激光焊接是一種利用高能量密度的激光束作為熱源進(jìn)行材料加工的技術(shù)。根據(jù)激光與材料相互作用的方式不同，激光焊接可以分為熱傳導(dǎo)焊接和小孔（或深熔）焊接兩種主要模式。
熱傳導(dǎo)焊接是指激光束的能量通過材料表面吸收并轉(zhuǎn)化為熱能，然后通過熱傳導(dǎo)方式向材料內(nèi)部傳遞，使材料局部加熱至熔化溫度，從而實(shí)現(xiàn)焊接。適合于精密部件、電子元件等對(duì)熱輸入敏感的材料焊接。
小孔（深熔）焊接是指當(dāng)激光功率密度達(dá)到一定值時(shí)，材料表面會(huì)瞬間蒸發(fā)形成蒸汽，在激光束作用下產(chǎn)生一個(gè)充滿蒸汽的小孔。這個(gè)小孔的存在使得激光束能夠深入材料內(nèi)部，形成深而窄的焊縫。隨著材料的熔化和冷卻，最終形成了牢固的焊接接頭。廣泛應(yīng)用于汽車制造、航空航天等領(lǐng)域，特別是在需要高強(qiáng)度、深穿透焊接的應(yīng)用中。
一、激光焊接技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀
激光焊接技術(shù)是伴隨著激光技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展起來的，近些年，藍(lán)光激光器、綠光激光器、飛秒激光器等新光源，擺動(dòng)焊接、ARM（adjustable ringmode）環(huán)形可調(diào)光斑焊接等新工藝不斷被推出，創(chuàng)新性地解決了工業(yè)生產(chǎn)中的一些焊接難題，這使得激光焊接在工業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域得到快速推廣和發(fā)展。
1、金屬激光焊接技術(shù)
激光的高能量密度使一些難焊金屬材料的焊接成為可能，但對(duì)于金、銀、銅、鋁等高反射材料、異種金屬材料的焊接依然存在一些問題。主要原因包括：①高反射率、高導(dǎo)熱率，激光焊接需要較高的起始功率；②高功率激光焊接過程中，對(duì)材料表面狀態(tài)的變化比較敏感，導(dǎo)致焊點(diǎn)/焊縫成型不好；③激光焊接速度較快，導(dǎo)致焊縫內(nèi)部易出現(xiàn)氣孔等焊接缺陷，尤其是鋁及鋁合金。
1）銅及銅合金的高效激光焊接
銅具有優(yōu)良的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能，被廣泛應(yīng)用于電子產(chǎn)品、電動(dòng)汽車等制造領(lǐng)域，其中電動(dòng)機(jī)、電池、傳感器以及線束和終端等產(chǎn)品應(yīng)用最為廣泛。
過去，金屬材料激光焊接主要依賴紅外激光進(jìn)行。然而，銅導(dǎo)熱系數(shù)過高，幾乎是純鐵的5倍，純鋁的1.7倍，銅對(duì)紅外激光吸收率低，單純采用紅外激光進(jìn)行直線焊接，具有不穩(wěn)定的工藝窗口和最大的熔深波動(dòng)，易出現(xiàn)焊接飛濺、熔融金屬噴濺、氣孔和熔透深度大幅波動(dòng)等問題。
圖片來源：通快激光
因此，大功率短波長激光器出現(xiàn)后，可見光激光焊接及復(fù)合焊接成為銅及銅合金等高反射材料的理想加工方式。
①綠光激光焊接
綠光激光是波長為500～560nm的一種可見光，銅對(duì)波長λ= 515nm的綠光吸收率高達(dá)40%，是1μm左右紅外光吸收率的8倍左右，且能量耦合效率更高，對(duì)表面氧化程度的敏感性也降低。
圖片來源：通快激光
采用綠光激光可以顯著降低銅深熔焊接的閾值功率，焊縫表面的熔噴量和飛濺數(shù)量少，且?guī)缀醪皇芎附铀俣扔绊憽Ｈ绻黾庸馐鴴呙琛⒐馐x焦以及正確的激光功率調(diào)制，還可顯著提高焊接質(zhì)量，焊縫缺陷數(shù)量大大減少的同時(shí)，焊縫表面還會(huì)更加規(guī)則和均勻。
②藍(lán)光激光焊接
藍(lán)光激光波長為400nm～500nm，基于氮化鎵材料的半導(dǎo)體激光器可直接產(chǎn)生波長450nm的激光，無需進(jìn)一步倍頻，有結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、電-光轉(zhuǎn)換效率、吸收率高等優(yōu)點(diǎn)。
藍(lán)光激光器相較于工業(yè)加工常用的光纖激光器，金屬材料在450nm處的吸收率提升了10%-60%，尤其對(duì)銅、金等高反射金屬材料吸收率的提升更為明顯。據(jù)驗(yàn)證，銅焊接所需的能耗比紅外激光器低84%，這意味著，當(dāng)紅外激光器需要10 kW的激光功率來焊接銅材時(shí)，使用藍(lán)光激光器僅需要約1 kW或0.5 kW的功率。
截止目前，廣東硬科院&卓劼激光已成功自研多款藍(lán)光半導(dǎo)體激光器，功率全面覆蓋100W至3500W，可為客戶提供包含關(guān)鍵加工配件、加工工藝的定制化整體解決方案。
③雙光束復(fù)合焊接
采用紅外-可見光雙光束復(fù)合焊接工藝，通過較小功率的可見光激光，可以使紅外激光在低于深熔焊接閾值功率時(shí)，實(shí)現(xiàn)銅的強(qiáng)制深熔焊接，并大幅減少焊接飛濺，設(shè)備成本低，焊接質(zhì)量高，被認(rèn)為具有非常突出的優(yōu)勢和良好的應(yīng)用前景。
上圖為廣東硬科院&卓劼激光自研藍(lán)光+紅外雙光束復(fù)合一體激光器充分發(fā)揮藍(lán)光高吸收率+紅光高能量密度優(yōu)勢，目前已成功應(yīng)用于新能源、電動(dòng)汽車領(lǐng)域銅材加工等場景。
2）鋁合金激光擺動(dòng)焊接
采用常規(guī)單焦點(diǎn)聚焦激光束焊接鋁合金時(shí)，氣孔是常見的缺陷。鋁合金形成氣孔的原因主要有：①焊接熔池和匙孔劇烈振動(dòng)容易塌陷失穩(wěn)，形成氣孔；②氫在鋁合金中的溶解度會(huì)隨著溫度的降低而急劇下降，從而導(dǎo)致凝固過程中過飽和氫析出，形成氫氣孔。氣孔的存在會(huì)引起焊縫中的應(yīng)力集中，進(jìn)而造成凝固過程中焊縫開裂。
①激光擺動(dòng)焊接
焊接過程中，光束沿著焊縫方向移動(dòng)過程中同時(shí)進(jìn)行圓形、8字形、螺旋線等多種形態(tài)的擺動(dòng)。
上圖為廣東硬科院&卓劼激光自研藍(lán)光+紅外雙光束復(fù)合焊接頭將藍(lán)光和紅外光束進(jìn)行同軸復(fù)合輸出，可用于多種有色金屬、不銹鋼以及異種材料的加工，尤其適用于銅、鋁等高反材料的焊接，能大幅提高焊接質(zhì)量和焊接效率，可廣泛應(yīng)用于平臺(tái)自動(dòng)化或機(jī)器人自動(dòng) 化場景下的激光焊接、激光淬火、激光熔覆等高端加工領(lǐng)域。
目前，實(shí)現(xiàn)光束擺動(dòng)主要通過能夠承受高功率激光的振鏡實(shí)現(xiàn)，激光擺動(dòng)焊接的光束作用面積增大，使得匙孔與熔池面積及熔池根部尺寸增大，提高了匙孔和熔池的穩(wěn)定性，對(duì)熔合不良和咬邊等缺陷有明顯的改善作用。同時(shí)，擺動(dòng)光束對(duì)熔池的攪拌，加速了熔池的對(duì)流，使得熔池中氣泡的逸出速度提升，降低了氣孔率。
二、當(dāng)前激光焊接技術(shù)在各領(lǐng)域中的應(yīng)用
激光用于焊接并不比切割晚，目前我國已經(jīng)有專業(yè)從事激光焊接的企業(yè)，早期以燈泵浦激光、YAG激光焊接為主，都是很傳統(tǒng)的小功率激光焊，在模具、廣告字、眼鏡、珠寶首飾等幾個(gè)領(lǐng)域有所應(yīng)用，規(guī)模非常有限。近些年，隨著激光器功率的不斷提升，更重要的是半導(dǎo)體激光器、光纖激光器逐漸開發(fā)了激光焊接應(yīng)用場景，破除了原來激光焊接的技術(shù)瓶頸，打開了新的市場空間。
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展以及人民消費(fèi)水平、生活質(zhì)量的改善，汽車生產(chǎn)領(lǐng)域?qū)ζ囓圀w的輕量化以及對(duì)汽車車身的藝術(shù)美學(xué)的要求越來越高，激光焊接技術(shù)因其加工效果優(yōu)良、產(chǎn)品質(zhì)量好、工作效率高等優(yōu)點(diǎn)脫穎而出，迅速成為汽車生產(chǎn)領(lǐng)域焊接工藝技術(shù)應(yīng)用中的寵兒。
在車輛生產(chǎn)中，激光焊接技術(shù)主要運(yùn)用在厚鋼板的激光拼焊、汽車總成和分系統(tǒng)總成的激光組焊、車輛零件的激光焊接等工序中。歐美一些國家的汽車制造商對(duì)激光焊接技術(shù)的應(yīng)用起步比較早，開始于20世紀(jì)80年代，奧迪、奔馳、通用等大家耳熟能詳?shù)钠嚿a(chǎn)品牌當(dāng)時(shí)就開始將激光焊接技術(shù)引入到車輛生產(chǎn)制造中，促進(jìn)了激光焊接技術(shù)在車輛生產(chǎn)制造領(lǐng)域中的深入運(yùn)用與發(fā)展。
動(dòng)力電池的激光焊接應(yīng)該是近年最亮眼的焊接應(yīng)用需求，對(duì)聯(lián)贏激光、逸飛激光、大族新能源等企業(yè)有較大的推動(dòng)。其次應(yīng)該是汽車車身、零部件的焊接，中國是全世界最大的汽車市場，老牌車企眾多，新車企不斷涌現(xiàn)，擁有近百個(gè)汽車品牌。比如我國的一汽、奇瑞、廣汽本田等都已采用自動(dòng)化激光焊接產(chǎn)線；中車唐山機(jī)車、中車青島四方機(jī)車也采用了千瓦級(jí)焊接技術(shù)；在動(dòng)力電池方面就更多了，寧德時(shí)代、中航鋰電、比亞迪、國軒等頭部企業(yè)均大量用上了激光焊接設(shè)備。
三、激光焊接技術(shù)發(fā)展趨勢
隨著焊接技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展與突破，在激光焊接技術(shù)的研發(fā)過程中就更顯示出了它的獨(dú)到之處。激光焊接技術(shù)可以對(duì)金屬材料進(jìn)行快速而高效的焊接，當(dāng)激光束產(chǎn)生的瞬間，由于其自身具有的高聚焦特性，可導(dǎo)致在激光束內(nèi)蘊(yùn)含有極高的功率密度，這使得激光束能夠在極其短的時(shí)間內(nèi)釋放出大量的熱能量，進(jìn)而使焊接效率大為提高，確保焊接質(zhì)量。
另外，由于激光焊接技術(shù)所擁有的瞬時(shí)焊接優(yōu)勢，從而使得它有著十分廣泛的應(yīng)用前景。在激光焊接技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用過程中，激光束在直接照射金屬材料表面時(shí)，并不會(huì)對(duì)金屬材料的照射面積之外產(chǎn)生影響，因此也沒有引起金屬材料表面在焊接過程中產(chǎn)生較大損傷，并且在焊接過程全部完成后也不需再進(jìn)行相關(guān)的表面加工處理，這使激光焊接技術(shù)特別適合于對(duì)各類精密零件表面進(jìn)行加工處理，使得較高難度的焊接作業(yè)也可以快速實(shí)現(xiàn)。
此外，在以往的焊接技術(shù)規(guī)范中，通常規(guī)定了對(duì)所有焊接材料的材質(zhì)要求都必須一致，而采用了激光焊接技術(shù)，就不必再對(duì)焊接材料的材質(zhì)有很大的限制，所以即便是材質(zhì)不同的焊接材料，也可以使用激光焊接技術(shù)實(shí)現(xiàn)輕松焊接。可以說，激光焊接技術(shù)的形成與廣泛應(yīng)用，既有效地克服了傳統(tǒng)焊接技術(shù)中所出現(xiàn)的問題，又減輕了傳統(tǒng)焊接作業(yè)的難度。
激光焊接技術(shù)經(jīng)過半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，其技術(shù)水平也走向了日益完善，并且已經(jīng)逐步地在越來越多的工業(yè)領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用。
在航空航天、電子儀表、機(jī)械制造、鋼鐵冶金、汽車制造、醫(yī)療器械等行業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域當(dāng)中，激光焊接技術(shù)發(fā)揮著日益巨大的功能，比如：在汽車零部件生產(chǎn)當(dāng)中，便可以采用激光焊技術(shù)來對(duì)車輛的覆蓋部件進(jìn)行加工生產(chǎn)，而美國、日本等先進(jìn)國家還把激光焊技術(shù)運(yùn)用到純氮?dú)猸h(huán)境中的航空配件生產(chǎn)當(dāng)中。
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