激光焊接技术原理及工艺分析

    摘 要：介绍激光焊接的原理以及主要特点;激光焊接的主要工艺参数包括焊接速度、离焦量和激光功率。

    关键词：激光焊接;工艺参数;激光功率

    中图分类号：TG456.7 ? ? ? ?文献标识码：A

    doi：10.14031/j.cnki.njwx.2019.06.045

    作者简介：赵昕（1987-），女，辽宁省大连市，工程师，研究方向：风电齿轮箱、齿轮润滑、齿轮修形、激光焊接，E-mail：[email protected]。

    0 引言

    激光焊接是利用高能量密度的激光束作为热源的一种高效精密焊接方法。

    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，并且集中对该点输入热量。由于激光束的这种特性，单位照射面积能量能够达到107 W/cm2以上。在这种规模的热输入情况下，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4×106 W/cm2左右时就能产生这种匙孔[1]。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1～2 mm[2]。

    2 激光焊接的工艺参数

    在实际生产过程中激光焊接有以下几个焊接工艺参数：

    （1）焊接速度。焊接速度决定了激光焊接过程中，激光光斑在焊件上的停留时间，光斑行走速度小，每秒辐射能量大，将导致板材被穿透;光斑行走速度大，则会使熔深变浅，焊得不充分。因此，在实际使用过程中应找到一个合理的焊接速度范围。

    （2）离焦量。在激光焊接中，离焦量是一个独有且重要的参数，因为激光是通过透镜将单色光进行聚焦而获得高能光斑的，所以激光有一个焦点，在焦点处，功率密度最大。然而实际应用时会根据不同的条件，可以将待焊工件沿透镜光轴方向偏移一段距离，偏移后工件在光轴方向与焦点的距离即为离焦量。经研究表明，离焦量决定着匙孔的初始直径、熔池的扩展速度、焊点尺寸的大小[3]。

    （3）激光功率。即激光的强度，它决定着待焊工件被加热的速度，功率越大，被加热速度越快，是一个比较重要的焊接热输入量参数。目前，大功率的激光设备在切割、打孔等加工中应用的较多。

    3 激光焊接的特点

    （1）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。

    （2）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。

    （3）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。

    （4）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。

    （5）激光焊接拥有很多明显的优势，但也有自身的局限性，目前整套激光焊接设备的投资费用较高，并且由于激光系統结构很精密，所以日常维护费用也比较高;在焊接时对装配精度也有着一定的要求;其中焊接的最大厚度有限，也是目前激光焊接设备的一大短板。

    参考文献：

    [1] 汤超. 不锈钢车体激光焊接工艺研究[D]. 武汉：华中科技大学， 2012.

    [2] 徐长敏. 汽车用激光拼焊板成形性能研究[D]. 天津：天津大学， 2016.

    [3] 许亚丽. 激光焊接技术[J]. 科技创新导报， 2016（22）：59-60.