激光焊接的工作原理及其主要工藝參數(shù)

摘要：焊接技術(shù)主要應(yīng)用在金屬母材熱加工上，常用的有電弧焊，電阻焊，釬焊，電子束焊，激光焊等多種，本文詳細(xì)介紹了激光焊接的工作原理與工藝參數(shù)，還討論了激光焊接技術(shù)在現(xiàn)代工業(yè)中的應(yīng)用，并與其他焊接方法進(jìn)行對比。研究表明激光焊接技術(shù)將逐步得到廣泛應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：焊接技術(shù)；激光焊接；工作原理；工藝參數(shù)。

1.引言

目前常用的焊接工藝有電弧焊、電阻焊、釬焊、電子束焊等。電弧焊是目前應(yīng)用最廣泛的焊接方法，它包括手弧焊、埋弧焊、鎢極氣體保護(hù)電弧焊、等離子弧焊、熔化極氣體保護(hù)焊等。但上述各種焊接方法都有各自的缺點(diǎn)，比如空間限制，對于精細(xì)器件不易操作等，而激光焊接不但不具有上述缺點(diǎn)，而且能進(jìn)行精確的能量控制，可以實(shí)現(xiàn)精密微型器件的焊接。并且它能應(yīng)用于很多金屬，特別是能解決一些難焊金屬及異種金屬的焊接。

激光指在能量相應(yīng)與兩個(gè)能級能量差的光子作用下，誘導(dǎo)高能態(tài)的原子向低能態(tài)躍遷，并同時(shí)發(fā)射出相同能量的光子。激光具有方向性好、相干性好、單色性好、光脈沖窄等優(yōu)點(diǎn)。激光焊接是利用大功率相干單色光子流聚焦而成的激光束為熱源進(jìn)行的焊接，這種焊接通常有連續(xù)功率激光焊和脈沖功率激光焊。激光焊接從上世紀(jì)60年代激光器誕生不久就開始了研究，從開始的薄小零器件的焊接到目前大功率激光焊接在工業(yè)生產(chǎn)中的大量的應(yīng)用，經(jīng)歷了近半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展。由于激光焊接具有能量密度高、變形小、熱影響區(qū)窄、焊接速度高、易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制、無后續(xù)加工的優(yōu)點(diǎn)，近年來正成為金屬材料加工與制造的重要手段，越來越廣泛地應(yīng)用在汽車、航空航天、造船等領(lǐng)域。雖然與傳統(tǒng)的焊接方法相比，激光焊接尚存在設(shè)備昂貴、一次性投資大、技術(shù)要求高的問題，但激光焊接生產(chǎn)效率高和易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的特點(diǎn)使其非常適于大規(guī)模生產(chǎn)線。

2.激光焊接原理

2.1激光產(chǎn)生的基本原理和方法

光與物質(zhì)的相互作用，實(shí)質(zhì)上是組成物質(zhì)的微觀粒子吸收或輻射光子。微觀粒子都具有一套特定的能級，任一時(shí)刻粒子只能處在與某一能級相對應(yīng)的狀態(tài)，物質(zhì)與光子相互作用時(shí)，粒子從一個(gè)能級躍遷到另一個(gè)能級，并相應(yīng)地吸收或輻射光子。光子的能量值為此兩能級的能量差△E，頻率為ν=△E/h。愛因斯坦認(rèn)為光和原子的相互作用過程包含原子的自發(fā)輻射躍遷、受激輻射躍遷和受激吸收躍遷三種過程。我們考慮原子的兩個(gè)能級E1和E2，處于兩個(gè)能級的原子數(shù)密度分別為N1和N2。構(gòu)成黑體物質(zhì)原子中的輻射場能量密度為ρ，并有E2 -E1=hν。

2.1.自發(fā)輻射

處于激發(fā)態(tài)的原子如果存在可以接納粒子的較低能級，即使沒有外界作用，粒子也有一定的概率自發(fā)地從高能級激發(fā)態(tài)（E2）向低能級基態(tài)（E1）躍遷，同時(shí)輻射出能量為（E2-E1）的光子，光子頻率 ν=（E2-E1）/h。這種輻射過程稱為自發(fā)輻射。自發(fā)輻射發(fā)出的光，不具有相位、偏振態(tài)上的一致，是非相干光。

2.2.受激輻射

除自發(fā)輻射外，處于高能級E2上的粒子還可以另一方式躍遷到較低能級。當(dāng)頻率為 ν=（E2-E1）/h的光子入射時(shí)，也會(huì)引發(fā)粒子以一定的概率，迅速地從能級E2躍遷到能級E1，同時(shí)輻射一個(gè)與外來光子頻率、相位、偏振態(tài)以及傳播方向都相同的光子，這個(gè)過程稱為受激輻射。

2.3.受激吸收

受激輻射的反過程就是受激吸收。處于低能級E1的一個(gè)原子，在頻率為 的輻射場作用下吸收一個(gè)能量為hν的光子，并躍遷至高能級E2，這種過程稱為受激吸收。自發(fā)輻射是不相干的，受激輻射是相干的。

由受激輻射和自發(fā)輻射的相干性可知，相干輻射的光子簡并度很大。普通光源在紅外和可見光波段實(shí)際上是非相干光源。如果能夠創(chuàng)造這樣一種情況：使得腔內(nèi)某一特定模式的ρ很大，而其他所有模式的都很小，就能夠在這一特定模式內(nèi)形成很高的光子簡并度，使相干的受激輻射光子集中在某一特定模式內(nèi)，而不是平均分配在所有模式中。激光器就是采用各種技術(shù)措施減少腔內(nèi)光場的模式數(shù)、使介質(zhì)的受激輻射恒大于受激吸收來提高光子簡并度，從而達(dá)到產(chǎn)生激光的目的。

產(chǎn)生激光的基本條件：一是能在外界激勵(lì)能源的作用下形成粒子數(shù)密度反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)的增益介質(zhì)；二是要使受激發(fā)射光強(qiáng)超過受激吸收，必須實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)N2/G2- N1/G1>0；三是要使受激發(fā)射光強(qiáng)超過自發(fā)發(fā)射，必須提高光子簡并度。

2.2.激光焊接原理

激光焊接可以采用連續(xù)或脈沖激光束加以實(shí)現(xiàn)，激光焊接的原理可分為熱傳導(dǎo)型焊接和激光深熔焊接。功率密度小于104～105 W/cm2為熱傳導(dǎo)焊接，此時(shí)熔深淺、焊接速度慢；功率密度大于105～107 W/cm2時(shí)，金屬表面受熱作用下凹成“孔穴”，形成深熔焊，具有焊接速度快、深寬比大的特點(diǎn)[1]。其中熱傳導(dǎo)型激光焊接原理為：激光輻射加熱待加工表面，表面熱量通過熱傳導(dǎo)向內(nèi)部擴(kuò)散，通過控制激光脈沖的寬度、能量、功率和頻率等參數(shù)使工件熔化形成特定的熔池。

激光深熔焊接一般采用連續(xù)激光光束完成材料的連接，其冶金物理過程與電子束焊接極為相似，能量轉(zhuǎn)換機(jī)制是通過小孔完成。在高功率密度激光的照射下，材料蒸發(fā)形成小孔，這個(gè)充滿蒸氣的小孔猶如一個(gè)黑體，幾乎吸收全部的入射光能量，熱量從這個(gè)高溫孔腔外壁傳遞出來，使包圍著這個(gè)孔腔四周的金屬熔化。在光束照射下的壁體材料連續(xù)蒸發(fā)產(chǎn)生高溫蒸汽，孔壁外液體流動(dòng)形成的壁層表面張力與孔腔內(nèi)連續(xù)產(chǎn)生的蒸汽壓力相持并保持動(dòng)態(tài)平衡。光束不斷進(jìn)入小孔，小孔始終處于流動(dòng)的穩(wěn)定狀態(tài)，圍著孔壁的熔融金屬隨著前導(dǎo)光束前進(jìn)而向前移動(dòng)，熔融金屬填充小孔移開后留下的空隙并隨之冷凝，焊縫于是形成。

3.激光焊接的優(yōu)缺點(diǎn)

激光焊接具有很多優(yōu)點(diǎn)。激光焊接可以將熱量降到最低的需要量，熱影響區(qū)金相變化范圍小，而且因熱傳導(dǎo)所導(dǎo)致的變形也很低；不需使用電極，沒有電極污染或受損的顧慮；激光束易于聚焦、對準(zhǔn)及受光學(xué)儀器所導(dǎo)引，可放置在離工件適當(dāng)?shù)木嚯x，且可在工件周圍的機(jī)具或障礙間再導(dǎo)引，其他焊接法則因受到上述的空間限制而無法發(fā)揮作用；工件可放置在封閉的空間內(nèi)，激光束可聚焦在很小的區(qū)域，可焊接小型或間隔相近的部件。另外激光焊接可焊材質(zhì)的種類范圍很大，可以相互接合各種異質(zhì)材料，并且易于以自動(dòng)化進(jìn)行高速焊接，也可以數(shù)位或電腦控制；用激光焊接薄材或細(xì)徑線材時(shí)，不會(huì)像電弧焊接容易有回熔的困擾，而且激光焊接不受磁場所影響，能精確地對準(zhǔn)焊件。

激光焊接也有一些缺點(diǎn)，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。一是焊件位置需非常精確，務(wù)必在激光束的聚焦范圍內(nèi)；二是焊件需使用夾具時(shí)，必須確保焊件的最終位置需與激光束將沖擊的焊點(diǎn)對準(zhǔn)；三是最大可焊厚度受到限制，滲透厚度遠(yuǎn)超過19mm的工件在生產(chǎn)線上不適合使用激光焊接。四是當(dāng)進(jìn)行中能量至高能量的激光束焊接時(shí)，需使用等離子控制器將熔池周圍的離子化氣體驅(qū)除，以確保焊道的再出現(xiàn)。最后，能量轉(zhuǎn)換效率太低，通常小于10%；焊道快速凝固，可能有氣孔及脆化的顧慮，并且設(shè)備昂貴。

4.激光焊接的工藝參數(shù)

一般而言，激光焊接的工藝參數(shù)有功率密度、激光脈沖波形、激光脈沖寬度、離焦量、焊接速度和保護(hù)氣體等，圖1是激光焊接的主要工藝參數(shù)圖。

4.1. 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，高功率密度對于材料去除加工如打孔、切割、雕刻十分有利。對于較低功率密度，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。

4.2.激光脈沖波形：當(dāng)高強(qiáng)度激光束射至材料表面，金屬表面將會(huì)有60～98%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。

4.3.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[2]。

4.4.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)。

4. 5.焊接速度：焊接速度對熔深有較大的影響，提高速度會(huì)使熔深變淺，但速度過低又會(huì)導(dǎo)致材料過度熔化、工件焊穿。因此，對一定激光功率和一定厚度的特定材料有一個(gè)合適的焊接速度范圍，并在其中相應(yīng)速度值時(shí)可獲得最大熔深。

3.6.保護(hù)氣體：激光焊接過程常使用惰性氣體來保護(hù)熔池，對大多數(shù)應(yīng)用場合則常使用氦、氬、氮等氣體作保護(hù)。保護(hù)氣體的第二個(gè)作用是保護(hù)聚焦透鏡免受金屬蒸氣污染和液體熔滴的濺射，在高功率激光焊接時(shí)，噴出物非常有力，此時(shí)保護(hù)透鏡則更為必要。保護(hù)氣體的第三個(gè)作用是可以有效驅(qū)散高功率激光焊接產(chǎn)生的等離子屏蔽。金屬蒸氣吸收激光束電離成等等離子體，如果等離子體存在過多，激光束在某種程度上會(huì)被等離子體消耗掉。

5.激光焊接的應(yīng)用

隨著大功率激光器的出現(xiàn)，激光焊接在機(jī)械、造船、汽車、航空航天等領(lǐng)域獲得日益廣泛的應(yīng)用。激光焊接早已應(yīng)用在汽車制造業(yè)，隨著車身防腐蝕和降低車重的要求，鋁材料已經(jīng)廣泛應(yīng)用在發(fā)動(dòng)機(jī)、輪圈、儀表板等零部件上。激光焊接在航空制造業(yè)的應(yīng)用也已經(jīng)非常廣泛，飛機(jī)機(jī)身由眾多零部件組成，需要鉚釘連接，鉚釘技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到了極限，很難再有所突破，激光焊接成為一種理想的替代技術(shù)，采用激光焊接技術(shù)還可以使機(jī)身的重量減輕15%。近年來，雙光束激光焊接正成為激光焊接領(lǐng)域的熱門技術(shù)，研究發(fā)現(xiàn)，采用雙光束激光焊接能降低熔池的冷卻速率，對含碳量較高的鋼材能顯著提高焊縫質(zhì)量，同時(shí)，雙光束激光焊接的表面熔化蒸氣團(tuán)更為穩(wěn)定，有利于形成穩(wěn)定的焊縫質(zhì)量，減少氣孔等缺陷。

在汽車工業(yè)中， 板材拼焊能生產(chǎn)出面積更大的鋼板， 而將不同材料和厚度的鋼板連接在一起，又可減輕車體重量，減少廢料，從而節(jié)約原材料。因而拼焊成形已成為汽車制造的重要工藝[3]。激光拼焊具有其他拼焊技術(shù)沒有的一些優(yōu)點(diǎn)，比如焊接性能高、壓制性能好、噴涂能力好、拼板平整度好。另外激光焊接還可以應(yīng)用在造船業(yè)中，由于激光焊接具有速度快、熔深大的特點(diǎn)，在造船業(yè)中可以大大提高生產(chǎn)率，而且可以單道焊接或減少焊道數(shù)。并且船塢焊接工作量大大減少，使船舶的精度制造成為可能。

6.總結(jié)

激光焊接具有焊縫深窄、深寬比高、焊接速度快、熱輸入低、焊縫熱影響區(qū)窄、焊接變形小、焊縫質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)；采用激光復(fù)合焊還可降低間隙要求，可用于各類工業(yè)制造。激光焊接不僅工藝簡單，而且易于實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)控制。由于激光焊接技術(shù)的眾多優(yōu)點(diǎn)，預(yù)計(jì)激光焊接技術(shù)將逐步得到廣泛應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

[1] 許國良. L F4 ， L F11 ，L F21 ， L Y12 鋁合金激光焊接研究. 應(yīng)用激光，1999 （10）.

[2] 程隆雙，馮薇.影響激光焊接加工的幾個(gè)主要參數(shù)[J].焊接技術(shù)，（2008）01-58-03.

[3] 瞿豐，鄧正才，姚舜，李飛群汽車拼板的激光焊接的研究[J]. 工藝與新技術(shù) （2003）05-0027-02.