激光焊接的几个技巧

激光焊接是激光金属加工技术的一个分支，广泛应用于汽车、精密设备、电器、航空航天和医疗器械等众多工业领域。在其众多应用中，本文重点介绍用于钣金加工的激光焊接并介绍其基本原理。

什么是激光焊接？ （主要特征）

“激光”一词是源自 Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation 的缩写.

虽然乍一看它的定义似乎很复杂，但您可以简单地将激光理解为“人造光”。与我们日常遇到的太阳光、室内照明等普通光相比，激光具有恒定的 波长、相位和方向。这三个属性统称为 一致性，经过调整和部署，可以实现不同的材料加工应用。

激光焊接是一种将人造激光聚焦到目标工件上以局部熔化和凝固金属以达到连接目的的加工技术。当用于钣金制造时，激光焊接比传统电弧焊具有优势：更好地控制热变形、更容易管理焊接参数以及更少可见的焊道。

激光焊接原理

在激光焊接中，激光振荡器产生激光能量作为热源。激光束被放大并通过光纤传输到工件附近。此阶段需要激光加工头。安装在激光加工头内的透镜将入射激光束聚焦到适合焊接的状态。透镜聚焦将激光能量集中在一个微小的点上，提供足够的功率密度来熔化金属。在焊接过程中，通常将氩气或氮气等保护气体吹到焊接区域，以防止熔融金属氧化。

激光焊接的类型

以下是适合钣金加工的手持式激光焊接型号。采用 YAG 激光器的便携式激光焊接机自 20 世纪 90 年代起首次在日本流行。此后很长一段时间，日本钣金行业将“激光焊接机”视为“YAG激光”的代名词。随着2010年代中期光纤激光焊接系统的商业化推出，光纤激光器已成为便携式手持式激光焊接的主流。基于盘式激光的便携式焊接设备是另一种可用的选择。

使用光纤激光焊接机进行手持式焊接

· YAG激光焊接

YAG 代表钇铝石榴石，一种晶体。 YAG 激光器通过将高强度光照射到 YAG 晶体上来产生激光输出。 YAG 激光器的波长为 1064 nm，金属很容易吸收，因此可以用相对较低的输入能量熔化金属，这使得它们非常适合焊接。

缺点是需要闪光灯来产生激光发射。大量的热量产生需要冷水机来冷却从振荡器到焊枪的整个过程，从而导致高功耗。只有一部分输入电力转化为可用的处理能量，并且可能会出现不完全渗透的情况。冷却水部件和闪光灯等消耗品的高维护成本构成了另一个主要的实际缺点。

· 光纤激光焊接

光纤激光器通过光纤放大并传输泵浦光，发射波长为 1070 nm 的光，该波长很容易被金属吸收。在各种激光源中，光纤激光器具有极高的能量密度和卓越的光束聚焦能力，可实现金属的深熔焊接——这是核心优势。

与YAG激光器相比，光纤激光器穿透深度大，运行成本低，调整和维护工作量小。近年来，它们得到了迅速采用。尽管功率和效率很高，但为了操作员的安全，手持式金属板焊接系统通常将输出限制在大约 1 kW。为了获得更高的功率和更深的熔深，应考虑机械化或机器人焊接。

· 圆盘激光焊接

盘式激光器使用盘形 YAG 晶体放大泵浦光，然后通过光纤传输光束。德国制造商实现高功率稳定运行，推动盘式激光器在工业领域的普及。它们的应用潜力正在被重新审视，新的用例正在积极开发中。

日本没有独立的手持式盘式激光焊接装置。尽管如此，拥有该制造商的盘式激光切割机的用户可以选择添加手持式焊枪。

激光焊接的优点和缺点

下面列出了用于钣金制造的激光焊接与传统广泛使用的 TIG 焊接的特点。

优点

· 即使对于薄板也具有低热变形

TIG 焊接的熔深相对较浅，热影响区较大，向金属引入高热量输入并导致严重的热变形。所产生的变形的校正在很大程度上取决于操作员的技能，并且是 TIG 焊接面临的最大挑战之一。

相比之下，激光焊接将高密度激光能量聚焦到小焦点上以熔化金属。它产生狭窄的焊道和减少的热影响区，从而最大限度地减少热变形。 脉冲振荡 ——每秒快速打开和关闭激光数十次以重复熔化-凝固循环——进一步抑制变形。

· 焊接接头有足够的强度

激光焊缝很窄，这可能会引起对接头强度的担忧。然而，深穿透提供了超出视觉外观所暗示的充足的内部机械强度。重熔再凝固合金的体积受到限制，不易断裂。工业强度测试已经证实，激光焊接接头的性能优于 TIG 焊接接头。

· 缩短加工周期

低热输入和最小变形大大减少了变形校正的工作量。激光焊接主要产生自熔焊缝，消除了焊缝突起的研磨。正确的参数设置还可以在很大程度上防止焊接烧痕，从而可能消除电解抛光步骤。总体处理时间下降，提高生产率并降低制造成本。

· 简单的参数管理和操作性

一些激光焊机允许保存和调用焊接参数集。焊接条件的良好再现性和可管理性是一个关键优势。经验丰富的操作员可以存储经过验证的配方，而技能较差的员工也可以可靠地复制。这使得熟练的焊工可以从事更高价值的任务，而经验不足的人员则可以处理薄板工作，从而提高了焊接站的整体生产率。

缺点

· 弥补差距的能力有限

激光焊接通过将能量集中到大约 φ0.1 – φ0.6 毫米的极小焦点上来熔化金属。因此，它不能跨间隙焊接。在光斑尺寸为 φ0.1 毫米的机器上，即使是 0.1 毫米的间隙也能让激光直接穿过而不会与材料结合。对策包括提高弯曲精度和采用专用夹具。

· 堆焊适应性差

激光焊接在自熔焊接方面表现出色，但在堆焊方面表现不佳。熔化填充材料时，激光能量可能无法完全到达母材金属。焊点、填充焊丝和焦点的精确对准很困难，因此难以保证足够的接头强度。如果图纸指定堆焊，请重新考虑激光焊接是否合适。相反，当激光焊接对于强度和外观质量而言是首选时，请避免在图纸上指定堆焊焊缝。

· 强制性安全预防措施

误用激光可能会导致严重事故。所有激光产品均须遵守 JIS 激光产品安全标准中定义的安全标准。手持式激光焊接设备属于危险性最高的 4 类。制造商实施了多种内置安全功能。始终遵循规范和操作手册说明：建立激光控制的工作区，佩戴激光级焊接头盔/护目镜，使用配备安全联锁的手持式割炬，并严格管理设备访问密钥。

激光焊接应用示例

下面介绍了实用的激光焊接案例研究。

第一个例子：厚度为0.5毫米和1.0毫米的SUS304板材的对焊。激光焊接在薄材料上表现出色，可实现低变形接头。无需进行焊后变形校正或去除烧痕即可获得清洁的成品表面。

第二个例子：1.0毫米厚的SUS304板材上的管板焊接。焊缝在管的内后侧可见。这是一种不使用填充焊丝的自熔焊。样品倾斜以便更清晰地观察珠子； SUS板一面几乎没有变形，反面也没有烧伤痕迹。

最终样品：箱体焊接在 1.2 毫米厚的 SUS304 上。工件用夹具固定。激光点焊先于全熔透缝焊。完成的零件变形度低，并且需要最少的精加工。

成功激光焊接的关键技巧

激光焊接具有机械强度和美观的外观，为低变形薄板连接和简单的参数控制提供了主要优点。尽管如此，它仍然存在间隙公差差和堆焊性能有限的问题。请记住以下几点以获得最佳结果：

1、 提高折弯精度，应用夹具实现焊前零间隙贴合。

2. 由经验丰富的操作员定义并保存参数配方，以便技术水平较低的人员能够一致地重现结果。

3. 保留最初为 TIG 或其他传统工艺设计的图纸，而简单地改用激光焊接通常会产生不良结果。可能需要修改设计。

4. 为了充分发挥激光焊接在强度和表面质量方面的优势，从最初的设计阶段就考虑到激光焊接的要求来进行产品设计。

概括

激光焊接的主要优势在于薄板的低变形连接。它可由非专业人员操作，因此为依赖工艺的传统焊接工作流程的现代化提供了巨大的潜力。一旦正确理解并减轻了它的弱点，您就可以充分利用它的许多优势。