最有效的保護(hù)氣體，但價(jià)格比較貴。

氬氣比較便宜，密度較大，所以保護(hù)效果較好。但它易受高溫金屬等離子體電離，結(jié)果屏蔽了部分光束射向工件，減少了焊接的有效激光功率，也損害焊接速度與熔深。使用氬氣保護(hù)的焊件表面要比使用氦氣保護(hù)時(shí)來得光滑。

氮?dú)庾鳛楸Ｗo(hù)氣體最便宜，但對(duì)某些類型不銹鋼焊接時(shí)并不適用，主要是由于冶金學(xué)方面問題，如吸收，有時(shí)會(huì)在搭接區(qū)產(chǎn)生氣孔。

激光焊接作為一種新型焊接技術(shù)，具有高能量密度、高速度、高精度、深穿透、適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，其應(yīng)用范圍越來越廣泛，不僅能提高生產(chǎn)效率，更提高了焊接質(zhì)量，激光焊接技術(shù)必將在材料加工領(lǐng)域發(fā)揮更重要的作用。

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