激光焊接及其应用
激光焊接及其应用
一、激光焊接的主要特性。
激光焊接是激光材料加工技术应用的重要方面之一。20世纪70年代主要用于焊接薄壁材料和低速焊接，焊接过程属热传导型，即激光辐射加热工件表面，表面热量通过热传导向内部扩散，通过控制激光脉冲的宽度、能量、峰值功率和重复频率等参数，使工件熔化，形成特定的熔池。 由于其独特的优点，已成功应用于微、小型零件的精密焊接中。
高功率CO2及高功率YAG激光器的出现，开辟了激光焊接的新领域?；竦昧艘孕】仔вξ砺刍〉纳钊酆附?，在机械、汽车、钢铁等工业领域获得了日益广泛的应用。
与其它焊接技术相比，激光焊接的主要优点是：
1、速度快、深度大、变形小。
2、能在室温或特殊条件下进行焊接，焊接设备装置简单。例如，激光通过电磁场，光束不会偏移；激光在真空、空气及某种气体环境中均能施焊，并能通过玻璃或对光束透明的材料进行焊接。
3、可焊接难熔材料如钛、石英等，并能对异性材料施焊，效果良好。
4、激光聚焦后，功率密度高，在高功率器件焊接时，深宽比可达5：1，最高可达10：1。
5、可进行微型焊接。激光束经聚焦后可获得很小的光斑，且能精确定位，可应用于大批量自动化生产的微、小型工件的组焊中。
6、可焊接难以接近的部位，施行非接触远距离焊接，具有很大的灵活性。尤其是近几年来， 在YAG激光加工技术中采用了光纤传输技术，使激光焊接技术获得了更为广泛的推广和应用。
7、激光束易实现光束按时间与空间分光，能进行多光束同时加工及多工位加工，为更精密的焊接提供了条件。
但是，激光焊接也存在着一定的局限性：
1、要求焊件装配精度高，且要求光束在工件上的位置不能有显著偏移。这是因为激光聚焦后光斑尺雨寸小，焊缝窄，为加填充金属材料。若工件装配精度或光束定位精度达不到要求，很容易造成焊接缺憾。
2、激光器及其相关系统的成本较高，一次性投资较大。
二、激光焊接热传导。
激光焊接是将高强度的激光束辐射至金属表面，通过激光与金属的相互作用，使金属熔化形成焊接。在激光与金属的相互作用过程中，金属熔化仅为其中一种物理现象。有时光能并非主要转化为金属熔化，而以其它形式表现出来，如汽化、等离子体形成等。然而，要实现良好的熔融焊接，必须使金属熔化成为能量转换的主要形式。为此，必须了解激光与金属相互作用中所产生的各种物理现象以及这些物理现象与激光参数的关系，从而通过控制激光参数，使激光能量绝大部分转化为金属熔化的能量，达到焊接的目的。
三、激光焊接的工艺参数。
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104~106W/CM2。
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，当正负离做文章一相等时，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。
四、激光焊接工艺方法。
1、片与片间的焊接。
包括对焊、端焊、中心穿透熔化焊、中心穿孔熔化焊等4种工艺方法。
2、丝与丝的焊接。
包括丝与丝对焊、交叉焊、平行搭接焊、T型焊等4种工艺方法。
3、金属丝与块状元件的焊接。
采用激光焊接可以成功的实现金属丝与块状元件的连接，块状元件的尺寸可以任意。在焊接中应注意丝状元件的几何尺寸。
4、不同金属的焊接。
焊接不同类型的金属要解决可焊性与可焊参数范围。不同材料之间的激光焊接只有某些特定的材料组合才有可能。
五、激光钎焊。
有些元件的连接不宜采用激光熔焊，但可利用激光作为热源，施行软钎焊与硬钎焊，同样具有激光熔焊的优点。采用钎焊的方式有多种，其中，激光软钎焊主要用于印刷电路板的焊接，尤其实用于片状元件组装技术。采用激光软钎焊与其它方式相比有以下优点：
1、由于是局部加热，元件不易产生热损伤，热影响区小，因此可在热敏元件附近施行软钎焊。
2、用非接触加热，熔化带宽，不需要任何辅助工具，可在双面印刷电路板上双面元件装备后加工。
3、重复操作稳定性好。焊剂对焊接工具污染小，且激光照射时间和输出功率易于控制，激光钎焊成品率高。
4、激光束易于实现分光，可用半透镜、反射镜、棱镜、扫描镜等光学元件进行时间与空间分割，能实现多点同时对称焊。
5、激光钎焊多用波长1.06um的激光作为热源，可用光纤传输，因此可在常规方式不易焊接的部位进行加工，灵活性好。
6、聚焦性好，易于实现多工位装置的自动化。
六、激光深熔焊。
1、冶金过程及工艺理论。
激光深熔焊冶金物理过程与电子束焊极为相似，即能量转换机制是通过“小孔”结构来完成的。在足够高的功率密度光束照射下，材料产生蒸发形成小孔。这个充满蒸汽的小孔犹如一个黑体，几乎全部吸收入射光线的能量，孔腔内平衡温度达25000度左右。热量从这个高温孔腔外壁传递出来，使包围着这个孔腔的金属熔化。小孔内充满在光束照射下壁体材料连续蒸发产生的高温蒸汽，小孔四壁包围着熔融金属，液态金属四周即围着固体材料?？妆谕庖禾辶鞫捅诓惚砻嬲帕τ肟浊荒诹恼羝沽ο喑植⒈３肿哦胶?。光束不断进入小孔，小孔外材料在连续流动，随着光束移动，小孔始终处于流动的稳定态。就是说，小孔和围着孔壁的熔融金属随着前导光束前进速度向前移动，熔融金属填充着小孔移开后留下的空隙并随之冷凝，焊缝于是形成。
2、影响因素。
对激光深熔焊产生影响的因素包括：激光功率，激光束直径，材料吸收率，焊接速度，?；て?，透镜焦长，焦点位置，激光束位置，焊接起始和终止点的激光功率渐升、渐降控制。
3、激光深熔焊的特征及优点。
特征：（1）高的深宽比。因为熔融金属围着圆柱形高温蒸汽腔体形成并延伸向工件，焊缝就变得深而窄。（2）最小热输入。因为源腔温度很高，熔化过程发生得极快，输入工件热量极低，热变形和热影响区很小。（3）高致密性。因为充满高温蒸汽的小孔有利于熔接熔池搅拌和气体逸出，导致生成无气孔熔透焊接。焊后高的冷却速度又易使焊缝组织微细化。（4）强固焊缝。（5）精确控制。（6）非接触，大气焊接过程。
优点：（1）由于聚焦激光束比常规方法具有高得多的功率密度，导致焊接速度快，热影响区和变形都较小，还可以焊接钛、石英等难焊材料。（2）因为光束容易传输和控制，又不需要经常更换焊炬、喷嘴，显著减少停机辅助时间，所以有荷系数和生产效率都高。（3）由于纯化作用和高的冷却速度，焊缝强，综合性能高。（4）由于平衡热输入低，加工精度高，可减少再加工费用。另外，激光焊接的动转费用也比较低，可以降低生产成本。（5）容易实现自动化，对光束强度与精细定位能进行有效的控制。
4、激光深熔焊设备。
激光深熔焊通常选用连续波CO2激光器，这类激光器能维持足够高的输出功率，产生“小孔”效应，熔透整个工件截面，形成强韧的焊接接头。
就激光器本身而言，它只是一个能产生可作为热源、方向性好的平行光束的装置。如果把它导向和有效处理后射向工件，其输入功率就具有强的相容性，使之能更好的适应自动化过程。
为了有效实施焊接，激光器和其他一些必要的光学、机械以及控制部件一起共同组成一个大的焊接系统。这个系统包括激光器、光束传输组件、工件的装卸和移动装置，还有控制装置。这个系统可以是仅由操作者简单地手工搬运和固定工件，也可以是包括工件能自动的装、卸、固定、焊接、检验。这个系统的设计和实施的总要求是可获得满意的焊接质量和高的生产效率。
七、钢铁材料的激光焊接。
1、碳钢及普通合金钢的激光焊接。
总的说，碳钢激光焊接效果良好，其焊接质量取决于杂质含量。就象其它焊接工艺一样，硫和磷是产生焊接裂纹的敏感因素。
为了获得满意的焊接质量，碳含量超过0.25%时需要预热。当不同含碳量的钢相互焊接时，焊炬可稍偏向低碳材料一边，以确保接头质量。
低碳沸腾钢由于硫、磷的含量高，并不适合激光焊接。低碳镇静钢由于低的杂质含量，焊接效果就很好。
中、高碳钢和普通合金钢都可以进行良好的激光焊接，但需要预热和焊后处理，以消除应力，避免裂纹形成。
2、不锈钢的激光焊接。
一般的情况下，不锈钢激光焊接比常规焊接更易于获得优质接头。由于高的焊接速度热影响区很小，敏化不成为重要问题。与碳钢相比，不锈钢低的热导系数更易于获得深熔窄焊缝。
3、不同金属之间的激光焊接。
激光焊接极高的冷却速度和很小的热影响区，为许多不同金属焊接融化后有不同结构的材料相容创造了有利条件。现已证明以下金属可以顺利进行激光深熔焊接：不锈钢~低碳钢，416不锈钢~310不锈钢，347不锈钢~HASTALLY镍合金，镍电极~冷锻钢，不同镍含量的双金属带。
激光焊接及其质量控制
目前激光焊接在汽车行业的大量应用，说明了激光焊接技术已趋于成熟。但激光焊接技术和传统的焊接技术相比显得较复杂，质量控制环节和传统的焊接质量控制也有所不同，因此加强质量控制，对于激光焊接的发展有着重要的意义。
激光最基本的特点就是：单色性、方向性、相关性。这些独特性质加上由此而来的高亮度、超短脉冲等性质使它非常适合焊接加工。激光焊接技术在制造领域的应用由脉冲到连续，由小功率到大功率，由薄板到厚件，由简单单焊缝到复杂形状，已经逐步成为一种成熟的现代加工工艺技术。
激光焊接技术在汽车工业中的应用
激光焊接分为脉冲激光焊接和连续激光焊接，在连续焊接中又可分为热传导焊接和深穿透焊接。随着激光输出功率的提高，特别是高功率激光器的出现，激光深穿透技术在国内外都得到了迅速发展，******的焊接深宽比已经达到了12:1，激光焊接材料也由一般低碳钢发展到了今天的焊接镀锌板、铝板、钛板、铜板和陶瓷材料，激光焊接速度也达到了每分钟几十米，激光焊接技术日益成熟，并大量应用到生产线上，在汽车生产线上如车顶焊接，汽车底板及结构件(包括车门车身)的高速拼焊，并已取得了巨大的经济和社会效益。
汽车激光焊接的优缺点
优点
“激光”能在一个很小的作用点上集中起非常大的能量。与传统的焊和熔焊工艺相比，这会带来很多优点：
加工精度成倍提高。激光焊缝高温区因热量的原因会发生反应。由于激光焊缝宽度相对较窄，这些较小的高温区也使得随之带来的热变形非常小。
可以实现激光焦点的功率和大小按加工要求动态地进行调节，同时对加工过程进行实时监控，实现各种各样的应用可能。
在使用固体激光器时，可以灵活地远离操作地输送激光，这样一来把能量源和加工设备从空间上分隔可以毫不困难得实现。
激光束不会带来任何磨损，而且能长时间稳定地工作。
据有关资料统计，在欧美发达工业国家中，有50%~70%的汽车零部件是用激光加工来完成的。其中主要以激光焊接和激光切割为主，激光焊接在汽车工业中已成为标准工艺。激光用于车身面板的焊接可将不同厚度和具有不同表面涂镀层的金属板焊在一起，然后再进行冲压，这样制成的面板结构能达到最合理的金属组合。由于很少变形，也省去了二次加工。激光焊接加速了用车身冲压零件代替锻造零件的进程。采用激光焊接，可以减少搭接宽度和一些加强部件，还可以压缩车身结构件本身的体积。仅此一项车身的重量可减少50kg左右。而且激光焊接技术能保证焊点连接达到份子层面的接合，有效提高了车身的刚度和碰撞安全性，同时有效降低了车内噪声。
缺点
要求焊件装配精度高，且要求光束在工件上的位置不能有显著偏移。这是因为激光聚焦后光斑尺寸小，焊缝窄。如工件装配精度或光束定位精度达不到要求，很容易造成焊接缺陷。
激光器及其相关系统的成本较高，一次性投资较大。
激光加工的过程技术
要想使激光焊接真正发挥作用，其各个功能组之间可靠的协调工作以及对设备的安全操作和正确保养都是必不可少的。下列四种技术是现代加工技术的支柱，其相互之间可靠的功能联系以及对其全面的掌握是安全可靠地引入激光加工技术所必须的，如图1所示。
图1 激光加工的过程技术
汽车激光焊接的质量控制
汽车激光焊接的质量缺陷类型
由于汽车激光焊接过程的复杂性以及众多的影响因素，当出现加工质量下降时，无法用一个概括的原因来进行解释。一般激光焊缝轨迹的开始和结尾段被认为是最为关键的部份。以下是汽车白车身激光焊接的一些典型缺陷：
·毛孔：正常的毛孔（比微小毛孔大）的直径******不超过1.0mm。
·微小毛孔/空洞：当毛孔的直径小于0.2mm时就是微小毛孔；当毛孔的直径大于1.0mm，就被称为空洞。
·熔焊型焊缝：在焊缝中没有焊料，焊缝的样子就像是激光熔焊焊缝。
·低劣的焊料连接：焊条未在加工件的侧面连接起来。在焊缝连接的位置处，焊缝看起来“散成一缕缕的”。
·焊料的单面连接：焊料只与一个侧面连接了起来。
·香肠现象：加工件没有连接起来，在焊缝处焊料笔直地伸展堆积。
·焊缝不规则：焊缝塌陷或凸起。
·鳞状堆积：焊缝表面不光滑，显得很粗糙。
焊缝开头/焊缝结尾问题：在加工件的边缘会出现焊缝填充不足或过剩的现象，或者是在轨迹上发现有未熔化的焊条残余。
汽车激光焊接的质量影响因素
白车身生产中质量缺陷产生的可能原因或者说是误差源：
1）激光设备的原因：
脏了的?；げＡЬ灯?/span>激光器中老化的弧光灯都会降低激光的功率。
激光的焦点位置不正确。当激光焦点的直径太小时，太多的激光能量被集中在焊条上，因此使焊料变得过热，而同时加工件的侧边却没有得到足够的加热，这样焊料就不容易流到加工件的缝隙中去。而激光焦点的直径太大时，激光能量不集中，焊不牢。
2）焊条的原因：
·焊条预热温度错误。
·焊条材料合金成分改变（这样就有可能不符合加工要求）。
·焊条引导的速度不恒定或是与激光设备加工头速度不相符。
3）其它辅助设备的原因：
·由于熔液的凝固而引起的气体分子的泄漏。
·由于程序给定错误的进给速度或是机器人速度出现波动。
4）间隙尺寸：
·被焊接零部件之间的间隙尺寸超过激光设备要求。
·汽车激光焊接的质量控制
1）设备保养：
在汽车激光焊接的质量缺陷及影响的因素中，提到了大多数质量缺陷都是由于设备故障造成的，因此日常的设备保养和维修显得尤为重要。以下总结了激光设备保养的几个要求：
·每天检测?；げＡЬ灯运鸹档木灯笆备?。
·每天需清理夹具的焊接飞溅残留物并紧固夹具的固定螺栓。
·每周检查激光器中的弧光灯，及时更换老化的弧光灯。
·对一些辅助设备例如机器人、送丝机构等等都需进行一些日常保养。
2）焊接工件的尺寸精度要求：
激光焊对焊件装配精度要求也非常高，如工件装配精度或光束定位精度达不到要求，很容易造成焊接缺陷，所以良好而精确的夹紧技术是激光焊接的保证。普通焊接对被焊接零件间的配合间隙要求在2mm左右，而激光焊接理想的情况是配合间隙越小越好，通常在白车身生产中以被焊接零件间的配合间隙0.2mm来控制。
3）车身功能尺寸的质量控制：
根据现场白车身激光焊接质量控制经验，成立一个尺寸小组对影响激光焊接质量的关键尺寸进行监控是很有必要的。尺寸小组由测量部门、生产部门、质保部门、样板部门组成。小组成员定期召开尺寸会议讨论并解决出现的尺寸偏差。测量部门需每天对关键尺寸进行测量并提供相应的报告，生产部门需及时的反馈信息，质保部门对产生的质量问题进行判定，并协同样板部门制定解决方案。
激光焊缝质量的检验及返工标准
判定激光焊缝的质量好坏一般分为非破坏性检验和破坏性检验。
1）非破坏性检验：激光焊缝非破坏性检验主要是目视检验。检验者采用一些适宜的工具如放大镜、相机、或其它测量检验工具对焊缝的存在、数量、长度、外观及位置按照图纸要求进行检查。在上面提到的激光焊接质量缺陷中，气孔、焊接飞溅、焊穿、中断的焊缝、边缘熔接等问题都是可以通过目视检验出来。在汽车白车身生产过程中要求对每一条焊缝都进行目视检验来评判它的质量。
2）破坏性检验：激光焊缝的破坏性检验分金相试验和凿击检验两种。
金相试验是通过显微镜对激光焊缝的横断面磨片进行判定的一种检验方法。常见的缺陷一般为无连接、边缘缺口、根部突起等。检验的频次取决于工艺的可靠性，实际生产中由生产部门和各主管的质保部门协商确认，每月至少一次。对由于设备故障或质量缺陷对激光参数进行调整后，必须对焊缝做金相试验评定。
凿击检验是借助凿子，使激光焊缝受力凿打直至出现断裂，然后测量断裂面（焊缝的长度和宽度）的一种检验方法。凿击检验能反映出激光焊接设备的功能可靠性，所以凿击检验一般在离生产线很近的地方进行，当焊缝被发现有不合格时，就可以通知相应工艺和维修人员。在汽车白车身生产中对所有激光焊缝以2次/月的频次检验。
3）返工方法：对通过上述各种检验方法发现缺陷的激光焊缝，需进行返工。一般汽车白车身激光焊接返工方法如下：
·电阻点焊，但电阻点焊要求有较高的接触位置或法兰边宽度，而且在这种情况下不允许焊点在激光焊缝上、点焊的焊点与激光焊缝连接在一起。当零件法兰边很短的情况下（8mm）或不能钻孔时，可在搭接处用MIG焊。
·当搭接接头成角焊缝时可使用MIG、MAG焊接。
·重新进行激光焊接，但新焊缝不允许焊在有缺陷的焊缝上，而只能焊在焊缝之间的空缺处，返工焊缝长度应与焊缝缺陷位置的长度相同。
结束语
21世纪汽车工业正在步入能按照用户要求进行柔性?？槭缴姆绞?，传统加工工艺已不能满足新生产方式的需要。随着激光焊接技术及其他激光加工技术在汽车领域中的不断应用，它必将成为汽车工业中重要的加工方法之一。
网站客服咨询客服
热线电话：
021-39806791
021-39806791
183419599
