激光焊接技術綜述

(中航鋰電(洛陽) 有限公司，河南 洛陽 471003)

激光是20世紀以來，人類的又一重大發明，它是由美國科學家C.H.Townes 和T.H.Maiman 等在1960年發明出來的。激光是輻射的受激發射光放大的簡稱，是一種電磁波，是通過人工增幅產生的。其產生的基本條件包括泵浦源、激光介質和諧振腔等，激光具有高的單色性、方向性、相干性和亮度性，激光是一種新型熱源[1，2]。

激光焊接是激光加工技術應用的重要方面之一，更是2l世紀最受矚目、最有發展前景的焊接技術[3]。與傳統焊接方法對比，激光焊接具有很多優勢，實踐證明，激光焊接應用范圍越來越廣泛，基本上傳統焊接工藝可以使用的領域，激光焊接都能勝任，且焊接質量更高，效率更快。隨著新的激光焊接技術和設備的研發，激光焊接正在逐漸取代傳統的焊接技術。自20世紀70年代以來，已廣泛應用于工業的各個領域。

1 激光焊接機理

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活性介質，使其在諧振腔中往返振蕩，進而轉化成受激輻射光束，當光束與工件相互接觸時，其能量則被工件吸收，當溫度高達材料的熔點時即可進行焊接[4]。圖1為激光器原理示意圖，圖2為激光焊接示意圖。

圖1 激光器原理

圖2 激光焊接示意圖

按焊接熔池形成的機理劃分，激光焊接有兩種基本的焊接機理:熱傳導焊接和深熔(小孔)焊接[5]。熱傳導焊接時產生的熱量通過熱傳遞擴散至工件內部，使焊縫表面熔化，基本不產生汽化現象，常用于低速薄壁構件的焊接。深熔焊使材料汽化，形成大量等離子體，由于熱量較大，熔池前端會出現小孔現象。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。

1.1 熱傳導焊接機理[6]

當激光功率密度小于105W/cm2時，金屬表面溫度迅速加熱到熔點和沸點之間而熔化，通過熱傳導把熱能向金屬內部傳遞，使熔池逐漸擴大，冷卻凝固時結晶形成焊點或者焊縫，焊縫類似為橢球形。激光與材料的相互作用過程中，很大一部分激光束被金屬表面反射，激光的吸收率較低，沒有蒸汽壓的作用，激光光斑功率密度也會變得較低，不產生小孔效應。因此，熱傳導焊接時熔深淺，速度較慢。圖3為熱傳導焊接機理示意圖。

圖3 激光熱傳導焊機理

1.2 深熔焊接機理[7]

當照射到金屬表面的激光功率密度大于106W/cm2時，金屬表面溫度可在極短的時間內(10-6～10-5S)使加熱區域的金屬熔化及汽化，產生金屬液體和金屬蒸汽，氣態金屬產生的蒸汽壓很高，足以克服液態金屬的表面張力，把熔化的金屬向四周吹散，形成小孔。隨著金屬蒸汽的逸出，在工件上方及小孔內部形成等離子體，較厚的等離子體云會對入射激光具有一定屏蔽作用。激光束在小孔內產生多重的反射，小孔幾乎可以吸收全部的激光能量，使小孔進一步加深，當激光束在小孔產生的金屬蒸汽壓力與液態金屬的表面張力和重力平衡后，小孔不再加深而形成一個深度穩定的小孔，這就是小孔效應。

當工件以一定的速度相對于激光束移動時，小孔前方的金屬不斷熔化和汽化，液態金屬流向小孔后方，逐漸凝固形成焊縫，這種焊接機理叫深熔焊，是激光焊接中最常用的焊接模式。在激光深熔焊時，材料對激光束的吸收決定于小孔和等離子體效應。一般來說，工件表面的等離子體云吸收部分激光，使激光有效的能量較低，并使光束波前畸變導致焦光斑擴散，使表面熔化區擴大，因此等離子體云對焊接過程有害。常采用以下兩種預防措施:一是使用保護氣體吹散激光與工件作用點反沖出的金屬蒸汽;第二種是使用保護氣體，抑制金屬蒸汽電離，阻止等離子體云的產生。圖4為深熔焊接機理示意圖。

圖4 激光深熔焊接機理

2 激光焊接特點

激光焊接經歷了由脈沖激光焊接到連續激光焊接，低功率焊接到高功率焊接，薄板焊接到厚板焊接，低速焊接到高速焊接的過程。與傳統焊接相比，其主要優勢集中在以下幾個方面:

(1)能量密度高。功率密度達106～108W/cm2，深寬比大，最高可達10:1，焊縫晶粒細小致密[8-11]。

(2)激光焊接速度快、熔深大[8，12-13]。由于能量密度大，激光焊接過程中，在金屬材料上產生匙孔，激光能量通過小孔往工件焊接方向傳導，而橫向傳導較少，因而在焊接時，能量較集中，熔深大，焊接速度快。

(3)激光焊接熱輸入量小，熱影響區小，焊接變形小[8，14]。由于激光焊接功率密度高，所以很小的熱輸入量就可以實現良好的焊接，從而熱影響區及焊接變形很小。

(4)激光焊縫力學性能好，力學性能強于母材[15]。焊縫強度高、焊接速度快、焊縫窄且表面狀態好，免去焊后清理等工作。

(5)能在室溫或特殊條件下進行焊接。激光在真空、空氣及某種氣體環境中均能焊接，并能通過玻璃或對光束透明的材料進行焊接。

(6)可以焊接一般焊接方法難以焊接的材料，以及同種或異種難焊材料[16]。如高熔點金屬等，甚至可用于非金屬材料的焊接，如陶瓷等。

(7)可實施非接觸遠距離焊接。沒有工具損耗或工具調換等問題[17]。

(8)激光焊接屬非接觸加工，與接觸焊工藝相比，無電極、工具等的磨損消耗，無加工噪聲，對環境無污染[17]。

(9)焊接系統具有高度的柔性化。與CAD/CAM 或機器人聯合組成的焊接系統可形成多功能的激光加工系統，易于實現自動化[18]。

但是，激光焊接與傳統焊接方法相比，也存在一定的局限性，主要集中在以下幾個方面:

(1)對焊接工件加工、裝配精度、定位精度要求較高，且要求光束在工件上的位置不能有顯著偏移，這是因為激光聚焦后光斑尺寸小，焊縫窄。如工件裝配精度或光束定位精度達不到要求，很容易造成焊接缺陷[4，8，19，20]。

(2)激光器及焊接系統各配件的價格較為昂貴，一次性投資大，初期投資及維護成本比傳統焊接工藝高，經濟效益較差[18]。

(3)受熔深的限制，激光焊接不適宜焊接厚度較大的材料。

(4)由于固體材料對激光的吸收率較低，特別是在出現等離子體后，因此激光焊接的轉化效率普遍較低[21，22](通常為5%～30%)。

(5)高反射性及高導熱性材料如鋁、銅及其合金等，焊接性會受激光所改變[21，22]。

3 影響激光焊接的工藝參數

影響激光焊接質量的工藝參數較多，如功率密度、激光脈沖波形、離焦量、焊接速度和輔助吹氣等。

3.1 激光功率密度

功率密度是激光加工中最關鍵的參數之一。采用較高的功率密度，在微秒時間范圍內，表層即可加熱至沸點，產生大量汽化。因此，高功率密度對于材料去除加工，如打孔、切割、雕刻有利。對于較低功率密度，表層溫度達到沸點需要經歷數毫秒，在表層汽化前，底層達到熔點，易形成良好的熔融焊接。因此，在熱傳導型激光焊接中，功率密度范圍在104～106W/cm2。

3.2 激光脈沖波形

激光脈沖波形既是區別是材料去除還是材料熔化的重要參數，也是決定加工設備體積及造價的關鍵參數。當高強度激光束射至材料表面，材料表面將會有60～90%的激光能量被反射損失掉，且反射率隨著表面溫度的變化而變化。在一個激光脈沖作用周期內，被加工金屬的反射率的變化也很大。圖5-8 為不同材質的激光焊接脈沖波形。

3.3 激光脈沖寬度

激光脈沖寬度是激光焊接中的一個重要問題，尤其對于薄壁構件焊接時，顯得更為重要。激光脈沖寬度由熔深與熱影響分區決定，激光脈沖寬度越長，熱影響分區就越大，熔深隨著激光脈沖寬度的1/2次方增大。但激光脈沖寬度的增大會降低其峰值功率，較低的峰值功率又會導致多余的熱輸入。

3.4 離焦量焦斑

激光焊接通常需要一定的離焦，因為激光焦點處光斑中心的功率密度過高，容易蒸發成孔。離開激光焦點的各平面上，功率密度分布相對均勻。離焦方式有兩種[7]:正離焦與負離焦。焦平面位于工件上方為正離焦，反之為負離焦。按幾何光學理論，當正負離焦量相等時，所對應平面上功率密度近似相同，但實際上所獲得的熔池形狀不同。負離焦時，可獲得更大的熔深，這與熔池的形成過程有關。實驗表明，激光加熱50～200us 材料開始熔化，形成液相金屬并出現部分汽化，形成高壓蒸汽，并以極高的速度噴射，發出耀眼的白光。與此同時，高濃度汽體使液相金屬運動至熔池邊緣，在熔池中心形成凹陷。當負離焦時，材料內部功率密度比表面還高，易形成更強的熔化及汽化，使光能向材料更深處傳遞。所以在實際應用中，當要求熔深較大時，采用負離焦;焊接薄壁材料時，宜用正離焦。通常長焦距的能量密度低，光斑大，能量密度足夠情況下，可用于對接頭定位精度不高的焊接;短焦距的能量密度較高，光斑小，要求工件配合間隙要小。由D=fθ可知，聚焦鏡焦距越小，焦點光斑直徑越小，穿透力越強，對高度也越敏感。激光光束的聚焦光斑直徑與激光器輸出光束的模式密切相關，模式越低，聚焦后的光點越小，焊縫越窄，熱影響區越小。

3.5 焊接速度

焊接速度決定了焊接表面質量、熔深、熱影響區等。焊接速度的快慢會影響單位時間內的熱輸入量，焊接速度過慢，則熱輸入量過大，導致工件燒穿，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。

3.6 輔助吹保護氣

輔助吹保護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生的等離子體過多聚集，阻擋激光到達材料表面。激光焊接過程常使用氦、氬、氮等惰性氣體保護熔池，使工件在焊接過程中免受氧化[23]。保護氣體種類和氣流大小、吹氣角度等因素對焊接結果有較大影響，不同的吹氣方法也會對焊接質量產生一定的影響[24]。

4 結束語

本文對激光焊接機理、工藝特點及工藝參數進行了討論，激光焊接作為一種新型焊接技術，以其高能量密度、高速度、高精度、深穿透、適應性強等特點，被廣泛應用在制造加工業、冶金業金屬殼鋰離子電池[25]等領域，不僅提高了生產效率，更提高了焊接質量。在21世紀，激光焊接技術必將在材料加工領域發揮更重要的作用。

[1]張永康.激光加工技術.北京:化學工業出版社，2004.

[2]Johnson K I.Current and future developments of the plasma arc，laser and electron beam processing.Proc Int Power Beam Conf，San Diego，California，USA，1998;5(2～4):1-10.

[3]劉其斌.激光加工技術及其應用.北京:冶金工業出版社，2007.

[4]陳彥賓.現代激光焊接技術[M].北京:科學出版社，2005.

[5]Yue T M，Jiang C Y，Xu J H，et al.Laser fantasy:from machining to welding[J].Journal of Materials Processing Technology，1996，57:316-319.

[6]Ready J F.Effects of high power laser radiation.New York:Academic Press，1971.

[7]Locke E V，Hella R A.IEEE J QE，1974;QE10:179.

[8]Cam G.Welding in the World，1999;43(2):13-26.

[9]Mazumder J.Laser welding:State of the art review.JOM，1982;(7):16-24

[10]Eberle H-G，Kumkar M，Pathe D et al.Nd:YAG laser beam welding with a 1.5kW Q-Switch-Laser.Proc of ECLAT '94，5th European Conference on Laser Treatment of Materials，DVS，1994:94-100.

[11]關振中.激光加工工藝手冊，北京:中國計量出版社，1998.

[12]Mazumder J.Laser beam welding.ASM Handbook，ASM International，1993;12:262-269.

[13]肖敏，戴夢周.馬口鐵罐身激光焊接.焊接學報，1992，13(22):73-78.

[14]梅遂生.激光加工在電子工業中的應用.激光與紅外，1994，24(1):5-8.

[15]Kristensen J K.Laser welding in the heavy steel industry，Welding review International，1996，(2):55.

[16]RippIe P.Laser beam welding with robots in the automotive industry.Proc ECLAT’94，5th European Conference on Laser Treatment of Materials，DVS，1994:151-164.

[17]Kujanpaa V P，David S A.Proc ICALEO’86，1986:63.

[18]Kugler R，Weedon T.Laser Technology and Applications:VuIkan-Verlag Essen，1993:47.

[19]劉必利，謝頌京，姚建華.激光焊接技術應用及其發展趨勢[J].激光與光電子學進展，2005，42(9):43-46.

[20]李曉娜，許先果，邊美華.激光焊接在汽車工業中的應用[J].電焊機，2006，36(4):47-49.

[21]藺秀川，邵天敏.利用集總參數法測量材料對激光的吸收率[J].物理學報，2001，50(5):856-859.

[22]周炳琨，高以智等.激光原理[M].北京:國防工業出版社，2000.

[23]鷲尾邦彥.Laser material processing applications in electronic and electric industries [J]，溶接學會論文集，2001，(19) 1:176-181.

[24]Han bin Du，LunjiHu.A study on the metal flow in full penetration laser beam welding for titanium alloy[J].Com-putational Materials Science，2004，29:419-427.

[25]張軍.Li-ion 電池的激光焊接.中國機械工程，2001，12(5):213-215.