激光焊接技术的发展与应用

D激光焊接技术的发展及应用

什么是激光焊接？激光焊接技术目前的发展情况如何？激光焊接技术可以应用在哪些领域？

1. 什么是激光焊接？

简而言之，激光焊接就是用激光辐射对工件表面进行加热，表面热量通过热传导向内部扩散。然后，通过控制激光脉冲的宽度、能量、峰值功率和重复频率，使工件熔化，形成特定的熔池，从而实现焊接。

激光焊接可以将输入热量减少到所需的最小量，热影响区的金相变化范围较小，热传导引起的变形也很小。

非接触焊接可以将机器的磨损和变形减少到最低限度。激光束易于通过光学仪器聚焦、对准和引导。它可以放置在距工件适当的距离处，并且可以在机器或工件周围的障碍物之间进行引导。

激光束可以聚焦在很小的区域，可以焊接小而紧密间隔的零件，可以焊接多种材料，还可以连接各种异质材料。

易于实现自动化高速焊接，也可采用数字化或计算机控制。焊接薄材或细径焊丝时，不存在重熔等麻烦。

2、激光焊接技术的现状如何？

激光焊接技术随着激光技术的发展而发展。近年来不断推出蓝色激光、绿色激光、飞秒激光等新光源、摇摆焊、ARM（可调环模）环可调点焊等新工艺，创新性地解决了工业生产中的一些焊接难题，使得激光焊接在工业生产的各个领域得以迅速推广和发展。

(1)金属激光焊接技术

激光的高能量密度使得一些难焊金属材料的焊接成为可能，但对于高反射材料以及金、银、铜、铝等异种金属材料的焊接还存在一些问题。主要原因包括：

①高反射率、高导热率，激光焊接需要较高的启动功率；

②高功率激光焊接时，对材料表面状态的变化敏感，导致焊点/焊缝成型不良；

③激光焊接速度快，导致焊缝内部出现气孔等焊接缺陷，特别是铝及铝合金。

(1.1)铜及铜合金的高效激光焊接

铜具有优异的导电性和导热性，广泛应用于电子产品和电动汽车的制造领域。其中电机、电池、传感器、线束、端子应用最为广泛。

过去，金属材料的激光焊接主要依靠红外激光器。但铜的导热系数太高，几乎是纯铁的5倍，纯铝的1.7倍。铜对红外激光的吸收率较低。单独采用红外激光器进行线性焊接，工艺窗口不稳定，熔化深度波动最大，容易出现焊接飞溅、熔融金属飞溅、气孔、熔深波动大等问题。

因此，高功率短波长激光器出现后，可见光激光焊接和复合焊接成为铜及铜合金等高反射材料的理想加工方法。

①绿光激光焊接

绿激光是一种波长为500-560nm的可见光。铜对波长λ=515nm的绿光吸收率高达40%，约为1μm左右红外光吸收率的8倍，能量耦合效率更高。对氧化程度的敏感性也降低了。

使用绿光激光器可以显着降低铜深熔焊的阈值功率，焊缝表面的熔体喷射和飞溅量很少，几乎不受焊接速度的影响。如果增加光束扫描、光束散焦和正确的激光功率调制，可以显着提高焊接质量。焊缝缺陷数量大大减少的同时，焊缝表面也会更加规则、均匀。

②蓝光激光焊接

波长越短，光子能量越高，有助于提高材料对激光的吸收率。蓝色激光的波长为400nm~500n。基于氮化镓材料的半导体激光器可以直接产生波长为450nm的激光，无需进一步倍频。具有结构简单、使用方便、电光转换效率高、吸收率高等优点。

与工业加工中常用的光纤激光器相比，蓝光激光器对450nm金属材料的吸收率提高了10-60%，特别是对铜、金等高反射金属材料的吸收率提高。经验证，铜焊接所需能耗比红外激光器低84%。这意味着当红外激光器需要10W的激光功率来焊接铜材料时，使用蓝色激光器只需要大约1kW或0.5kW的功率。

③双束复合焊

采用红外-可见光双光束复合焊接工艺，采用较小功率的可见光激光器，红外激光器在功率低于深熔焊接阈值功率时即可实现铜的强制深熔焊接，并显着降低焊接飞溅少，设备成本低。焊接质量高，被认为具有非常突出的优点和良好的应用前景。

(1.2)铝合金激光摆焊

当使用传统的单焦点激光束焊接铝合金时，气孔是常见的缺陷。铝合金产生气孔的主要原因有：

①焊接熔池、匙孔因剧烈振动容易塌陷失稳，形成气孔；

②随着温度的降低，氢在铝合金中的溶解度会急剧下降，导致凝固时过饱和氢析出，形成氢孔。气孔的存在会使焊缝产生应力集中，从而导致焊缝在凝固过程中产生裂纹。

激光摆动焊接。焊接过程中，横梁沿焊缝方向移动，同时以圆形、8字形、螺旋线等多种形式摆动。

目前，光束摆动的实现主要是通过能够承受高功率激光的振镜来实现。激光摆焊的光束作用面积增大，增大了小孔和熔池的面积以及熔池根部的尺寸，提高了小孔和熔池的稳定性，具有显着的改善效果诸如熔合不良和咬边等缺陷。同时，摆动光束对熔池的搅拌，加速了熔池的对流，增加了熔池中气泡的逃逸速度，降低了孔隙率。

3、激光焊接技术在各领域的应用现状

激光焊接不晚于切割。目前我国已有专业从事激光焊接的企业。早期，灯泵浦激光和YAG激光焊接是主要方法。都是非常传统的低功率激光焊接，在模具、广告字、眼镜、珠宝等领域都有应用，但规模非常有限。近年来，随着激光功率的不断提升，更重要的是半导体激光器和光纤激光器逐渐开拓了激光焊接应用场景，突破了激光焊接的技术瓶颈，开辟了新的市场空间。

（一）激光焊接技术在汽车制造中的应用

随着科学技术的发展和人们消费水平和生活质量的提高，汽车生产领域对车身轻量化和艺术美观的要求越来越高。激光焊接技术因其优异的加工效果、良好的产品质量和高工作效率而脱颖而出，迅速成为汽车生产领域焊接工艺技术应用的宠儿。

在汽车生产中，激光焊接技术主要应用于厚钢板激光焊接、汽车总成及子系统总成激光焊接、整车零部件激光焊接等工艺。欧美一些国家的汽车制造商较早开始应用激光焊接技术，从20世纪80年代开始。奥迪、奔驰、通用等知名汽车品牌当时开始将激光焊接技术引入到汽车生产制造中，推动了激光焊接技术在汽车生产制造领域的深入应用和发展。

动力电池激光焊接应该是近年来最引人注目的焊接应用需求，这对于激光设备制造商有着很大的推动作用。其次应该是汽车车身及零部件的焊接。中国是全球最大的汽车市场，众多老牌车企和新锐车企不断涌现，拥有近百个汽车品牌。大多数制造商采用千瓦级焊接技术或自动化激光焊接生产线；尤其是在动力电池领域，领先的新能源电池企业都大量使用了激光焊接设备。

4、激光焊接技术的发展趋势如何？

随着焊接技术的进一步发展和突破，激光焊接技术的研发过程中其独特性更加明显。激光焊接技术可以快速、高效地焊接金属材料。当激光束产生时，由于其本身的高聚焦特性，可以在激光束中造成极高的功率密度，使得激光束在很短的时间内释放出大量的热能，从而大大提高了激光束的使用寿命。焊接效率高，保证焊接质量。

此外，由于激光焊接技术的瞬时焊接优势，使其具有非常广阔的应用前景。在激光焊接技术的实际应用中，当激光束直接照射金属材料表面时，不会对照射区域以外的金属材料产生影响，因此在焊接过程中不会对金属材料表面造成明显损伤。焊接工艺，焊接工艺完成后，无需进行相关的表面处理。这使得激光焊接技术特别适合加工各种精密零件的表面，使得难度更大的焊接操作也能快速实现。

而且，在以往的焊接技术规范中，通常规定所有焊接材料的材质要求必须一致。使用激光焊接技术，不需要对焊接材料的材质有很大的限制，因此即使是不同材质的焊接材料也可以使用激光焊接技术轻松焊接。可以说，激光焊接技术的形成和广泛应用，有效地克服了传统焊接技术中存在的问题，降低了传统焊接作业的难度。

经过半个多世纪的发展，激光焊接技术的技术水平也日趋完善，并逐渐广泛应用于越来越多的工业领域。

在航空航天、电子仪器、机械制造、钢铁冶金、汽车制造、医疗器械等行业的应用领域，激光焊接技术发挥着越来越巨大的作用。例如，在汽车零部件的生产中，可以采用激光焊接技术来加工生产车辆的覆盖件，美国、日本等先进国家也将激光焊接技术应用到航空零部件的生产中。纯氮环境。