激光塑料焊接技术及其典型应用
激光塑料焊接技术及典型应用
1073101 张利荣
摘要：本文对激光塑料焊接技术及其原理进行了介绍，阐述了该项技术在应用中需要考虑的问题，并简要介绍了几个应用实例。
关键词：激光技术；塑料焊接；透射焊接
1 前言
激光焊接技术在金属材料的加工领域应用广泛，其优异的性能早已被各个应用行业所接受，成果显著。随着绿色环保理念在全球工业生产中的贯彻以及生产成本控制方面的考虑，塑料作为一种性能优异的可再生非金属材料，被日益广泛地应用在各行业的零部件设计、制造上，传统的金属部件越来越多地被拥有同样工作性能的塑料部件替代，同时对塑料零件之间的焊接连接技术和焊接质量也提出了更高的要求，这些变化为激光焊接技术在塑料材料领域的应用提供了契机。
2 激光塑料焊接的原理
激光塑料焊接利用透射焊接原理(原理图见图1)，选用红外激光作为焊接热源，一般以800nm—1100nm波段的激光为主，这一波段的激光对于大部分可焊接的透明或有色热熔塑料来说吸收率比较低，激光穿过这些材料时能量损失很少。焊接时叠加在一起的上下两层材料需要满足一定的要求:上层材料为透射区，对于焊接所采用的激光应具有较高的透过率；而下层材料为热作用区，需要对激光具有较高的吸收率。满足了以上的两个条件就可以保证激光以较少的能量损耗透过上层材料到达下层材料的表面，由于下层材料具有较高的吸收率，激光在两层材料的结合面处被吸收并产生热量，使得该处的塑料熔化，在适当压力作用下发生二次聚合，这样冷却后在上下两层材料之间形成焊缝而使它们连结在一起。
图1激光透射焊接原理
3 激光塑料焊接优势和特点
伴随着塑料材料和激光设备的进步，塑料焊接逐渐成为激光焊接的一个新兴的、充满希望的应用领域。在某些应用中，激光塑料焊接比传统的超声波焊接、振动焊接、热平板焊接
等工艺更具成本和性能方面的优势，详见表1。
相对于超声波和振动焊接
的优点相对于热板和热气焊接
的优点
相对于热塑和胶连接
的优点
机械应力低；不损伤表面；无焊渣；工具费用低。
热应力低；
无溅射、毛刺少；
生产周期短；
机器和工具费用低。
无需额外材料；
过程控制容易；
焊接质量高、稳定；
生产周期短。
激光焊接塑料技术主要有以下几方面的优点【1】：
(1)焊缝尺寸精密、牢固、不透气不漏水，焊接表面完好无损；
(2)在焊接过程中树脂降解少、产生碎屑少，符合食品医药行业要求；
(3)与其他熔接方法比较，极大地减小了制品的振动应力和热应力；
(4)能够将多种类不同的塑料材料焊接在一起(其他焊接方法有较大限制)；
(5)易于控制，擅长焊接具有复杂外形(甚至是三维)的制品；
(6)能够焊接其他方法不易达到的区域。
4 激光塑料焊接需要考虑的几个问题
4.1 激光波长的选择
激光塑料透射焊接通常使用近红外波段的激光作为光源，包括半导体激光(波长808nm-980nm) 、Nd ： YAG激光(波长1064nm)和近年来发展势头比较迅猛的光纤激光(波长1050nm-1500nm )等，这些波段的激光在热熔塑料中均具有良好的透过率，而且可以和光纤耦合，传输光路比较简单，可以通过将聚焦头安装在机器人手臂上来实现数控精密焊接。
对于波长处于10.6μm波段的二氧化碳激光，由于塑料材料对其具有较高的吸收率，所以它的焊接过程属于热传导焊接，塑料材料对它的吸收由表及里，逐步深入，因此二氧化碳激光只适合用于焊接较薄的薄膜材料，当焊接材料具有一定厚度时，二氧化碳激光将两层材料熔合在一起的同时也会使得表层材料被熔化，造成过熔甚至碳化，焊缝形态和质量都不高。
4.2 对塑料材料的要求
塑料材料可以分为热塑性塑料和热固性塑料两大类，对于热塑性塑料来说，可以采用常规塑料焊接（振动、超声波、热板)的方式来连接，所以理论上，所有热塑性塑料都能够被激光焊接。
由于采用的是激光透射焊接原理，所以对于需要焊接的热熔塑料材料应满足一定的透过率要求，一般说来，当上层透过材料对近红外线激光的透过率高于50%，下层热作用区材料透过率低于20%时，激光塑料焊接会获得较好的效果【2】。
4.3 吸收剂的使用
吸收剂的使用是塑料激光焊接工艺中非常重要的工艺。当底层热作用区塑料材料对红外激光透过率太高而不能吸收足够多的激光能量时，会影响到焊缝的形成和强度。此时需要借助吸收剂来提高吸收率，来获得理想的焊接效果。吸收剂既可以在注塑时同步加入到材料中，也可以灵活地喷涂或印刷在焊件的接触面上。
碳黑是最常用的理想吸收剂，它能够将红外波长的激光能量基本全部吸收，从而大大提高塑料的热吸收效果，使得热作用区的材料融化更快、效果更好。但是当焊件为透明或有色材料时，如果采用将碳黑涂抹在焊件接触面的方式，焊缝颜色会变深，与母材颜色反差较大，不够美观。
英国焊接学会（TWI)研制出了一种叫做Clearweld的染料吸收剂，使用它作为吸收涂层来焊接透明或有色材料时可以得到透明的焊缝【3】，因而焊接成品看起来美观精致。相对碳黑吸收剂，这种可以形成透明焊缝的吸收剂更受青睐，它也代表了吸收剂的研究发展趋势。
4.4 焊接的工艺参数
激光塑料焊接涉及的工艺参数主要有激光功率、焊接速度、光斑直径、夹具压力等，这些参数要结合焊接材料的物理化学特性来筛选优化，合理搭配，才能获得理想的焊接强度和效果。
5 激光塑料焊接的典型应用
5.1 汽车进气歧管激光焊接
发动机进气歧管（AIM）（见图2）是汽车动力系统主要部件之一，传统材料为铸铝。从20世纪80年代起，制造塑料AIM成为一种趋势。塑料进气歧管管壁光滑、气流阻力小、进气效率高、质量轻，因而提高了发动机性能和燃料利用率，目前已被广泛使用。
图2 汽车发动机进气歧管
塑料AIM最初采用去芯成型法来制造，产品为整体式结构，采用的是BASF公司研制的尼龙树脂。由于去芯成型法的成功研制，AIM塑化的进展不断加快【4】。
去芯法制造塑料AIM的工艺与铸铝AIM的铸造工艺相似，虽然成本相对便宜，但还是具有设备投入大、成型工艺复杂、生产效率低等局限性，因而逐渐被低成本的Multi-shell 方法超过【5】。Multi-shell方法将AIM分成两块或多块来注塑成型，然后采用焊接的方法将各部件相焊接组合在一起，这使得注塑周期和成本大大降低，逐渐成为塑料AIM制造的主要方法。
目前塑料AIM焊接主要采用振动焊接的方法，它具有焊接速度快、成本低、质量好等优点，但是在工艺上要求所有焊缝都处于同一平面之上，从而大大限制了设计师的思路。
随着激光焊接工艺在塑料材料领域的应用，尤其是看到激光塑料焊接可以克服振动焊接工艺对AIM设计上的限制，非常适用于制造复杂结构和形状的AIM后，许多厂家都在投入精力研发适合激光焊接的尼龙材料。例如德国拜耳公司推出3个可激光焊接黑色玻纤增强尼龙6牌号；杜邦公司开发出激光焊接尼龙66配混料；而BASF公司开发出尼龙6配混料。这些材料都可以满足激光塑料焊接对透射率的特殊要求，使得塑料AIM激光焊接取得了很大的进展。
激光焊接法与振动焊接法相比，除了可以制取结构和形状更复杂的AIM外，由于成型条件温和，产品在高温条件(150℃)下仍可以保持较好的焊接强度，而且制品表面没有焊珠，空气流过时不会产生涡流。此外还具有焊接质量好、强度高、残余应力小、不产生翘曲和粉料、容易实现自动化等一系列优点。凭借着独特的优势，激光焊接技术逐渐成为新型塑料AIM制造的重要焊接手段。
5．2 汽车尾灯激光焊接
汽车的尾灯是一个重要的功能器件，随着汽车工业的进步，汽车的外观设计也越来越受到重视。为了保持车灯外观的美观，要求车灯的灯座和灯盖之间密封性好，强度高，焊接线不能被看出来，而且不能改变透明材料的颜色和通透性，对于这些要求，常规的热板焊接、振动焊接等方法无法实现，而激光塑料焊接的特点则可以满足这些要求。
一般来说，用于激光焊接的汽车尾灯灯座由添加了吸收剂的有色丙烯腈一丁二烯一苯乙烯(ABS)树脂组成，它对红外激光具有较高的吸收率。灯盖采用对红外激光具有高透过率，并添加了红色颜料的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)透明材料。在施加了一定压力的情况下，激光可以很好的将二者焊接在一起，而且焊接效率高，焊接质量稳定，无气泡裂纹，表层灯盖的光学性能不受影响，焊缝轨迹很难看得出来。
由于车灯外形的复杂性，对其进行激光焊接的设备需要具有三维焊接的能力，所以一般采用机器人来作为焊接轨迹运动的执行机构(如图3)，激光通过光纤传输到焊接区，这样的配置具有非常好的柔性，而且自动化程度高，适合在线批量化生产。
图3 Leister公司Globo焊接系统焊接尾灯
5．3 传感器激光封装
传感器在自动化设备、检测仪器以及各种监控现场的应用越来越广泛。一般来说，传感器内部拥有精细的电路和敏感的传感原件，然而它工作的环境通常比较复杂和恶劣(高温、高湿、粉尘、腐蚀性等)，为了杜绝这些因素对传感器的损害，采用密闭的外壳对其保护是非常必要的。
对于传感器封装来说，焊接密封效果最好，也是最常用的封装方法。而拥有绝缘性、耐腐蚀、耐高温、抗冲击、防潮等特性的塑料功能材料常常作为防护外壳的首选。
高端的传感器对塑料外壳焊接封装的技术要求比较高，随着激光塑料焊接技术的发展，传感器外壳封装逐渐成为该项技术的重要应用，非接触式的激光焊接不产生振动，用于产生热量的激光能量也可以灵活控制，所以采用激光焊接可以克服振动焊接时的高频振动以及热板焊接时的热源对传感器内部器件造成损害的现象，大大地提高传感器生产成品的合格率和性能。
图4是一款应用于自动变速箱的线性选择距离传感器，安装在油箱和档位控制器附近，现场环境恶劣，因此其外壳的焊接是个特别挑战，必须确保其密封性终生可靠。在细致评估了各种焊接方法后，最终选择了激光焊接的封装方法。考虑到变速箱环境条件，外壳材料选择了GF25％的PA6／6T。下面壳体添加了碳黑以吸收激光，而上面盖子是本色PA6／6T以便激光透过。
图4 应用激光焊接技术封装的传感器
6 结束语
激光塑料焊接作为一种新兴的塑料焊接技术，以其独特的技术优势和特点弥补了常规塑料连接手段的不足，从而使这项高新技术在塑料材料高品质、高附加值加工领域获得了一席
之地，伴随着激光加工设备的不断发展以及配套塑料材料供应渠道的建立和完善，激光塑料焊接技术必然会获得越来越大的发展。
参考文献
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用激光，2006(4)：93—96．
【3】Hartley S．，Sallavanti R．A．Clearweld laser Transmission Welding of Thermoplastics Polymers：Light Transmission and Color Considerations [J]．Proc SPIE，2002(483)：63-68．
【4】旧桥章．K2001しポートーI[J].プラチックスエージ.2002，48(3)：119．
【5】唐伟家，吴汾．汽车进气歧管用塑料及其成型方法 [J]．汽车工艺与材料，2004(10)：39-42.
激光焊接的工作原理及其主要工艺参数(精)
激光焊接的工作原理及其主要工艺参数 目前常用的焊接工艺有电弧焊、电阻焊、钎焊、电子束焊等。电弧焊是目前应用最广泛的焊接方法，它包括手弧焊、埋弧焊、钨极气体保护电弧焊、等离子弧焊、熔化极气体保护焊等。但上述各种焊接方法都有各自的缺点，比如空间限制，对于精细器件不易操作等，而激光焊接不但不具有上述缺点，而且能进行精确的能量控制，可以实现精密微型器件的焊接。并且它能应用于很多金属，特别是能解决一些难焊金属及异种金属的焊接。 激光指在能量相应与两个能级能量差的光子作用下，诱导高能态的原子向低能态跃迁，并同时发射出相同能量的光子。激光具有方向性好、相干性好、单色性好、光脉冲窄等优点。激光焊接是利用大功率相干单色光子流聚焦而成的激光束为热源进行的焊接，这种焊接通常有连续功率激光焊和脉冲功率激光焊。激光焊接从上世纪60年代激光器诞生不久就开始了研究，从开始的薄小零器件的焊接到目前大功率激光焊接在工业生产中的大量的应用，经历了近半个世纪的发展。由于激光焊接具有能量密度高、变形小、热影响区窄、焊接速度高、易实现自动控制、无后续加工的优点，近年来正成为金属材料加工与制造的重要手段，越来越广泛地应用在汽车、航空航天、造船等领域。虽然与传统的焊接方法相比，激光焊接尚存在设备昂贵、一次性投资大、技术要求高的问题，但激光焊接生产效率高和易实现自动控制的特点使其非常适于大规模生产线。 2. 激光焊接原理 2.1激光产生的基本原理和方法 光与物质的相互作用，实质上是组成物质的微观粒子吸收或辐射光子。微观粒子都具有一套特定的能级，任一时刻粒子只能处在与某一能级相对应的状态，物质与光子相互作用时，粒子从一个能级跃迁到另一个能级，并相应地吸收或辐射光子。光子的能量值为此两能级的能量差△E，频率为ν=△E/h。爱因斯坦认为光和原子的相互作用过程包含原子的自发辐射跃迁、受激辐射跃迁和受激吸收跃迁三种过程。我们考虑原子的两个能级E1和E2，处于两个能级的原子数密度分别为N1和N2。构成黑体物质原子中的辐射场能量密度为ρ，并有E2 -E1=hν。 2.1.自发辐射 处于激发态的原子如果存在可以接纳粒子的较低能级，即使没有外界作用，粒子也有一定的概率自发地从高能级激发态（E2）向低能级基态（E1）跃迁，同时辐射出能量为（E2-E1）的光子，光子频率ν=（E2-E1）/h。这种辐射过程称为自发辐射。自发辐射发出的光，不具有相位、偏振态上的一致，是非相干光。 2.2.受激辐射 除自发辐射外，处于高能级E2上的粒子还可以另一方式跃迁到较低能级。当频率为ν=（E2-E1）/h的光子入射时，也会引发粒子以一定的概率，迅速地从能级E2跃迁到能级E1，同时辐射一个与外来光子频率、相位、偏振态以及传播方向都相同的光子，这个过程称为受激辐射。 2.3.受激吸收 受激辐射的反过程就是受激吸收。处于低能级E1的一个原子，在频率为的辐射场作用下吸收一个能量为hν的光子，并跃迁至高能级E2，这种过程称为受激吸收。自发辐射是不相干的，受激辐射是相干的。 由受激辐射和自发辐射的相干性可知，相干辐射的光子简并度很大。普通光源在红外和可见光波段实际上是非相干光源。如果能够创造这样一种情况：使得腔内某一特定模式的ρ很大，而其他所有模式的都很小，就能够在这一特定模式内形成很高的光子简并度，使相干
几种焊接的优缺点
钨极氩弧焊得优缺点 1钨极氩弧焊得优点: ①氩气能有效得隔绝空气,本身又不溶于金属,不与金属反应,施焊过程中 电弧还能自动清除熔池表面氧化膜得作用,因此,可成功得焊接易氧化、 氮化、化学活泼性得有色金属,不锈钢与各种合金。 ②钨极电弧稳定,几十在很小得焊接电流(小于10A)下仍可稳定得燃烧,特 别适合用于薄板,超薄材料得焊接。 ③热源与填充焊丝可分别控制,因而热输入容易调节,可进行各种位置得焊 接,也就是实现单面焊双面成型得理想方法。 ④由于填充焊丝熔滴不通过电弧,所以不会产生飞溅,焊缝成型美观。 2钨极氩弧焊得缺点 ①焊缝熔深浅,熔敷速度小,生产率较低。 ②钨极承载电流较差,过大得电流会引起钨极融化与蒸发,其微粒有可能进 入熔池,造成污染(夹钨)。 ③惰性气体(氩气、氮气)较贵,与其她电弧焊方法(如手弧焊、埋弧焊、二氧 化碳气体保护焊等)相比,生产成本较高。 注:脉冲钨极氩弧焊适宜于焊接薄板,特别就是全位置对接焊。钨极氩弧焊一般只适用于焊接厚度小于6mm得焊件。 二:熔化极氩弧焊得特点: ①与TIG焊一样,几乎可焊接所有得金属,尤其适合于焊接铝及铝合金、铜 及铜合金以及不锈钢等材料。 ②由于焊丝作电极,可采用高密度电流,因而母材熔深大,填充金属熔敷速 度快,用于焊接厚铝板,铜等金属时生产率比TIG焊高,焊接变形比TIG 小。 ③熔化极氩弧焊可直流反接,焊接铝及其合金有着很好得阴极雾化作用。 ④熔化极氩弧焊焊接铝及其合金时,亚射流电弧得固有调节作用比较显 著。 三:MIG焊得特点:(MIG焊通常采用惰性气体(氩、氦或其混合气体))作焊接 区得保护气体。 MIG焊得优点: ①惰性气体几乎不与任何金属产生化学作用,也不溶于金属中,所以几乎 可以焊接所有金属。 ②焊丝外表没有涂料层,焊接电流可提高,因而母材熔深较大,焊丝熔化速 度快,熔敷率高,与TIG(Tungsten Inert Gas Arc Welding )焊相比,其生产 效率高。 ③熔滴过渡主要采用射流过渡。短路过渡仅限于薄板焊接时采用,而滴状 过渡在生产中很少采用。焊接铝、镁及其合金时,通常就是采用亚射流 过渡,因阴极雾化区大,熔池保护效果好,且焊缝成形好、缺陷少。 ④若采用短路过渡或脉冲焊接方法,可以进行全位置焊接,但其焊接效率 不及平焊与横焊。 ⑤一般都采用直流反接,这样电弧稳定、熔滴过渡均匀与飞溅少,焊缝成形
激光焊接的工作原理及其主要工艺参数
激光焊接的工作原理及其主要工艺参数摘要：焊接技术主要应用在金属母材热加工上，常用的有电弧焊，电阻焊，钎焊， 电子束焊，激光焊等多种，本文详细介绍了激光焊接的工作原理与工艺参数，还讨论了激光焊接技术在现代工业中的应用，并与其他焊接方法进行对比。研究表明激光焊接技术将逐步得到广泛应用。 关键词：焊接技术；激光焊接；工作原理；工艺参数。 1. 引言 目前常用的焊接工艺有电弧焊、电阻焊、钎焊、电子束焊等。电弧焊是目前应用最广泛的焊接方法，它包括手弧焊、埋弧焊、钨极气体保护电弧焊、等离子弧焊、熔化极气体保护焊等。但上述各种焊接方法都有各自的缺点，比如空间限制，对于精细器件不易操作等，而激光焊接不但不具有上述缺点，而且能进行精确的能量控制，可以实现精密微型器件的焊接。并且它能应用于很多金属，特别是能解决一些难焊金属及异种金属的焊接。 激光指在能量相应与两个能级能量差的光子作用下，诱导高能态的原子向低能态跃迁，并同时发射出相同能量的光子。激光具有方向性好、相干性好、单色性好、光脉冲窄等优点。激光焊接是利用大功率相干单色光子流聚焦而成的激光束为热源进行的焊接，这种焊接通常有连续功率激光焊和脉冲功率激光焊。激光焊接从上世纪60年代激光器诞生不久就开始了研究，从开始的薄小零器件的焊接到目前大功率激光焊接在工业生产中的大量的应用，经历了近半个世纪的发展。由于激光焊接具有能量密度高、变形小、热影响区窄、焊接速度高、易实现自动控制、无后续加工的优点，近年来正成为金属材料加工与制造的重要手段，越来越广泛地应用在汽车、航空航天、造船等领域。虽然与传统的焊接方法相比，激光焊接尚存在设备昂贵、一次性投资大、技术要求高的问题，但激光焊接生产效率高和易实现自动控制的特点使其非常适于大规模生产线。 2. 激光焊接原理 2.1激光产生的基本原理和方法 光与物质的相互作用，实质上是组成物质的微观粒子吸收或辐射光子。微观粒子都具有一套特定的能级，任一时刻粒子只能处在与某一能级相对应的状态，物质与光子相互作用时，粒子从一个能级跃迁到另一个能级，并相应地吸收或辐射光子。光子的能量值为此两能级的能量差△E，频率为ν=△E/h。爱因斯坦认为光和原子的相互作用过程包含原子的自发辐射跃迁、受激辐射跃迁和受激吸收跃迁三种过程。我们考虑原子的两个能级E1和E2，处于两个能级的原子数密度分别为N1和N2。构成黑体物质原子中的辐射场能量密度为ρ，并有E2 -E1=hν。 2.1.自发辐射 处于激发态的原子如果存在可以接纳粒子的较低能级，即使没有外界作用，粒子也有一定的概率自发地从高能级激发态（E2）向低能级基态（E1）跃迁，同时辐射出能量为（E2-E1）的光子，光子频率ν=（E2-E1）/h。这种辐射过程称为自发辐射。自发辐射发出的光，不具有相位、偏振态上的一致，是非相干光。 2.2.受激辐射 除自发辐射外，处于高能级E2上的粒子还可以另一方式跃迁到较低能级。当频率为ν=（E2-E1）/h的光子入射时，也会引发粒子以一定的概率，迅速地从能级E2跃迁到能级E1，同时辐射一个与外来光子频率、相位、偏振态以及传播方向都相同的光子，
激光焊接技术应用及发展趋势
激光焊接技术应用及其发展趋势 摘要：本文论述了激光焊接工艺的特点、激光焊接在汽车工业、微电子工业、生物医学等领域的应用以及研究现状，激光焊接的智能化控制，论述激光焊接需进一步研究与探讨的问题。关键词：激光焊接；混合焊接；焊接装置；应用领域 引言 激光焊接是激光加工材料加工技术应用的重要方面之一。70年代主要用于焊接薄壁材料和低速焊接，焊接过程属于热传导型，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。由于激光焊接作为一种高质量、高精度、低变形、高效率和高速度的焊接方法，随着高功率CO2和高功率的Y AG激光器以及光纤传输技术的完善、金属钼焊接聚束物镜等的研制成功，使其在机械制造、航空航天、汽车工业、粉末冶金、生物医学微电子行业等领域的应用越来越广。目前的研究主要集中于C02激光和YAG激光焊接各种金属材料时的理论，包括激光诱发的等离子体的分光、吸收、散射特性以及激光焊接智能化控制、复合焊接、激光焊接现象及小孔行为、焊接缺陷发生机理与防止方法等，并对镍基耐热合金、铝合金及镁合金的焊接性，焊接现象建模与数值模拟，钢铁材料、铜、铝合金与异种材料的连接，激光接头性能评价等方面做了一定的研究。 一、激光焊接的质量与特点 激光焊接原理：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，金属吸收激光转化为热能使金属熔化后冷却结晶形成焊接。图1显示在不同的辐射功率密度下熔化过程的演变阶段[2]，激光焊接的机理有两种： 1、热传导焊接 当激光照射在材料表面时，一部分激光被反射，一部分被材料吸收，将光能转化为热能而加热熔化，材料表面层的热以热传导的方式继续向材料深处传递，最后将两焊件熔接在一起。 2、激光深熔焊 当功率密度比较大的激光束照射到材料表面时，材料吸收光能转化为热能，材料被加热熔化至汽化，产生大量的金属蒸汽，在蒸汽退出表面时产生的反作用力下，使熔化的金属液体向四周排挤，形成凹坑，随着激光的继续照射，凹坑穿人更深，当激光停止照射后，凹坑周边的熔液回流，冷却凝固后将两焊件焊接在—起。 这两种焊接机理根据实际的材料性质和焊接需要来选择，通过调节激光的各焊接工艺参数得到不同的焊接机理。这两种方式最基本的区别在于：前者熔池表面保持封闭，而后者熔池则被激光束穿透成孔。传导焊对系统的扰动较小，因为激光束的辐射没有穿透被焊材料，所以，在传导焊过程中焊缝不易被气体侵入；而深熔焊时，小孔的不断关闭能导致气孔。传导焊和深熔焊方式也可以在同一焊接过程中相互转换，由传导方式向小孔方式的转变取决于施加于工件的峰值激光能量密度和激光脉冲持续时间。激光脉冲能量密度的时间依赖性能够使激光焊接在激光与材料相互作用期间由一种焊接方式向另一种方式转变，即在相互作用过程中焊缝可以先在传导方式下形成，然后再转变为小孔方式。 1、激光焊接的焊缝形状 对于大功率深熔焊由于在焊缝熔池处的熔化金属，由于材料的瞬时汽化而形成深穿型的圆孔空腔，随着激光束与工件的相对运动使小孔周边金属不断熔化、流动、封闭、凝固而形成连续焊缝，其焊缝形状深而窄，即具有较大的熔深熔宽比，在高功率器件焊接时，深宽比可达5：l，最高可达10：1。图2显示四种焊法在316不锈钢及DUCOLW30钢上的焊缝截面形
激光焊接工艺参数
激光焊接原理与主要工艺参数 1．激光焊接原理 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。下面重点介绍激光深熔焊接的原理。 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 0C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。 2. 激光深熔焊接的主要工艺参数 1)激光功率。激光焊接中存在一个激光能量密度阈值，低于此值，熔深很浅，一旦达到或超过此值，熔深会大幅度提高。只有当工件上的激光
激光焊接文献综述
文献综述 激光焊接是激光加工材料加工技术应用的重要方面之一。70年代主要用于焊接薄壁材料和低速焊接，焊接过程属于热传导型，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。由于激光焊接作为一种高质量、高精度、低变形、高效率和高速度的焊接方法，它已成功地应用于微小型零件焊接中。 随着高功率CO2和高功率的YAG激光器以及光纤传输技术的完善、金属钼焊接聚束物镜等的研制成功，使其在机械制造、航空航天、汽车工业、粉末冶金、生物医学微电子行业等领域的应用越来越广，开辟了激光焊接的新领域。目前的研究主要集中于C02激光和YAG激光焊接各种金属材料时的理论，包括激光诱发的等离子体的分光、吸收、散射特性以及激光焊接智能化控制、复合焊接、激光焊接现象及小孔行为、焊接缺陷发生机理与防止方法等，并对镍基耐热合金、铝合金及镁合金的焊接性，焊接现象建模与数值模拟，钢铁材料、铜、铝合金与异种材料的连接，激光接头性能评价等方面做了一定的研究。 所有的研究大大地扩大了其应用的领域范围，主要应用于：制造业应用、粉末冶金领域、汽车工业、电子工业、生物医学、其他领域如对BT20钛合金、HEl30合金、Li-ion电池等激光焊接。 激光焊接主要是通过高能激光脉冲来实现的。激光电源首先把脉冲氙灯点着。激光电源对氙灯脉冲放电，形成一定频率，一定脉宽的光波，该光波经过聚光腔辐射到Nd3+ YAG激光晶体上，激发Nd3+YAG激光晶体发光，再经过激光谐振腔谐振之后，发出波长为1.06um脉冲激光，该脉冲激光经过扩束、反射、聚焦后打在所要焊接的物体上;在计算机系统控制下，移动数控工作台，从而完成焊接。焊接时需要的脉冲激光频率、脉宽、工作台速度、移动方向等通过计算机来控制。通过对机关电源的频率、脉宽的不同设定可调节控制脉冲激光的能量。 这里的脉冲激光焊机主要由激光电源、PC数控系统、光学系统、冷却系统、CCD监视系统及吹起装置等组成。 激光焊接的特点是被焊接工件变形极小，几乎没有连接间隙，焊接深度/宽度比高，因此焊接质量比传统焊接方法高。但是，如何保证激光焊接的质量，也就是激光焊接过程监测与质量控制是一个激光利用领域的重要内容，包括利用电感、电容、声波、光电等各种传感器，通过电子计算机处理，针对不同焊接对象和要求，实现诸如焊缝跟踪、缺陷检测、焊缝质量监测等项目，通过反馈控制调节焊接工艺参数，从而实现自动化激光焊接。在激光焊接中，光束焦点位置是最关键的控制工艺参数之一，在一定激光功率和焊接速度下，只有焦点处于最佳位置范围内才能获得最大熔深和好的焊缝形状。在实际激光焊接中，为了避免和减少影响焦点位置稳定性的因素，需要专门的夹紧和设备技术，这种设备的精确程度与激光焊接的质量高低是相辅相成的。 与其它传统焊接技术相比，激光焊接的主要优点是：
光器件激光焊接基础
激光焊接技术简介 2017-8-1 激光—全称为受激辐射光放大，它是一种新光源，其所具有的相干性、单色性、方向性与高输出功率等特点，是其它光源所无法比拟的。激光焊接是通过光学系统将激光光束聚集在很小的区域，焦平面上的功率密度可达到10×10w/cm2，在极短的时间内，使被焊处形成一个能量高度集中的局部热源区，从而使被焊物熔化并形成牢固的焊点或焊缝。 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104~105W/ cm2为热传导焊，此时熔深浅、焊接速度慢；功率密度大于105~107W/ 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。 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。 激光深熔焊接的原理。 激光深熔焊接原理：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25000C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。激光的空间控制性和时间控制性很好，对加工对象的材料、形状、尺寸和加工环境的自由度都很大，特别适用于自动化加工。近年来，几乎所有的电子产品，如电脑、电视机、手机、数码相机以及许多电子元器件等，在生产制造中都不同程度地应用了激光焊接技术。 激光焊接设备 用于光器件封装的激光焊接设备主要有单光束焊接、三光束焊接和四光束焊接三种焊接设备，也有个别公司有用到双光束焊接设备，下面就谈谈这四种焊接的设备。 单光束激光焊机：顾名思义，单光束焊机每次焊接只有一束激光，在没有焊接时激光焊机会有一束红色的指示光束，此指示光束就是焊接时激光的前进路线。基本每台单光束焊机都配有一个显微镜，通过显微镜，可以清晰地观察到红色指示光束光斑聚焦在需要焊接的点上，
激光焊接技术的研究现状与展望
目录 目录 (1) 摘要 (2) 引言 (2) 1 采用激光技术的焊接工艺 (3) 1.1 激光焊接的模式 (3) 1.2 激光焊接的焊缝形状及组织性能 (3) 1.3 激光焊接的优缺点 (3) 2 国内外激光焊接的研究现状 (4) 2.1 激光器的研究现状 (4) 2.2 等离子体控制的研究现状 (5) 2.3 焊接过程自动检测的研究现状 (5) 参考文献 (6)
激光焊接技术的研究现状与展望 摘要 激光技术在制造业中的应用是目前各国的研究重点, 随着工业发展对高效、环保、自动化的需要, 激光技术的应用迅速普及制造业的许多领域。在此基础上, 激光焊接工艺将成为激光应用的重要方面之一。本文概述了激光焊接的发展现状, 简单介绍了采用激光技术进行焊接的基本原理及其优缺点。详细描述了激光器的研发、等离子体控制、焊接过程的自动化检测和各种先进激光焊接技术。通过介绍激光焊接在具体领域( 如汽车业、造船业等) 的应用, 充分说明激光技术在焊接制造中的优越性, 并对激光焊接的发展前景做了具体的展望。 引言 激光焊接是激光加工技术应用的重要内容, 更是21世纪最受瞩目、最有发展前景的焊接技术。早在上世纪末, 欧美各国就已把激光焊接充分应用到工业生产中, 我国在加快对激光焊接技术的研究与开发的同时, 逐步建立起一个“产、学、研”相结合的发展体制, 并在个别领域有了较大的突破。随着工业制造的发展, 高效、敏捷、环保的加工技术将倍受青睐。激光焊接以其高能束的聚焦方式, 在焊接过程中能实现深熔焊、快速焊等其他焊接工艺较难实现的形式, 特别是激光焊接设备搭配灵活, 实时在线检测技术成熟, 使其能够在大批量生产中实现高度自动化, 目前已有大量的激光焊接生产线投入工业生产。实践证明, 激光焊接在加工业的应用范围十分广泛, 基本上传统焊接工艺可以使用的领域, 激光焊接都能胜任,并且焊接质量更高, 加工效率更快。
激光焊接的未来与前景
激光焊接的未来与前景 激光焊接前景 摘要：焊接是一种将材料永久连接，并成为具有给定功能结构的制造技术。近几年中国完成的一些标志性工程来看，焊接技术发挥了重要作用。但传统焊接已不能满足越来越高的技术要求和条件限制，激光焊接便有了很大的发展空间。激光技术涉及材料学、力学、计算机科学等。研发是一个消耗的过程，其投入要求高，资金回收期较长。单靠企业研发，速度很难跟上，于是有一部分压力转移到国家科研机构。所以产业化需要强大的经济实体后盾和政策支持。 关键词：焊接技术关键制造工艺激光焊接产业化 焊接是一种将材料永久连接，并成为具有给定功能结构的制造技术。几乎所有的产品，从几十万吨巨轮到不足1克的微电子元件，在生产制造中都不同程度地应用焊接技术。焊接已经渗透到制造业的各个领域，直接影响到产品的质量、可靠性和寿命以及生产的成本、效率和市场反应速度。中国2005年钢产量达到3．49亿吨，成为世界最大的钢材生产与消费国，而焊接结构的用钢量也突破1．3亿吨，相当于美国一年的钢产量，成为世界上空前最大的焊接钢结构制造国。近几年中国完成的一些标志性工程来看，焊接技术发挥了重要作用。例如三峡水利枢纽的水电装备就是一套庞大的焊接系统，包括导水管、蜗壳、转轮、大轴、发电机机座等，其中马氏体不锈钢转轮直径10．7m 高5．4m 重440t，为世界最大的铸－焊结构转轮。该转轮由上冠、下环和13或15个叶片焊接而成，每个转轮的焊接需要用12t焊丝，耗时4个多月。神舟6号飞船的成功发射与回收，标志着中国航天事业的巨大进步，其中两名航天员活动的返回舱和轨道舱都是铝合金的焊接结构，而焊接接头的气密性和变形控制是焊接制造的关键。由第一重型机械集团为神华公司制造的中国第一个煤直接液化装置的加氢反应器，直径5．5m 长62m 厚337mm 重2060t，为当今世界最大、最重的锻－焊结构加氢反应器，采用国内自主知识产权的全自动双丝窄间隙埋弧焊技术，每条环焊缝需连续焊接5天。西气东输的管线长4000km，是中国第一条高强钢（X70）大直径长输管线，所用的螺旋钢管和直缝钢管全部是板－焊形式的焊接管。2005年我国造船的总吨位达到1212万吨，占世界造船总量的17％，居于日、韩之后，稳居世界第三位，正向年产2500万吨的世界水平迈进。国内制造的30万吨超级油轮、新型5668标箱集装箱船、15万吨散装货船，以及为世界瞩目的，被称为“中华第一盾”的170舰，都是中国造船界的骄傲，船体是典型的板－焊结构。另外，上海中泸浦大桥是世界最长的全焊钢拱桥；国家大剧院的椭球型穹顶是世界最重的钢结构穹顶；奥林匹克主体育场的鸟巢式钢结构重4万多吨，也是世界之最。这些大型结构都是中国焊接制造的最大、最重、最长、最高、最厚、最新的具有代表性的重要产品。由此可见，焊接在国民经济发展和国防建设中具有非常重要的地位和作用。从“十一五”规划的二十项国家重大技术装备的研制项目可以看出，在百万千瓦级核电机组、超超临界火力发电机组成套设备、高水头超大容量水电机组、大型抽水蓄能机组、30～60万瓦级循环硫化床（CFB）锅炉的成套技术装备、百万吨级大型乙烯成套设备、百万吨级大型对苯二甲酸成套设备、大型煤制气成套设备以及大型煤矿综合采掘成套技术与装备中，焊接制造都是关键制造工艺之一。 但传统焊接已不能满足越来越高的技术要求和条件限制，激光焊接便有了很大的发展空间。
激光焊接技术
激光焊接技术 激光焊接技术属于熔融焊接，以激光束为能源，冲击在焊件接头上。 目录 1基本信息 2激光焊接的优势 3工艺参数 ?激光功率 ?光束焦斑 ?功率控制 4优缺点 5应用 6混合焊接优势 1基本信息 激发电子或分子使其在转换成能量的过程中产生集中且相位相同的光束，Laser来自Light Amplification by Stimulated Emission Radiation的第一个字母所组成。 由光学震荡器及放在震荡器空穴两端镜间的介质所组成。介质受到激发至高能量状态时，开始产生同相位光波且在两端镜间来回反射，形成光电的串结效应，将光波放大，并获得足够能量而开始发射出激光。激光亦可解释成将电能、化学能、热能、光能或核能等原始能源转换成某些特定光频（紫外光、可见光或红外光的电磁辐射束的一种设备。转换形态在某些固态、液态或气态介质中很容易进行。当这些介质以原子或分子形态被激发，便产生相位几乎相同且近乎单一波长的光束-----激光。由于具同相位及单一波长，差异角均非常小，在被高度集中以提供焊接、切割及热处理等功能前可传送的距离相当长。 世界上的第一个激光束于1960年利用闪光灯泡激发红宝石晶粒所产生，因受限于晶体的热容量，只能产生很短暂的脉冲光束且频率很低。虽然瞬间脉冲峰值能量可高达10^6瓦，但仍属于低能量输出。使用钕（ND）为激发元素的钇铝石榴石晶棒（Nd:YAG）可产生1---8KW的连续单一波长光束。YAG激光，波长为1.06uM，可以通过柔性光纤连接到激光加工头，设备布局灵活，适用焊接厚度0.5-6mm。使用CO2为激发物的CO2激光（波长10.6uM），输出能量可达25KW，可做出2mm板厚单道全渗透焊接，工业界已广泛用于金属的加工上。 早期的激光焊接研究实验大多数是利用红宝石脉冲激光器，当时虽然能够获得较高的脉冲能量，但是这些激光器的平均输出功率相当低，这主要是由激光器很低的工作效率和发光物质的受激性所决定的。激光焊接主要使用CO2激光器和YAG激光器，YAG激光器由于具有较高的平均功率，在它出现之后就成为激光点焊和激光缝焊的优选设备。激光焊接与电子束焊接
激光焊接技术的应用及发展
科技文献检索作业 题目：激光焊接技术的应用及发展班级： 姓名： 学号：
激光焊接技术的应用及发展 高伟 （沈阳工业大学材料科学与工程学院辽宁沈阳） 摘要：激光焊接作为一种新型的焊接方法，已经在越来越多的领域得到广泛的应用。本文对激光焊接技术的概况、国内外激光焊接技术的研究现状、激光焊接技术的应用、激光焊接技术的发展等方面进行了综述。希望对激光焊接技术的应用和发展有一个比较全面的了解。 关键字：激光焊接技术应用领域发展 Abstract: As a new technology, laser welding is widely applied in mangy fields. The general situation of laser welding technology, the research situation of domestic and foreign laser welding technology, application of laser welding technology and the development tend of laser welding technology are summaries in this paper. Through this paper we get a quite comprehensive understanding to the laser welding technology application and development. Key words: laser welding, application fields, development 引言 激光焊接作为一种新型的焊接技术已被广泛的应用于IT、医疗、电子、汽车、机械和航天等行业，为优质、高效、无污染和低成本的现代加工生产开辟了广阔的前景。由于具有很高的适应性、很强的加工能力以及更加先进的质量检测手段，激光焊接在许多行业已经逐步取代了一些传统的焊接技术。 1激光焊接技术的概况 目前激光焊接是激光工艺技术应用的核心内容,同样是目前大力发展的一种焊接技术。一些国外发达国家早已将激光焊接技术应用于工业生产方面,而国内在开发激光焊接技术的时候,州门还要拟定起一个匹配于我国工业的发展规划书。随着工业制造的持续发展,高效的加工技术将会是未来工业发展的必然趋势,而激光焊接则符合这一发展趋势。通过长期实践我们总结出,激光焊接在加工业的应用面非常宽,激光焊接术较之常规焊接技术其焊接品质更高,月加工更有效率。 激光焊接的特点是被焊接工件变形极小,焊接深度/宽度比高,热影响区小,因此焊接质量比传统焊接方法高,它们在工业上的应用越来越广泛。激光焊接还具有不受磁场的影响,不局限于导电材料,不需要真空的工作条件并且焊接过程中不产生X射线等优点。随着制造部
详解激光焊接技术
详解激光焊接技术 一、激光基本原理 1、LASER是什么意思 Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation(通过诱导放出实现光能增幅)的英语缩写。 2、激光产生的原理 激光——“受激辐射放大”是通过强光照射激光发生介质，使介质内部原子的电子获得能量，受激而使电子运动轨道发生迁移，由低能态变为高能态。处于激发态的原子，受外界辐射感应，使处于激发态的原子跃迁到低能态，同时发出一束光；这束光在频率、相位、传播方向、偏振等方面和入射光完全一致，此时的光为受激辐射光。为了得到高能量密度、高指向性的激光，必须要有封闭光线的谐振腔，使观光束在置于激光发生介质两侧的反射镜之间往复振荡，进而提高光强，同时提高光的方向。 含有钕（ND）的YAG结晶体发生的激光是一种人眼看不见的波长为1.064um 的近红外光。这种光束在微弱的受激发情况下，也能实现连续发振。YAG晶体是宝石钇铝石榴石的简称，具有优异的光学特性，是最佳的激光发振用结晶体。 3、滋光的主要特长 a、单色性―激光不是已许多不同的光混一合而成的，它是最纯的单色光（彼长、频率） b、方向性―橄光传播时基本不向外扩散。 c、相千性－－徽光的位相（波峰和波谷）很有规律，相干性好。 d、高输出功率一用透镜聚焦激光后，所得到的能量密度是太阳光的几百倍。 二、YAG激光焊接 激光焊接是利用激光束优异的方向性和高功么密度等特点进行工作。通过光学系统将激光束聚焦在很小的区域内，在极短的时间内使被焊处形成一个能量高度集中的热源区，从而使被焊物熔化并形成牢固的焊点和焊缝。 常用的激光焊接方式有两种：脉冲激光焊和连续激光焊。前者主要用于单点固定连续和薄件材料的焊接。后者主要用于大厚件的焊接和切割。
激光焊接技术的优缺点
激光焊接技术的优缺点 激光焊接的优缺点有哪些？激光焊接技术作为一项激光加工技术， 激光焊接的工作原理： 激光焊接技术的优缺点 （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。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。 (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
激光焊接工艺详解
激光焊接工艺详解 随着科学技术的发展，近年来出现了激光焊接。那么什么是激光焊接呢？激光焊接的特点与优点又有哪些呢？ 下图是激光焊接的工作原理： 首先，什么是激光？世界上的第一个激光束于1960年利用闪光灯泡激发红宝石晶粒所产生，因受限于晶体的热容量，只能产生很短暂的脉冲光束且频率很低。虽然瞬间脉冲峰值能量可高达106瓦，但仍属于低能量输出. 激光技术采用偏光镜反射激光产生的光束使其集中在聚焦装置中产生巨大能量的光束，假如焦点靠近工件，工件就会在几毫秒内熔化和蒸发，这一效应可用于焊接工艺高功率CO2及高功率YAG激光器的出现，开辟了激光焊接的新领域。激光焊接设备的关键是大功率激光器，主要有两大类，一类是固体激光器，又称Nd:YAG 激光器。Nd（钕）是一种稀土族元素，YAG代表钇铝柘榴石，晶体结构与红宝石相似。Nd:YAG激光器波长为1.06μm，主要优点是产生的光束可以通过光纤传送，因此可以省往复杂的光束传送系统，适用于柔性制造系统或远程加工，通常用于焊接精度要求比较高的工件。汽车产业常用输出功率为3-4千瓦的Nd:YAG激光器。另一类是气体激光器，又称CO2激光器，分子气体作工作介质，产生均匀为10.6μm的红外激光，可以连续工作并输出很高的功率，标准激光功率在2-5千瓦之间。 与其它传统焊接技术相比，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，施行非接触远间隔焊接，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。
激光焊接技术综述_郑喜军
河南科技 2013．NO．04 Journal of Henan Science and Technology 工业工程与技术 激光焊接技术综述 郑喜军 (中航锂电(洛阳)有限公司，河南 洛阳471003) 摘要：本文简要概述了激光及激光器原理，激光焊接技术的发展历史，重点阐明了激光焊接机理及主要工艺参数，同时对激 光焊接技术的工艺特点及存在的问题进行了论述。 关键词：激光;激光焊接;深熔焊接;热传导焊接 Abstract :The article illustrated the laser and the principle of laser device ，development history of laser welding technology with an em-phasis on the mechanism and main technological parameters of laser welding．Meanwhile ，discussed the process characteristics of laser welding technology and its existing problems． Key words :laser ;laser welding ;deep penetration laser welding ;heat conduction laser welding 中图分类号：T6456文献标识码：A 文章编号：1003－5168(2013)07－0038－03激光是20世纪以来，人类的又一重大发明，它是由美国科学家C．H．Townes 和T．H．Maiman 等在1960年发明出来的。激光是辐射的受激发射光放大的简称，是一种电磁波，是通过人工增幅产生的。其产生的基本条件包括泵浦源、激光介质 和谐振腔等， 激光具有高的单色性、方向性、相干性和亮度性，激光是一种新型热源 ［1，2］ 。激光焊接是激光加工技术应用的重要方面之一，更是2l 世纪最受瞩目、最有发展前景的焊接技术［3］ 。与传统焊接方法对比，激光焊接具有很多优势，实践证明，激光焊接应用范围越来越广泛，基本上传统焊接工艺可以使用的领域，激光焊接都能胜任，且焊接质量更高，效率更快。随着新的激光焊接技术和设备的研发，激光焊接正在逐渐取代传统的焊接 技术。自20世纪70年代以来， 已广泛应用于工业的各个领域。 1激光焊接机理 激光焊接属于熔融焊，以激光束作为焊接热源，其焊接原理是：通过特定的方法激励活性介质，使其在谐振腔中往返振荡，进而转化成受激辐射光束，当光束与工件相互接触时，其能量则被工件吸收，当温度高达材料的熔点时即可进 行焊接［4］ 。图1为激光器原理示意图，图2为激光焊接示意图 。 图1 激光器原理 图2激光焊接示意图 按焊接熔池形成的机理划分，激光焊接有两种基本的焊 接机理：热传导焊接和深熔（小孔）焊接［5］ 。热传导焊接时产生的热量通过热传递扩散至工件内部，使焊缝表面熔化，基本不产生汽化现象，常用于低速薄壁构件的焊接。深熔焊使材料汽化，形成大量等离子体，由于热量较大，熔池前端会出现小孔现象。深熔焊能彻底焊透工件，且输入能量大、焊接速度快，是目前使用最广泛的激光焊接模式。 1．1热传导焊接机理［6］ 当激光功率密度小于105W /cm 2 时，金属表面温度迅速加热到熔点和沸点之间而熔化，通过热传导把热能向金属内部传递，使熔池逐渐扩大，冷却凝固时结晶形成焊点或者焊缝， 焊缝类似为椭球形。激光与材料的相互作用过程中，很大一 部分激光束被金属表面反射， 激光的吸收率较低，没有蒸汽压的作用，激光光斑功率密度也会变得较低，不产生小孔效应。因此，热传导焊接时熔深浅，速度较慢。图3为热传导焊接机理示意图 。 图3激光热传导焊机理 1．2深熔焊接机理 ［7］ 当照射到金属表面的激光功率密度大于106W /cm 2 时，金 属表面温度可在极短的时间内（10－6 10－5 S ）使加热区域的金属熔化及汽化，产生金属液体和金属蒸汽，气态金属产生的蒸汽压很高，足以克服液态金属的表面张力，把熔化的金属向四周吹散，形成小孔。随着金属蒸汽的逸出，在工件上方及小孔内部形成等离子体，较厚的等离子体云会对入射激光具有 一定屏蔽作用。激光束在小孔内产生多重的反射， 小孔几乎可以吸收全部的激光能量，使小孔进一步加深，当激光束在小孔产生的金属蒸汽压力与液态金属的表面张力和重力平衡后，小孔不再加深而形成一个深度稳定的小孔，这就是小孔效应。 当工件以一定的速度相对于激光束移动时，小孔前方的金属不断熔化和汽化，液态金属流向小孔后方，逐渐凝固形成 焊缝， 这种焊接机理叫深熔焊，是激光焊接中最常用的焊接模式。在激光深熔焊时，材料对激光束的吸收决定于小孔和等离子体效应。一般来说，工件表面的等离子体云吸收部分激光，使激光有效的能量较低，并使光束波前畸变导致焦光斑扩散，使表面熔化区扩大，因此等离子体云对焊接过程有害。常采用以下两种预防措施：一是使用保护气体吹散激光与工件作用点反冲出的金属蒸汽；第二种是使用保护气体，抑制金属蒸汽电离，阻止等离子体云的产生。图4为深熔焊接机理示意图。 8 3
激光焊接的工作原理及其主要工艺参数
激光焊接的工作原理 焊接技术主要应用在金属母材热加工上，常用的有电弧焊，电阻焊，钎焊，电子束焊，激光焊等多种，研究表明激光焊接技术将逐步得到广泛应用。 1. 目前常用的焊接工艺有电弧焊、电阻焊、钎焊、电子束焊等。电弧焊是目前应用最广泛的焊接方法，它包括手弧焊、埋弧焊、钨极气体保护电弧焊、等离子弧焊、熔化极气体保护焊等。但上述各种焊接方法都有各自的缺点，比如空间限制，对于精细器件不易操作等，而激光焊接不但不具有上述缺点，而且能进行精确的能量控制，可以实现精密微型器件的焊接。并且它能应用于很多金属，特别是能解决一些难焊金属及异种金属的焊接。 激光指在能量相应与两个能级能量差的光子作用下，诱导高能态的原子向低能态跃迁，并同时发射出相同能量的光子。激光具有方向性好、相干性好、单色性好、光脉冲窄等优点。激光焊接是利用大功率相干单色光子流聚焦而成的激光束为热源进行的焊接，这种焊接通常有连续功率激光焊和脉冲功率激光焊。激光焊接从上世纪60年代激光器诞生不久就开始了研究，从开始的薄小零器件的焊接到目前大功率激光焊接在工业生产中的大量的应用，经历了近半个世纪的发展。由于激光焊接具有能量密度高、变形小、热影响区窄、焊接速度高、易实现自动控制、无后续加工的优点，近年来正成为金属材料加工与制造的重要手段，越来越广泛地应用在汽车、航空航天、造船等领域。虽然与传统的焊接方法相比，激光焊接尚存在设备昂贵、一次性投资大、技术要求高的问题，但激光焊接生产效率高和易实现自动控制的特点使其非常适于大规模生产线。 2. 激光焊接原理 2.1激光产生的基本原理和方法 光与物质的相互作用，实质上是组成物质的微观粒子吸收或辐射光子。微观粒子都具有一套特定的能级，任一时刻粒子只能处在与某一能级相对应的状态，物质与光子相互作用时，粒子从一个能级跃迁到另一个能级，并相应地吸收或辐射光子。光子的能量值为此两能级的能量差△E，频率为ν=△E/h。爱因斯坦认为光和原子的相互作用过程包含原子的自发辐射跃迁、受激辐射跃迁和受激吸收跃迁三种过程。我们考虑原子的两个能级E1和E2，处于两个能级的原子数密度分别为N1和N2。构成黑体物质原子中的辐射场能量密度为ρ，并有E2 -E1=hν。 2.1.自发辐射 处于激发态的原子如果存在可以接纳粒子的较低能级，即使没有外界作用，粒子也有一定的概率自发地从高能级激发态（E2）向低能级基态（E1）跃迁，同时辐射出能量为（E2-E1）的光子，光子频率ν=（E2-E1）/h。这种辐射过程称为自发辐射。自发辐射发出的光，不具有相位、偏振态上的一致，是非相干光。 2.2.受激辐射 除自发辐射外，处于高能级E2上的粒子还可以另一方式跃迁到较低能级。当频率为ν=（E2-E1）/h的光子入射时，也会引发粒子以一定的概率，迅速地从能级E2跃迁到能级E1，同时辐射一个与外来光子频率、相位、偏振态以及传播方向都相同的光子，这个过程称为受激辐射。 2.3.受激吸收 受激辐射的反过程就是受激吸收。处于低能级E1的一个原子，在频率为的辐射场作用下吸收一个能量为hν的光子，并跃迁至高能级E2，这种过程称为受激吸收。自发辐射是不相干的，受激辐射是相干的。 由受激辐射和自发辐射的相干性可知，相干辐射的光子简并度很大。普通光源在红外和