激光焊

激光焊是一种以聚焦的激光束作为能源轰击焊件所产生的热量进行焊接的方法。由于激光具有折射、聚焦等光学性质，使得激光焊非常适合于微型零件和可达性很差的部位的焊接。激光焊还有热输入低，焊接变形小，不受电磁场影响等特点。

由于目前激光器价格昂贵、电光转换效率较低等原因，激光焊尚未广泛应用。

定义激光焊接是激光材料加工技术应用的重要方面之一。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。1

分类一，按控制方式可分：手动式激光焊接机，自动激光焊接机，振镜式激光焊接机

二，按激光器可分：YAG激光焊接机，半导体激光焊接机，光纤激光焊接。

激光焊接有两种基本模式：激光热导焊和激光深熔焊，前者所用激光功率密度较低（105～106W/cm2），工件吸收激光后，仅达到表面熔化，然后依靠热传导向工件内部传递热量形成熔池。这种焊接模式熔深浅，深宽比较小。后者激光功率密度高（106～107W/cm2），工件吸收激光后迅速熔化乃至气化，熔化的金属在蒸汽压力作用下形成小孔激光束可直照孔底，使小孔不断延伸，直至小孔内的蒸气压力与液体金属的表面张力和重力平衡为止。小孔随着激光束沿焊接方向移动时，小孔前方熔化的金属绕过小孔流向后方，凝固后形成焊缝。这种焊接模式熔深大，深宽比也大。在机械制造领域，除了那些微薄零件之外，一般应选用深熔焊。

深熔焊过程产生的金属蒸气和保护气体，在激光作用下发生电离，从而在小孔内部和上方形成等离子体。等离子体对激光有吸收、折射和散射作用，因此一般来说熔池上方的等离子体会削弱到达工件的激光能量。并影响光束的聚焦效果、对焊接不利。通常可辅加侧吹气驱除或削弱等离子体。小孔的形成和等离子体效应，使焊接过程中伴随着具有特征的声、光和电荷产生，研究它们与焊接规范及焊缝质量之间的关系，和利用这些特征信号对激光焊接过程及质量进行监控，具有十分重要的理论意义和实用价值。2

优缺点优点（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。2

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。2

应用激光焊接在工业中的应用情况

（1）激光焊接在国外汽车工业中的应用
1） 白车身激光焊接
汽车工业中的在线激光焊接大量用在白车身冲压零件的装配和连接上。主要应用包括车顶盖激光焊、行李箱盖激光钎焊及车架激光焊接。
另一项比较重要的车身激光焊接应用，是车身结构件（包括车门、车身侧围框架及立柱等）的激光焊接。采用激光焊的原因是可提高车身强度，并可解决一些部位难以实施常规电阻点焊的难题。
2） 不等厚激光拼焊板
车身制造采用不等厚激光拼焊板可减轻车身重量、减少零件数量、提高安全可靠性及降低成本。
3） 齿轮及传动部件焊接
20世纪80年代末，克莱斯勒公司的Kokomo分公司购进九台6kWCO2激光器，用于齿轮激光焊接，生产能力提高40%。90年代初，美国三大汽车公司投入40多台激光器用于传动部件焊接。奔驰公司经研究利用激光焊接代替电子束焊接，因为前者焊缝热影响区小。美国福特汽车公司用4。7kWCO2激光器焊接车轮钢圈，钢圈厚1mm，焊接速度为2。5m/min。该公司还采用带有视觉系统的激光焊接机，将六根轴与锻压出来的齿轮焊在一起，成为轿车自动变速器的齿轮架部件，生产率为200件/h。
（2） 光纤激光焊在造船及海洋工程方面的应用
许多轮船都是先制造出许多独立的局部组件结构单元，再在水中的船台上一个个进行组装。采用激光焊技术制造海洋建筑物局部组件非常合适，因为它结合了焊接切割自动化技术与激光技术。与弧焊方法相比，采用该技术可以大大提高生产率。
造船中，采用光纤激光技术，可以无需进行焊接边缘预处理和焊前或焊后热处理就能将部件焊接在一起。与弧焊相比，激光焊的焊接接头窄，热影响区小，而且没有传统弧焊方法中出现的由于弧吹或电极磨损引起的焊接缺陷。所以，接头采用光纤激光焊，可以实现新的焊接结构设计，这在以前是不可能实焊接接头比弧焊焊接接头更加经济， 质量更好。
（3） 激光焊在飞机制造中的应用
激光束焊具有能量密度高，热影响区小，空间位置转换灵活，可在大气环境下焊接，焊接变形极小等优点。它主要应用于飞机大蒙皮的拼接以及蒙皮与长桁的焊接，以保证气动面的外形公差。另外在机身附件的装配中也大量使用了激光束焊接技术，如腹鳍和襟翼的翼盒，结构不再是应用内肋条骨架支撑结构和外加蒙皮完成，而是应用了先进的钣金成形技术后，采闲激光焊接技术在三维空间完成焊接拼合，不仅产品质量好，生产效率高，而且工艺再现性好，减重效果明显。
激光焊也多见于薄壁零件的制造中，如进气道、波纹管、输油管道、变截面导管和异型封闭件。这些零件的传统焊接方法多采用微弧等离子弧焊，或者是小电流钨极氩弧焊。随着钛合金材料的大量使用，即便采用了这些低线能量的焊接技术，仍然由于薄壁材料引起的焊接变形超出公差范围和焊接缺陷的无法修复等原因，导致传统焊接工艺面临淘汰的命运。激光束焊接配以局部保护措施，非常适合焊接薄壁钛合金壳体零件。
（4）复合激光焊的应用
复合激光焊技术结合了激光焊和传统气体保护焊（GMAW）两者的优点，激光焊能在较小的热输入量和小的焊接热影响区（HAZ）情况下获得较大的熔深；所附加的气保焊（GMAW）可以大大扩展接头根部间隙的大小，改善表面状态和杂质的允许量；提高根部间隙填充和成形质量以及加强对焊接冶金的控制。
（5） 激光焊在医学上的应用
激光焊是用激光来加热， 所以它可以穿透透明介质， 能够焊到透明介质容器的里边去。这是其他焊接方法难以做到的。这种方法也被利用到医学里边，比方讲我们有些患者视网膜脱落，视网膜是在眼球的后面，视网膜脱落以后眼睛就会失明。利用激光的办法，透过眼球焊到眼球后面，把这个视网膜和眼球焊起来。这个已经是很成功的手术了。2

本词条内容贡献者为:

何星 - 副教授 - 上海交通大学