激光焊接技術相關應用

譚學吉

【摘 要】激光技術在制造業中的應用，是目前各國的研究重點。隨著工業發展對高效、環保、自動化的需要，激光技術在制造部諸多領域迅速普及，在此基礎上，激光焊接工藝將成為激光應用的一個重要方面。激光技術目前在很多高新技術領域中都得到了廣泛的應用，其中激光焊接技術應用較為多樣化，激光焊具有焊接速度快、深度大、變形小、穿透力強以及精度高等特點受到各發達國家的重視，這種焊接方式對于一些特殊的材料及結構的焊接具有非常重要的作用。近些年來，激光焊已很多制造業中都得到了應用，例如：半導體行業、汽車工業、航空航天、醫療行業、生物醫學、微電子行業等領域。本文概述了激光焊接的特點及發展現狀.簡單介紹了采用激光技術進行焊接的基本原理及其優缺點，分析了激光焊的原理及其在實際生產中的應用與發展。

1、激光焊的機理

激光焊接的機理分為兩種，第一種為熱傳導焊接，指的是當激光照射在材料表面時，一部分激光被反射，另一部分被材料吸收，被吸收的光由無數個光子組成，它們轟擊金屬表面形成蒸汽，蒸發的金屬可防止剩余能量被金屬反射掉，如果被焊金屬有良好的導熱性能，則會得到較大的熔深。第二種為激光深熔焊，一般指的是用較大功率密度的激光束來焊接，激光照射到材料表面，材料吸收光能同樣地轉化為熱能，不同的是由于功率密度大，材料表面被加熱熔化至汽化，產生大量的金屬蒸汽，在蒸汽退出表面時產生的反作用力下，使熔化的金屬液體向四周排擠，形成凹坑，隨著激光的繼續照射，凹坑持續深入加深熔池的深度，當激光停止照射后，凹坑周邊的熔液回流，冷卻凝固后將兩焊件焊接在—起。

激光焊接從根本上來說就是電磁場與材料相互產生化學反應的過程。激光以不同頻率的光波入射到材料上，材料表面的帶電粒子依著光波電矢量的步調振動，使光子在材料表面的作用變成了電子的動能.物質吸收激光后，第一時間會產生某些質點的過量能量，這些能量包括：自由電子的動能、束縛電子的激發能等等，在焊接過程中這些過量能量最終也會轉化為熱能。

2、激光焊的特點

激光焊接技術是一種比較高效的焊接工藝，激光焊接是通過聚焦激光束形成高能量激光脈沖，并把激光脈沖能量在材料和物質表面轉化為熱能進行焊接。通常，激光焊接技術可應用于微小精密的部件焊接，激光束可集中在非常狹小的區域轉換為熱能，電子束焊接也同激光束焊接一樣能產生非常狹小的焊縫，但激光焊接對比于電子束焊接的優勢是，其可在大氣壓下進行焊接操作，而無需真空室，而電子束必須在真空爐內才能焊接。激光焊接的優點還有很多，包括：熔深較大，不易變形，焊速較快，設備簡單，操作便利，激光焊也可在特殊環境中進行使用，對于航空航天專用材料—鈦和石英等能產生良好的焊接效果。

激光焊接技術在實際應用當中，也存在一定的缺陷，比如在焊接過程中，母材受熱熔化并且有部分汽化，形成深熔小孔，孔中充滿金屬蒸汽，金屬氣體與激光作用形成等離子云。等離子云吸收、反射激光，降低金屬材料對激光的吸收率，使激光的能量利用率降低，同時激光焊接對母材端面整齊度要求較高，焊接過程容易產生錯位。由于激光熱輸入較大，激光焊后在母材端面之間的接口部位容易出現凹陷，焊接過程不穩定等等問題。

3、激光焊接的現狀

一般來說，工業激光焊接系統都是將激光頭通過光纖與機器人融為一體，在系統中，激光器負責出光，而機器人負責對軌跡進行試教編程。焊接機器人與傳統手持激光焊相比有很多優點，比如：自由度、編程靈活、自動化程度高、柔性程度高等特點，它是焊接生產線的重要組成部分。將激光器安裝在焊接機器人上進行焊接，增強了自動化的能力，很大程度上提高了焊接機器人的焊接質量和產品的一致性，在汽車工業和航空航天領域中激光焊接機器人具有越來越重要的地位。

目前，在我國哈爾濱焊接研究所的激光焊接技術發展的比較成熟。近年來，其除了進一步拓寬和研發新的激光焊接種類以及設備之外，也在積極參與和研討國外焊接技術研究的最新動態，我們在也不斷尋求大功率激光焊接技術上的突破與發展。根據最新的研究成果，哈爾濱焊接團隊在國內大型構件的焊接難題上有了新的突破，這無疑標志著我國在激光焊接技術領域的重大突破，也為未來大型工程重大應用奠定了基礎。除此之外，目前國內的激光焊接技術研究還集中在激光熱絲焊、異種金屬焊等領域，他們都是現代激光焊接技術研究的最新課題。而國外在相關研究領域已經取得了突破，特別是德國已經初步掌握了異種金屬焊的技巧和方式，而未來我國要想真正熟練的應用以及掌握激光焊接技術，將其應用到更多的領域，就需要進一步完善以及優化激光焊接技術。

4、激光焊接的應用

（1）汽車工業

在現階段汽車制造的過程中，激光焊接技術可以說具有舉足輕重的地位。它不但可以有效保障汽車生產質量，也能有效提高制造人員的工作效率。早在上世紀，激光焊接技術就已經被運用在汽車制造業中，著名的奔馳和大眾等品牌都采用了這一技術，并且隨著激光焊接技術的日漸完善，這種技術也被大多數先進的汽車行業所青睞。

汽車工業中的在線激光焊接大量應用在白車身沖壓零件的裝配和連接上，包括車頂蓋激光焊、車架激光焊接、車身結構件激光焊接等。其采用激光焊的原因是激光焊接可提高車身強度，也可解決其他焊接方式困難的問題。

（2）航空航天

現如今，航空發動機中焊接件的比重逐步增長，焊接技術在產品制造中的重要作用不言而喻。在航空航天諸多制造技術中，焊接技術的優勢在于可以明顯地減輕發動機的重量、降低生產成本、簡化結構設計、提高產品性能等。

大型客機機身壁板激光焊接工藝屬于大尺寸、小厚度、多焊縫的復雜焊接工藝，其變形過程甚為復雜鈦合金主要廣泛用在飛機上，并已由次承力結構件轉為主結構件，鋁合金是運載火箭及各種航天器的主要結構材料。

（3）電子行業

激光焊接技術在電子工業領域的應用也較為廣泛，這主要是由于它熱影響區域較小的特性所決定的。通常，激光焊接技術在電子工業領域都是應用在較小電子元件方面的，這可以完美發揮激光焊接技術的優越性。傳統模式下的焊接技術穩定性不足，精準度較差，熱影響區域較大，焊接較為困難，采用傳統焊接方法難以解決，TIG焊容易焊穿，等離子穩定性差。激光焊接技術在電子工業領域廣受好評，雖然目前普及范圍還不算廣泛，但隨著我國科技力量不斷發展，相信激光焊接技術的運用也會成為電子工業領域主要的應用工藝。

5、激光焊接的發展趨勢

目前國內的研究方向主要集中在兩方面：一是對焊接過程進行有效的動態監測和調控，二是降低激光焊接的成本。想要完成高精度的動態調控，只進行單一的傳感反饋調節是遠遠不夠的，需要將光學傳感、電學傳感、力學傳感等諸多傳感技術進行綜合運用。任何一項技術的普及都繞不開成本問題。想要降低應用成本，一方面可以從降低設備費用上下手，另一方面可以考慮改進現有的激光焊接技術，使激光焊接的能量利用率得到較大提升。

6、總結

綜上所述，激光焊接技術在實際應用中有著傳統焊接技術所無法比擬的應用優勢，該技術不僅具有極高的能量密度，而且不依賴于真空環境，不會受到導電材料的影響，正是這些技術優勢，使其不僅在服務業、農業等基礎領域中得到了廣泛應用，在生物醫學、鋼鐵生產、精密儀器制造等高端領域中也嶄露頭角。并且，在智能化技術的帶動下，激光焊接技術也將向著智能化的方向發展，越來越多先進的激光器也將相繼被研制出來，這些都將為激光焊接技術的快速發展提供強大的技術支撐。