激光焊接

      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。

      属于熔融焊接，以激光束为能源，冲击在焊件接头上。

焊接特性

      激光束可由平面光学元件（如镜子）导引，随后再以反射聚焦元件或镜片将光束投射在焊缝上。

      激光焊接属非接触式焊接，作业过程不需加压，但需使用惰性气体以防熔池氧化，填料金属偶有使用。

      激光焊可以与MIG焊组成激光MIG复合焊，实现大熔深焊接，同时热输入量比MIG焊大为减小。

激光焊接和传统焊接的区别

      传统焊接包括手工焊接和自动化焊接两种方式，其主要原理是通过加热物体表面将物体熔化或者热塑变形，从而实现紧密连接的目的。而激光焊接则是利用激光束在焊接处产生一个高温小区，使金属材料达到熔化状态后，再通过去掉熔池表面的氧化皮来实现焊接。

      1、焊接速度

      激光焊接与传统焊接相比，具有明显的焊接速度优势。传统焊接采用热源或电弧进行加热并持续加压后才能完成焊接，而激光焊接只需聚焦激光光束即可，其焊接速度约为传统焊接的2-10倍。

      2、精度和效率

      激光焊接技术非常精确，能够在微米级别下进行焊接，从而使焊缝更加精细、美观，同时焊接质量也更好。激光焊接利用激光束的高能量密度，可以在瞬间熔化金属，与传统焊接相比，更具高效性。

      3、材料影响

      传统焊接的热源产生的强烈热量会使焊接区域周围的金属受到过度加热和变形，从而影响焊接质量。而激光焊接时，激光光束只对过程中所焊接的小区域产生影响，不会对其周围金属产生影响，这使得操作更加容易且焊接质量更好。

技术原理

      激光焊接可以采用连续或脉冲激光束加以实现，激光焊接的原理可分为热传导型焊接和激光深熔焊接。功率密度小于104~105 W/cm2为热传导焊，此时熔深浅、焊接速度慢；功率密度大于105~107 W/cm2时，金属表面受热作用下凹成“孔穴”，形成深熔焊，具有焊接速度快、深宽比大的特点。

      其中热传导型激光焊接原理为：激光辐射加热待加工表面，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、峰功率和重复频率等激光参数，使工件熔化，形成特定的熔池。

      用于齿轮焊接和冶金薄板焊接用的激光焊接机主要涉及激光深熔焊接。

      激光深熔焊接一般采用连续激光光束完成材料的连接，其冶金物理过程与电子束焊接极为相似，即能量转换机制是通过“小孔”（Key-hole）结构来完成的。在足够高的功率密度激光照射下，材料产生蒸发并形成小孔。这个充满蒸气的小孔犹如一个黑体，几乎吸收全部的入射光束能量，孔腔内平衡温度达2500℃左右，热量从这个高温孔腔外壁传递出来，使包围着这个孔腔四周的金属熔化。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，液态金属四周包围着固体材料（而在大多数常规焊接过程和激光传导焊接中，能量首先沉积于工件表面，然后靠传递输送到内部）。孔壁外液体流动和壁层表面张力与孔腔内连续产生的蒸汽压力相持并保持着动态平衡。光束不断进入小孔，小孔外的材料在连续流动，随着光束移动，小孔始终处于流动的稳定状态。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，熔融金属充填着小孔移开后留下的空隙并随之冷凝，焊缝于是形成。上述过程的所有这一切发生得如此快，使焊接速度很容易达到每分钟数米。

主要优点

      （1）可将入热量降到最低的需要量，热影响区金相变化范围小，且因热传导所导致的变形亦最低。

      （2）32mm板厚单道焊接的焊接工艺参数业经检定合格，可降低厚板焊接所需的时间甚至可省掉填料金属的使用。

      （3）不需使用电极，没有电极污染或受损的顾虑。且因不属于接触式焊接制程，机具的耗损及变形接可降至最低。

      （4）激光束易于聚焦、对准及受光学仪器所导引，可放置在离工件适当之距离，且可在工件周围的机具或障碍间再导引，其他焊接法则因受到上述的空间限制而无法发挥。 

      （5）工件可放置在封闭的空间（经抽真空或内部气体环境在控制下）。

      （6）激光束可聚焦在很小的区域，可焊接小型且间隔相近的部件。

      （7）可焊材质种类范围大，亦可相互接合各种异质材料。

      （8）易于以自动化进行高速焊接，亦可以数位或电脑控制。

      （9）焊接薄材或细径线材时，不会像电弧焊接般易有回熔的困扰。

      （10）不受磁场所影响（电弧焊接及电子束焊接则容易），能精确的对准焊件。

      （11）可焊接不同物性（如不同电阻）的两种金属。

      （12）不需真空，亦不需做X射线防护。 

      （13）若以穿孔式焊接，焊道深一宽比可达10:1。

      （14）可以切换装置将激光束传送至多个工作站。

主要缺点

      （1）焊件位置需非常精确，务必在激光束的聚焦范围内。

      （2）焊件需使用夹治具时，必须确保焊件的最终位置需与激光束将冲击的焊点对准。

      （3）最大可焊厚度受到限制渗透厚度远超过19mm的工件，生产线上不适合使用激光焊接。

      （4）高反射性及高导热性材料如铝、铜及其合金等，焊接性会受激光所改变。

      （5）当进行中能量至高能量的激光束焊接时，需使用等离子控制器将熔池周围的离子化气体驱除，以确保焊道的再出现。

      （6）能量转换效率太低，通常低于10%。

      （7）焊道快速凝固，可能有气孔及脆化的顾虑。

      （8）设备昂贵。

工艺增强技术

      为了消除或减少激光焊接的缺陷,更好地应用这一优秀的焊接方法,提出了一些用其它热源与激光进行复合焊接的工艺,主要有激光与电弧、激光与等离子弧、激光与感应热源复合焊接、双激光束焊接以及多光束激光焊接等。此外还提出了各种辅助工艺措施，如激光填丝焊（可细分为冷丝焊和热丝焊）、外加磁场辅助增强激光焊、保护气控制熔池深度激光焊、激光辅助搅拌摩擦焊等。

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10^4~10^6W/CM^2。

(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，当正负离焦平面与焊接平面距离相等时，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。

国内外发展状况

      20世纪80年代中期，激光焊接作为新技术在欧洲、美国、日本得到了广泛的关注。1985年德国蒂森钢铁公司与德国大众汽车公司合作，在Audi100车身上成功采用了全球第一块激光拼焊板。90年代欧洲、北美、日本各大汽车生产厂开始在车身制造中大规模使用激光拼焊板技术。目前，无论实验室还是汽车制造厂的实践经验，均证明了拼焊板可以成功地应用于汽车车身的制造。

      激光拼焊是采用激光能源，将若干不同材质、不同厚度、不同涂层的钢材、不锈钢材、铝合金材等进行自动拼合和焊接而形成一块整体板材、型材、夹芯板等，以满足零部件对材料性能的不同要求，用最轻的重量、最优结构和最佳性能实现装备轻量化。在欧美等发达国家，激光拼焊不仅在交通运输装备制造业中被使用，还在建筑业、桥梁、家电板材焊接生产、轧钢线钢板焊接（连续轧制中的钢板连接）等领域中被大量使用。

      世界著名的激光焊接企业有瑞士Soudonic公司、法国阿赛洛钢铁集团、德国蒂森克虏伯集团TWB公司、加拿大Servo-Robot公司、德国Precitec公司等。

      中国的激光拼焊板技术应用刚刚起步，2002年10月25日，中国第一条激光拼焊板专业化商业生产线正式投入运行，由武汉蒂森克虏伯中人激光拼焊从德国蒂森克虏伯集团TWB公司引进。此后上海宝钢阿赛洛激光拼焊公司、一汽宝友激光拼焊有限公司等相继投产。

      2003年 由华工激光提供的国内首台大型带材在线式焊接成套设备通过离线验收。该设备集激光切割、焊接和热处理于一身，使我国华工激光成为世界上第四家能够生产此类设备的企业。

      2004年 华工激光“高功率激光切割,焊接及切焊组合加工技术与设备”项目获得国家科学技术进步二等奖,成为国内目前唯一具备该项技术与设备研制能力的激光企业。

       中科院沈阳自动化研究所与日本石川岛播磨重工株式会社进行国际合作，遵循国家引进消化后再创新的科技发展战略，攻克激光拼焊若干个关键技术，于2006年9月开发出国内第一套激光拼焊成套生产线，并成功开发了机器人激光焊接系统，实现了平面和空间曲线的激光焊接。

应用领域

1、制造业应用

      激光拼焊(TailoredBlandLaserWelding)技术在国外轿车制造中得到广泛的应用，据统计，2000年全球范围内剪裁坯板激光拼焊生产线超过100条，年产轿车构件拼焊坯板7000万件，并继续以较高速度增长。国内生产的引进车型Passat，Buick，Audi等也采用了一些剪裁坯板结构。日本以CO2激光焊代替了闪光对焊进行制钢业轧钢卷材的连接，在超薄板焊接的研究，如板厚100微米以下的箔片，无法熔焊，但通过有特殊输出功率波形的YAG激光焊得以成功，显示了激光焊的广阔前途。日本还在世界上首次成功开发了将YAG激光焊用于核反应堆中蒸气发生器细管的维修等，在国内苏宝蓉等还进行了齿轮的激光焊接技术。

2、粉末冶金领域

      随着科学技术的不断发展，许多工业技术上对材料特殊要求，应用冶铸方法制造的材料已不能满足需要。由于粉末冶金材料具有特殊的性能和制造优点，在某些领域如汽车、飞机、工具刃具制造业中正在取代传统的冶铸材料，随着粉末冶金材料的日益发展，它与其它零件的连接问题显得日益突出，使粉末冶金材料的应用受到限制。在八十年代初期，激光焊以其独特的优点进入粉末冶金材料加工领域，为粉末冶金材料的应用开辟了新的前景，如采用粉末冶金材料连接中常用的钎焊的方法焊接金刚石，由于结合强度低，热影响区宽特别是不能适应高温及强度要求高而引起钎料熔化脱落，采用激光焊接可以提高焊接强度以及耐高温性能。

3、汽车工业

      20世纪80年代后期，千瓦级激光成功应用于工业生产，而今激光焊接生产线已大规模出现在汽车制造业，成为汽车制造业突出的成就之一。德国奥迪、奔驰、大众、瑞典的沃尔沃等欧洲的汽车制造厂早在20世纪80年代就率先采用激光焊接车顶、车身、侧框等钣金焊接，90年代美国通用、福特和克莱斯勒公司竟相将激光焊接引入汽车制造，尽管起步较晚，但发展很快。意大利菲亚特在大多数钢板组件的焊接装配中采用了激光焊接，日本的日产、本田和丰田汽车公司在制造车身覆盖件中都使用了激光焊接和切割工艺，高强钢激光焊接装配件因其性能优良在汽车车身制造中使用得越来越多，根据美国金属市场统计，至2002年底，激光焊接钢结构的消耗将达到70000t比1998年增加3倍。根据汽车工业批量大、自动化程度高的特点，激光焊接设备向大功率、多路式方向发展。在工艺方面美国Sandia国家实验室与PrattWitney联合进行在激光焊接过程中添加粉末金属和金属丝的研究，德国不莱梅应用光束技术研究所在使用激光焊接铝合金车身骨架方面进行了大量的研究，认为在焊缝中添加填充余属有助于消除热裂纹，提高焊接速度，解决公差问题，开发的生产线已在奔驰公司的工厂投入生产。

4、电子工业

      激光焊接在电子工业中，特别是微电子工业中得到了广泛的应用。由于激光焊接热影响区小加热集中迅速、热应力低，因而正在集成电路和半导体器件壳体的封装中，显示出独特的优越性，在真空器件研制中，激光焊接也得到了应用，如钼聚焦极与不锈钢支持环、快热阴极灯丝组件等。传感器或温控器中的弹性薄壁波纹片其厚度在0.05-0.1mm，采用传统焊接方法难以解决，TIG焊容易焊穿，等离子稳定性差，影响因素多而采用激光焊接效果很好，得到广泛的应用。

5、生物医学

      生物组织的激光焊接始于20世纪70年代，Klink等及jain[13]用激光焊接输卵管和血管的成功焊接及显示出来的优越性，使更多研究者尝试焊接各种生物组织，并推广到其他组织的焊接。有关激光焊接神经方面目前国内外的研究主要集中在激光波长、剂量及其对功能恢复以及激光焊料的选择等方面的研究，刘铜军进行了激光焊接小血管及皮肤等基础研究的基础上又对大白鼠胆总管进行了焊接研究。激光焊接方法与传统的缝合方法比较，激光焊接具有吻合速度快，愈合过程中没有异物反应，保持焊接部位的机械性质，被修复组织按其原生物力学性状生长等优点将在以后的生物医学中得到更广泛的应用。

6、其他领域

      在其他行业中，激光焊接也逐渐增加特别是在特种材料焊接中国内进行了许多研究，如对BT20钛合金、HEl30合金、Li-ion电池等激光焊接，德国玻璃机械制造商GlamacoCoswig公司与IFW接合技术与材料实验研究院合作开发出了一种用于平板玻璃的激光焊接新技术。 

机器人

      激光焊接机器人是一种使用激光作为热源的自动化焊接设备，它可以实现高速、高精度、高质量的焊接过程。以下是关于激光焊接机器人的详细介绍：

一、工作原理

      激光焊接机器人的工作原理是通过激光器产生高能量密度的激光束，该激光束通过光纤或镜头系统传输到加工头，然后聚焦到工件上，使工件局部熔化形成焊缝。这种焊接方式非常迅速，因为激光束能够提供高能量密度，从而降低热影响区域。

二、核心技术

      激光源和焦点控制：激光焊接机器人的核心是激光源，能够产生高强度的激光束。通过光学透镜系统进行焦点控制，可以调整焦点的位置和焦距。

      工件定位和路径规划：激光焊接机器人配备视觉系统或传感器，用于准确定位焊接部件的位置。路径规划程序则指导机器人的运动，确保激光焊接头按照所需路径在工件上移动。

      实时监控与调整：机器人系统实时监控焊接过程，确保焊接参数如激光功率、焦点位置和焦距在正确范围内，以维持焊接质量。

三、应用领域

      激光焊接机器人在多个行业都有广泛的应用，包括但不限于：

      汽车制造业：用于汽车制造中的车身焊接、零部件焊接等工艺，提高生产效率和焊接质量。

      电子行业：在电子产品制造中，如手机、电脑等设备的组装和焊接工艺上发挥重要作用，实现精细焊接。

      航空航天业：可用于航空发动机零部件、航天器结构件的焊接等，满足高精度和高强度的焊接需求。

      金属加工行业与医疗器械行业：在金属加工和医疗器械制造中，激光焊接机器人也有广泛应用，如钢结构焊接、管道焊接以及精密仪器的组装和焊接等。

四、优势特点

      高效率：采用无接触焊接，实现高速、高质量的焊接过程。

      高精度：激光能量高度集中，热影响区小，保证焊缝的对位精度和重复定位精度。

      高质量：焊缝组织均匀，气孔和缺陷少，提高焊缝的机械强度和耐腐蚀性能。

      高灵活性：适应大幅面空间焊接，可根据生产需求定制夹具，适应不同规格和形状的工件。

      总的来说，激光焊接机器人以其高精度、高质量和高效率的特点，在多个行业中得到了广泛应用和推广。

激光焊接使用方法

      激光焊接机的使用方法涉及多个步骤，包括准备阶段、操作阶段和后续处理阶段。以下是一个详细的指南：

一、准备阶段

      1、安全教育：

      首次接触激光焊机前，必须接受专业安全培训，了解激光辐射的危害及防护措施。尽管高质量的激光焊机辐射可忽略不计，但仍需佩戴专用防护眼镜、穿戴防火隔热服等防护用品。

      2、环境检查：

      确保作业区域通风良好，无易燃易爆物品。设置警示标志，限制无关人员进入。

      3、设备检查：

      开机前检查激光器、冷却系统、控制系统及安全装置是否正常。

      检查激光焊接机外观是否干净无灰无油，无杂物堆放。

      检查冷却系统，确保冷却水水位在正常范围之内，并保持清洁。天冷时需添加防冻液，温度升高则需更换回纯净水。

      检查氩气瓶，确保氩气正常连接打开。

      4、材料准备：

      准备进行焊接的金属，并确保焊接区域无尘、干净。

      使用火焰去除任何表面的氧化物或其他污染物。

      对焊接区域进行打磨，使其光滑以便于激光束能够完全聚焦。

二、操作阶段

      1、参数设定：

      根据被焊材料的种类、厚度及焊接要求，预设激光功率、焊接速度、焦点位置等参数。精细调整以达到最佳焊接效果。

      2、安装激光头：

      精确安装激光焊接机的激光头，确保其对准工作区域，且不能过度倾斜。

      3、启动设备：

      打开激光焊接机系统开关，观察水温是否合适（一般设定在21℃左右，可根据情况在20~25℃之间适当调整）。

      开启激光器开关。

      4、正式焊接：

      将待焊接的材料放置在焊接平台上，调整激光焦点位置。

      根据即将焊接的工件选择模式，输入各项参数。激光焊接机可为薄壁材料与精密件实施焊接，进行拼焊、角焊、叠焊等全方位操作。

      启动激光焊机，按照预设路径进行焊接。注意监控焊接过程，适时调整焊接参数，确保焊接质量。

三、后续处理阶段

      1、质量检验：

      焊接完成后，立即进行外观及内部质量检查，如焊缝外观、熔深、有无缺陷等。必要时进行无损检测。

      2、清理工作：

      清理焊接区域，去除焊渣、飞溅物等。

      3、记录数据：

      记录焊接过程的数据，如焊接时间、激光功率、焊接速度等，以便于后续分析和改进。

      4、设备维护：

      定期检查设备的各个部件，确保其工作状态良好。

      焊接完成后，退出程序，依次关闭激光器系统、氩气阀门以及电源开关。

四、高级操作技巧

      1、动态焊接参数调整：

      针对不同焊接部位，灵活调整焊接参数，如在拐角处减慢速度，保持能量密度，防止过焊或未焊合。

      2、优化焊接路径：

      利用CAD/CAM软件规划最优化的焊接路径，减少空走时间，提高效率。

      3、故障排查：

      熟悉常见故障代码及其含义，如激光器报警、冷却系统异常等，及时采取应对措施，联系售后或专业维修团队。

      通过遵循以上步骤和技巧，可以安全、高效地使用激光焊接机进行焊接工作。同时，随着技术的不断发展和进步，建议用户关注厂家发布的最新信息和技术更新，以便不断提升焊接质量和效率。