激光焊接技术研究现状浅析及发展傅晓春

激光焊接技术研究现状浅析及发展傅晓春

傅晓春路梦磊

中国电建集团核电工程有限公司山东省济南市250000

摘要：激光技术在早期的金属材料工业生产当中就有记载，当时主要采用相应设备将激光集中并照射在加工件表面，此时加工件被照射部位会因为聚光带来的温度而产生相同变化，那么在温应力作用下，加工件会逐渐软化以满足加工需求。而在现代技术背景下，激光技术出现了许多新的类型，说明此项技术的应用功效有了变化，本文为了了解这一点将进行相关研究。

关键词：激光技术；金属材料；加工工艺

引言

在现代技术背景下，激光技术在金属材料加工工艺当中有许多不同的应用形式，例如激光焊接、激光切割等，这些技术表现均可给金属材料加工工艺提供有利帮助，使加工工艺效率、质量都得到提升，说明激光技术具有较高的应用价值。

1、激光焊接的原理

激光是由激光发生器发出的单色光，通过光纤传导到特制透镜上进行聚焦，使光束聚焦在一点，并且集中对该点输人热量。由于激光束的这种特性，在这种规模的热输人情况下，受热金属会因为温度瞬间超过熔点而气化，这些金属蒸气会在熔化的金属中产生一个小孔，我们称其为匙孔。由于匙孔的形状呈细长，所以在其形成之后，激光束会在匙孔内壁发生多次反射，并被吸收，因而使得熔深增加。经研究发现，如果激光发生器发出的激光束波长单一，没有杂光，那么能量密度在4x106W/c时左右时就能产生这种匙孔。激光焊接过程中，起加热作用的激光光斑对试件进行集中加热，可以使工件在受最少热辐射量的情况下就能达到焊接条件;可以避免由于焊件过度加热而导致的变形。另外，激光焊接的加热源是光斑，所以本质上激光设备未与工件发生实质性的接触，因此在焊接的过程中就不存在电极污染、机具损耗等问题。激光焊接过程中，由于激光的能量密度很高，所以金属受激光照射到金属发生熔化和气化几乎是在瞬时完成的，以至于由焊缝中心向周围母材传递热量的时间也很少，并且激光光斑尺寸也很小，从而使焊后热影响区尺寸变小。经研究表明，汽车车身板材的激光焊接热影响区一般为1-2mm。

2、激光技术在金属材料加工工艺中优势

主要将激光技术与传统金属材料加工工艺进行比对，了解现代激光技术在加工工艺当中的优势。（1）加工效率快结合。上述激光切割技术的表现可见，激光切割技术的速度一般在70m/min左右，那么反观传统工艺，在相同条件下传统工艺切割速度一般在12～20m/min，此时两项技术的优劣显而易见。加工效率快的优点在激光焊接技术当中同样存在，以常规传导焊接技术与传统焊接技术相互比较得知，传导焊接在面对普通金属加工件时，其1min可以完成近20个熔池，反观传统焊接技术，因为传统焊接技术主要依靠人工，其焊接效率没有准确数据，说明焊接效率不稳定，同时人工本身的工作效率与计算机控制的激光焊接效率是不成正比的，所以效率上必然出于弱势。（2）加工精度较高传统焊接、切割技术多依靠人工，那么人工的误差性与不稳定性的影响，势必会对技术结果造成一定的影响，相应在加工结果的精度上也存在缺陷，严重时因为人工操作失误问题，精度缺陷会变得很大，所以说明传统技术进度表现较差。在激光加工技术方面，其在人工与设备之间加入了计算机设备，那么通过计算机设备的控制，可以有效避免人工误差性与不稳定性的影响，所以相较之下，现代激光加工技术的加工精度表现更高，具有相当的优势。（3）激光能在瞬间达到预定的能量密度，在焊接过程中能有效节约作业时间，提高了工件加工生产效率。其可集中加热的特点使焊缝的热影响区变得很小，适合焊接一些对温度敏感的特殊材料;同时搭配惰性气体保护装置，可防止金属氧化，从而获得组织性能良好的焊缝。（4）利用激光可反射和偏转的特性，通过使用棱镜或反射镜将发射出来的激光束进行偏转，从而实现激光束在任何角度上的聚焦，利用光纤传导，可以使激光到达普通焊接装置难以到达的位置，这对加工过程中装配环节的意义很大。（5）激光束通过聚焦会获得一个尺寸特别小的光斑，结合焊接机械手臂精准的移动定位，可以加工尺寸微小的精密工件，并且相对于传统加工方法，生产效率有很大的提高。（6）激光束可以同时分成多束次级激光，这些激光束可以同时对一个工件的各个部位进行焊接加工，对焊接时的精度有很好的把控，为精密焊接创造了有力的条件和技术支持。

3、金属激光焊接常用焊接方法

在实际应用中，金属激光焊接有几种常用的工艺方法：顺序型周线焊接：激光沿着金属焊接层的轮廓线移动并使其熔化，将金属逐渐粘结在一起。主要用于规则外形且有焊接速度要求的零件。同步焊接：使用带有多个激光口的激光发射器，通过光学器件调整激光束的方向和形状；激光束通过程序引导，沿着焊接层的轮廓线焊接，使整个轮廓线同时熔化并粘结在一起。主要用于焊接面积较大，且焊接一致性要求较高的零件。扫描焊接：又称准同步焊接，综合了上述两种焊接技术。利用光学器件产生高速激光束，沿着待焊接的部位移动，使得整个焊接处逐渐发热并熔合在一起。此方案对于激光发射设备要求较高。照射掩膜焊接：通过预先制作的模板遮挡无效区域的激光束，只暴露出精确的焊接部位，对焊接区域进行熔化，实现焊接过程。这种焊接技术精度高，是目前应用较广的激光焊接技术，设备通用性强，模板制作简单、成本低，可以实现低至10μm的高精度焊接。

4、激光焊接新技术

新工艺研究表明，如果采用激光焊接技术，必须要求需焊接的两个零部件中的一件对近红外线激光的透射率在20%以上，才能获得良好的焊接效果，即激光产生的能量必须透过塑料，在焊接区域被吸收才能完成焊接过程。所以绝大多数的都能够满足此透射率要求，还是有少数无法使用此焊接技术。相反，透射率低的其吸收率也就偏高。如果材料透射率低，其对近红外激光的吸收率会很大，从而降低焊接热效率，也会引起不同程度的热变形；如果材料透射率低，其对近红外激光的吸收率会很小，激光能量无法被有效吸收而导致热能不足，无法实现焊接过程。在实际生产中，一块为透光性材料，另一块为不透光性材料的焊接方式最为普遍。对于不透光的两个材料（透光率小于20%），激光焊接的应用还存在一定局限性。而对于两块透明材料（透光率大于50%）而言，可通过在焊接面加入适量的炭黑涂料，大幅提高其对近红外激光的吸收率，满足焊接要求。此外，许多矿物填充的化合物，也不适宜用激光来焊接。为增加激光焊接工艺的适用范围，克服材料本身透光率问题，涂层以及涂料工艺在我国已经发展成熟，并广泛应用在透明材料以及透光率高的材料焊接中。涂料在激光的照射下发热并熔化相邻层的材料，进而达到焊接的目的。对于两块黑色或不透光，由于材料本身对激光的吸收率很高，激光无法透射到焊接区域，在过去用激光焊接工艺是不可能实现的。随着原材料产业不断升级，此问题已经得到有效解决，即在两块黑色中加入特殊的填料和色料，使其在外观看起来是黑色的，但对于激光却是透明的，从而实现黑色材料之间的激光焊接。目前国内激光焊接设备的研发生产还处于起步阶段，大部分设备需要依靠进口。同时，激光焊接技术也是很专业化的粘结技术，目前主要应用的行业都集中在高科技领域，并处于逐年上升趋势。该技术已经在很多应用领域比超声波焊接以及热板焊接更具竞争力，成本也在不断降低。涂料和填料技术的发展已经成功解决激光焊接早期的技术瓶颈，同时新工艺、新设备的不断研发和升级，为激光焊接技术带来更广阔的应用前景。

结束语

焊接过程中影响焊缝的因素甚多，任何一个小的改变，都可能对光单元质量的提高有明显的效果，只有通过长时间的经验积累，不断完善生产工艺，才可能从根本上提高光单元的质量，提高产品的合格率，保证光缆的使用寿命。

参考文献

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