激光焊接技术相关应用

谭学吉

【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，激光技术在制造部诸多领域迅速普及，在此基础上，激光焊接工艺将成为激光应用的一个重要方面。激光技术目前在很多高新技术领域中都得到了广泛的应用，其中激光焊接技术应用较为多样化，激光焊具有焊接速度快、深度大、变形小、穿透力强以及精度高等特点受到各发达国家的重视，这种焊接方式对于一些特殊的材料及结构的焊接具有非常重要的作用。近些年来，激光焊已很多制造业中都得到了应用，例如：半导体行业、汽车工业、航空航天、医疗行业、生物医学、微电子行业等领域。本文概述了激光焊接的特点及发展现状.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，分析了激光焊的原理及其在实际生产中的应用与发展。

1、激光焊的机理

激光焊接的机理分为两种，第一种为热传导焊接，指的是当激光照射在材料表面时，一部分激光被反射，另一部分被材料吸收，被吸收的光由无数个光子组成，它们轰击金属表面形成蒸汽，蒸发的金属可防止剩余能量被金属反射掉，如果被焊金属有良好的导热性能，则会得到较大的熔深。第二种为激光深熔焊，一般指的是用较大功率密度的激光束来焊接，激光照射到材料表面，材料吸收光能同样地转化为热能，不同的是由于功率密度大，材料表面被加热熔化至汽化，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，凹坑持续深入加深熔池的深度，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。

激光焊接从根本上来说就是电磁场与材料相互产生化学反应的过程。激光以不同频率的光波入射到材料上，材料表面的带电粒子依着光波电矢量的步调振动，使光子在材料表面的作用变成了电子的动能.物质吸收激光后，第一时间会产生某些质点的过量能量，这些能量包括：自由电子的动能、束缚电子的激发能等等，在焊接过程中这些过量能量最终也会转化为热能。

2、激光焊的特点

激光焊接技术是一种比较高效的焊接工艺，激光焊接是通过聚焦激光束形成高能量激光脉冲，并把激光脉冲能量在材料和物质表面转化为热能进行焊接。通常，激光焊接技术可应用于微小精密的部件焊接，激光束可集中在非常狭小的区域转换为热能，电子束焊接也同激光束焊接一样能产生非常狭小的焊缝，但激光焊接对比于电子束焊接的优势是，其可在大气压下进行焊接操作，而无需真空室，而电子束必须在真空炉内才能焊接。激光焊接的优点还有很多，包括：熔深较大，不易变形，焊速较快，设备简单，操作便利，激光焊也可在特殊环境中进行使用，对于航空航天专用材料—钛和石英等能产生良好的焊接效果。

激光焊接技术在实际应用当中，也存在一定的缺陷，比如在焊接过程中，母材受热熔化并且有部分汽化，形成深熔小孔，孔中充满金属蒸汽，金属气体与激光作用形成等离子云。等离子云吸收、反射激光，降低金属材料对激光的吸收率，使激光的能量利用率降低，同时激光焊接对母材端面整齐度要求较高，焊接过程容易产生错位。由于激光热输入较大，激光焊后在母材端面之间的接口部位容易出现凹陷，焊接过程不稳定等等问题。

3、激光焊接的现状

一般来说，工业激光焊接系统都是将激光头通过光纤与机器人融为一体，在系统中，激光器负责出光，而机器人负责对轨迹进行试教编程。焊接机器人与传统手持激光焊相比有很多优点，比如：自由度、编程灵活、自动化程度高、柔性程度高等特点，它是焊接生产线的重要组成部分。将激光器安装在焊接机器人上进行焊接，增强了自动化的能力，很大程度上提高了焊接机器人的焊接质量和产品的一致性，在汽车工业和航空航天领域中激光焊接机器人具有越来越重要的地位。

目前，在我国哈尔滨焊接研究所的激光焊接技术发展的比较成熟。近年来，其除了进一步拓宽和研發新的激光焊接种类以及设备之外，也在积极参与和研讨国外焊接技术研究的最新动态，我们在也不断寻求大功率激光焊接技术上的突破与发展。根据最新的研究成果，哈尔滨焊接团队在国内大型构件的焊接难题上有了新的突破，这无疑标志着我国在激光焊接技术领域的重大突破，也为未来大型工程重大应用奠定了基础。除此之外，目前国内的激光焊接技术研究还集中在激光热丝焊、异种金属焊等领域，他们都是现代激光焊接技术研究的最新课题。而国外在相关研究领域已经取得了突破，特别是德国已经初步掌握了异种金属焊的技巧和方式，而未来我国要想真正熟练的应用以及掌握激光焊接技术，将其应用到更多的领域，就需要进一步完善以及优化激光焊接技术。

4、激光焊接的应用

（1）汽车工业

在现阶段汽车制造的过程中，激光焊接技术可以说具有举足轻重的地位。它不但可以有效保障汽车生产质量，也能有效提高制造人员的工作效率。早在上世纪，激光焊接技术就已经被运用在汽车制造业中，著名的奔驰和大众等品牌都采用了这一技术，并且随着激光焊接技术的日渐完善，这种技术也被大多数先进的汽车行业所青睐。

汽车工业中的在线激光焊接大量应用在白车身冲压零件的装配和连接上，包括车顶盖激光焊、车架激光焊接、车身结构件激光焊接等。其采用激光焊的原因是激光焊接可提高车身强度，也可解决其他焊接方式困难的问题。

（2）航空航天

现如今，航空发动机中焊接件的比重逐步增长，焊接技术在产品制造中的重要作用不言而喻。在航空航天诸多制造技术中，焊接技术的优势在于可以明显地减轻发动机的重量、降低生产成本、简化结构设计、提高产品性能等。

大型客机机身壁板激光焊接工艺属于大尺寸、小厚度、多焊缝的复杂焊接工艺，其变形过程甚为复杂钛合金主要广泛用在飞机上，并已由次承力结构件转为主结构件，铝合金是运载火箭及各种航天器的主要结构材料。

（3）电子行业

激光焊接技术在电子工业领域的应用也较为广泛，这主要是由于它热影响区域较小的特性所决定的。通常，激光焊接技术在电子工业领域都是应用在较小电子元件方面的，这可以完美发挥激光焊接技术的优越性。传统模式下的焊接技术稳定性不足，精准度较差，热影响区域较大，焊接较为困难，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。激光焊接技术在电子工业领域广受好评，虽然目前普及范围还不算广泛，但随着我国科技力量不断发展，相信激光焊接技术的运用也会成为电子工业领域主要的应用工艺。

5、激光焊接的发展趋势

目前国内的研究方向主要集中在两方面：一是对焊接过程进行有效的动态监测和调控，二是降低激光焊接的成本。想要完成高精度的动态调控，只进行单一的传感反馈调节是远远不够的，需要将光学传感、电学传感、力学传感等诸多传感技术进行综合运用。任何一项技术的普及都绕不开成本问题。想要降低应用成本，一方面可以从降低设备费用上下手，另一方面可以考虑改进现有的激光焊接技术，使激光焊接的能量利用率得到较大提升。

6、总结

综上所述，激光焊接技术在实际应用中有着传统焊接技术所无法比拟的应用优势，该技术不仅具有极高的能量密度，而且不依赖于真空环境，不会受到导电材料的影响，正是这些技术优势，使其不仅在服务业、农业等基础领域中得到了广泛应用，在生物医学、钢铁生产、精密仪器制造等高端领域中也崭露头角。并且，在智能化技术的带动下，激光焊接技术也将向着智能化的方向发展，越来越多先进的激光器也将相继被研制出来，这些都将为激光焊接技术的快速发展提供强大的技术支撑。