激光焊接详解：技术原理、激光类型、优缺点与工业应用
什么是激光焊接？
激光束焊接（LBW）是利用激光将金属或热塑性塑料连接的焊接技术。光束提供集中热源，实现窄深熔深、高焊接速度。基于键孔或穿透模式焊接。激光焊接两种基本模式：热传导焊接和键孔焊接。模式取决于光束击中工件处的功率密度。常用于汽车工业等大批量自动化应用。激光焊接主优势：高能量密度使接头边缘区域熔化，不影响工件大面积区域。
激光焊接是高功率密度熔焊工艺，与电弧焊相比，热输入相对较低却能产生高深宽比焊缝。且可在"非真空"下进行，近红外固体激光光纤传输提供比其他连接技术更大灵活性。
激光束焊接机设备
激光束焊接主要部件：
- 激光机：产生激光用于焊接的机器，主要组件如下所示
- 电源：高压电源施加于激光机产生激光束
- CAM：计算机辅助制造，激光机与计算机集成执行焊接，焊接全过程控制由CAM完成，大幅提速
- CAD：计算机辅助设计，设计焊接工件及焊接实施方式
- 保护气体：焊接过程中可用保护气体防止工件氧化
激光束焊接工作原理
激光焊接用激光束连接金属或热塑性塑料形成焊缝。作为高度集中热源，薄材料可高速焊接（米/分），厚材料可在方边件间形成窄深焊缝。原理：原子电子受激发射光子，光子浓度经受激辐射增强形成高能聚焦激光束。受激辐射光放大即激光。初始设置焊接机（两金属件间）于所需位置，施加高压电源操作。透镜聚焦激光至焊接区域。CAM控制焊接中激光速度和工件工作台。启动闪光灯发射光子，红宝石晶体原子吸收光子能量电子跃迁高能级。电子回落基态发射光子。该光子再激发原子电子产生两光子，过程持续获得聚焦激光束，用于多件焊接。
使用的激光类型
- 气体激光：用气体混合物作激光介质。氮、氦、CO₂混合物作介质
- 固体激光：用固体介质：合成红宝石晶体（氧化铝铬）、玻璃钕（Nd:glass）、钇铝石榴石钕（Nd:YAG，最常用）
- 光纤激光：激光介质为光纤本身
激光束焊接机优点
激光束精确控制较TIG、MIG、点焊优势：
- 焊缝强度：窄焊缝、优异深宽比、高强度
- 热影响区：热影响区小，快速冷却使周围材料不退火
- 适用金属：成功焊接碳钢、高强钢、不锈钢、钛、铝、贵金属及异种材料
- 精密作业：微小受控光束允许微型元件精密微焊
- 变形：零件变形收缩极小
- 非接触：材料与激光头无物理接触
- 单面焊接：可替代需单面接触的点焊
- 废料：可控、低废料量
激光束焊接机缺点
- 设备昂贵，工艺成本高
- 需填充材料时受限，相对昂贵
- 存在少量焊后操作
- 接头须精准横向定位于光束下
- 接头最终位置须精准对准光束照射点
- 激光束可焊最大接头厚度有限
- 高导热高反射材料（Al、Cu合金）影响激光焊接性
- 中高功率激光焊接需等离子控制装置确保重现性
- 激光能量转换效率低<10%
- 快速凝固特性可能导致焊缝气孔和脆性
激光束焊接机应用
- 汽车工业突出，用于大批量生产领域
- 高精度焊接，无电极使焊缝轻且强
- 珠宝制造常用
- 医疗工业小规模金属连接
工业技术