激光焊接

华中科技大学， 徐长发 ，2019.11.30

金属材料有多种加工方式，焊接，切割，打孔，表面热处理等，把激光用到金属材料加工方面，比传统工艺更优越，也正是激光的应用，使得材料加工技术发展到一个更新的水平。中国在激光材料加工方面处于世界先进水平。

一．常见的几种金属焊接方法

大家知道，金属焊接方便灵活，成本便宜，简单实用。

人们一直在追求高质量的焊接方法，经理论和实践研究确定，不同的材质要采用不同的焊接方法。

碳钢电弧焊，是专门焊接碳钢的，引燃电弧，电弧高温将焊缝金属和焊条熔化，温度降低后，焊缝两端就熔接了。碳钢电弧焊需要一个大电流的降压变压器，引燃电弧的电压大约是50V－70V，工作电压大约在30V左右；它还需要焊条，焊条上裹有“药物”，在电弧高温下，“药物”不让焊接部位滞留杂质；碳钢电弧焊要根据钢板的厚度选择焊条直径和电流大小，调制合理才能取得良好的焊接效果。

不锈钢的电弧焊，有其独特性，要在氩气这种不易于金属发生反应的惰性气体的保护下进行焊接，以减少金属的损坏，使得焊接之后不锈钢焊接接口比较光滑。不锈钢的氩弧焊也与多个因素有关，例如不锈钢的材质、焊条的型号，温度的控制，惰性气体的控制，其工作电压在在8到15伏左右。

铜材焊接，也有其独自的特性，铜导热快，其导热率比碳钢大7~11倍，铜材的熔点稍低，表层有氧化层，在考虑这些因素的情况下，可以采用焊条电弧焊、电弧氩气焊、火焰加焊丝的熔接焊工艺。

铝材的焊接，比其它材料的焊接要困难些，其难点在于：

（1）在常温下铝材表面有一层氧化薄膜，氧化铝的熔点高达2050度，远远超过铝合金的熔点（600度）；

（2）液态铝对氢的溶解度大，固态铝对氢的溶解度小，加上铝材的传热速度快，所以焊接层容易夹带杂质和气泡；

（3）一般铝合金均不耐高温，膨胀系数大，容易产生焊接变形。

所以，铝材焊接要考虑用“焊膏”腐蚀表面氧化层，以降低表层熔化温度，要用惰性气体保护熔化过程不再被氧化，要针对不同的铝合金材质采用不同的焊条，要根据铝材的不同厚度控制不同的熔化速度。

总之，在通常日用的焊接中，不同的材质有不同的焊接方法和控制标准。从总体上说，金属焊接主要考虑的问题有如下几点：一是焊接热源问题，可以是电弧，可以是气体，也可以是其它的高温热源；二是焊接温度要合适保持，温度太高或太低都不行；三是焊缝质量的保护问题，焊缝熔池中不能夹杂，不能有气泡。另外，在日常生活中所见的焊接方法使用的焊接工具都是大尺寸的，对焊接薄壁工件无能为力，需要采用激光焊接。

二．激光焊接的优势

激光焊接技术，它为人们提供了一种理想的焊接方法。特别是20世纪70年薄壁材料焊接成功，更是为激光焊接技术添彩。

经过实践，人们认识到激光焊接有不少优点：

① 由于大功率激光束经汇聚后的光斑直径可小到0.01mm，功率密度高可熔化各类金属，可焊接0.1～50mm厚的工件；

② 脉冲激光焊加热过程短、焊点小、热影响区小；

③ 焊接保护气体可采用最容易获得的二氧化碳气体；

④ 能对难以接近的部位进行焊接，还有，激光束的频宽窄，能透过玻璃或其他透明物体进行焊接；

⑤ 激光焊接不受电磁场的影响。

经过实践，人们认识到激光焊接的应用范围宽广：

① 激光焊能够焊接铜、铁、铜、铝、锆、钽、铝、钛、铌等金属及其合金，几乎所有的金属能激光焊接；

② 用脉冲激光焊可把金属丝或薄板焊接在一起。

③ 主要应用于电子工业领域，如微电器件外壳及精密传感器外壳的封焊、精密热电偶的焊接、波导元件的定位焊接。

④ 也可用来焊接石英、玻璃、陶瓷、塑料等非金属材料。

激光焊分类：

按激光器输出能量方式的不同，激光焊分为脉冲激光焊和连续激光焊（包括高频脉冲连续激光焊）；按激光聚焦后光斑上功率密度的不同，激光焊可分为传热焊和深熔焊。

1. 传热焊

采用的激光光斑功率密度小于105W/cm2时，激光将金属表面加热到熔点与沸点之间，然后通过热传导方式把热能传向金属内部，使熔化区逐渐扩大，凝固后形成焊点或焊缝。

传热焊的主要特点是激光光斑的功率密度小，很大一部分光被金属表面所反射，光的吸收率低，焊接熔深浅，焊接速度慢，主要用于薄（厚度＜1mm）、小零件的焊接加工。

2. 深熔焊

当激光光斑上的功率密度足够大时（≥106W/cm2），金属在激光的照射下被迅速加热，其表面温度在极短的时间内（

与其它焊接技术相比，激光焊接是一种新型的焊接方式，激光焊接主要针对薄壁材料、精密零件的焊接，可实现点焊、对接焊、叠焊、密封焊等，焊缝宽度小，深度可调，热影响区小、变形小，焊接速度快，焊缝平整、美观，焊后无需处理或只需简单处理 ，焊缝质量高，无气孔，可精确控制，聚焦光点小，定位精度高，易实现自动化。

现在市场上，有激光焊接机出售，可实现脉冲焊接，连续焊接，有可以手动调节的激光焊机，也有自动控制的激光焊机 。

激光焊接、激光切割、激光打孔在加工手段方面都属于同类。激光焊接时要溶解焊缝并凝固焊缝；激光切割是要溶解焊缝但不凝固焊缝；激光打孔和切割差不多，可以是小孔也可以是大孔。

激光焊接与激光切割的核心元件是不同功率的激光发生器。

激光焊接与传统焊接比较，提高了精细程度和准确程度，提高了自动控制的程度，激光焊接也是有不适应场合的。既大又厚的金属构件焊接一般不采用激光焊而采用气焊。非常细小的金属材料焊接，例如芯片的焊接，也不能采用激光焊接。

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