激光焊接的相关知识及行业应用

激光焊接原理（主要讲金属材料的激光焊接）：

激光焊接是将高强度的激光束辐射至金属表面，通过激光与金属的相互作用，金属吸收激光转化为热能使金属熔化后冷却结晶形成焊接。

激光焊接的机理有两种：

1、热传导焊接：当激光照射在材料表面时，一部分激光被反射，一部分被材料吸收，将光能转化为热能而加热熔化，材料表面层的热以热传导的方式继续向材料深处传递，最后将两焊件熔接在一起。常用于脉冲激光焊接机，深宽比小于1。

2、激光深熔焊：当功率密度比较大的激光束照射到材料表面时，材料吸收光能转化为热能，材料被加热熔化至汽化，产生大量的金属蒸汽，在蒸汽退出表面时产生的反作用力下，使熔化的金属液体向四周排挤，形成凹坑，随着激光的继续照射，凹坑穿入更深，当激光停止照射后，凹坑周边的熔液回流，冷却凝固后将两焊件焊接在—起。常用于连续激光焊接机，深宽比大于1。

激光焊接特点：

1、速度快、深度大、变形小。

2、能在室温或特殊条件下进行焊接，焊接设备装置简单。例如，激光通过电磁场，光束不会偏移；激光在真空、空气及某种气体环境中均能焊接，

并能通过玻璃或对光束透明的材料进行焊接。

3、可焊接难熔材料如钛、石英等，并能对异性材料进行焊接，效果良好。

4、激光聚焦后，功率密度高，在采用高功率激光焊接机焊接时，深宽比可达5：1。

5、可进行微型焊接。激光束经聚焦后可获得很小的光斑，且能精确定位，可应用于大批量自动化生产的微、小型工件的组焊中。

6、可焊接难以接近的部位，进行非接触远距离焊接，具有很大的灵活性。

7、激光束可实现能量分光与时间分光，进行多工位同时焊接及多工位分时焊接，大大提高生产效率和设备的利用率。

激光焊接按激光器分类：

脉冲激光器焊接和光纤连续激光器焊接，区别如下：

激光焊接方式：

按产品组合方式分如下：

对接焊缝隙要求：尽量无缝隙，一般小于0.05mm。并且越薄的产品要求越严格。

穿透焊缝隙要求：上下层尽量贴合牢固。上层材料越薄，要求贴合越紧。

激光焊接与其他焊接方式对比：

金属材料焊接特性：

材料细分：

1：钢的焊接特性

钢是含碳量在0.04%-2.3%之间的铁碳合金。为了保证其韧性和塑性，含碳量一般不超过1.7%。为了提高钢的力学性能、工艺性能或某些特殊性能（如耐腐蚀性、耐热性、耐磨性等），冶炼中有目的地加入一些合金元素（如Mn、Si、Cr、Ni、Mo、W、V、Ti等），这种钢称为合金钢。按化学成份分类

（1） 碳素钢：

a.低碳钢（C≤0.25%）；

b.中碳钢（C≤0.25~0.60%）；

c.高碳钢（C≤0.60%~2.11%）。

含碳量越高，熔池越容易产生爆孔。

（2）合金钢：

a.低合金钢（合金元素总含量≤5%）；

b.中合金钢（合金元素总含量＞5~10%）；

c.高合金钢（合金元素总含量＞10%）。

合金钢可焊性视合金元素而定，跟不锈钢熔点特性相近的可焊性好。

不锈钢特性：

（3）不锈钢（StainlessSteel）

指耐空气、蒸汽、水等弱腐蚀介质和酸、碱、盐等化学浸蚀性介质腐蚀的钢。

不锈钢按组织状态分为：马氏体钢、铁素体钢、奥氏体钢等。

马氏体不锈钢，马氏体不锈钢主要为铬含量在12%-18%范围内的低碳或高碳钢，主要合金元素是铁、铬和碳。不锈钢中，马氏体不锈钢的焊接性最差，焊接接头通常硬而脆，并伴有冷裂倾向。焊接含碳量大于0.1%的不锈钢时，预热和回火可以降低裂纹和脆裂的倾向。如403、410、414、416、420、440A、440B和440C型。

奥氏体不锈钢，是指在常温下具有奥氏体组织的不锈钢。钢中含Cr约18%、Ni
8%~10%、C约0.1%时，具有稳定的奥氏体组织。激光焊接性能一般都较好，奥氏体不锈钢由于加入硫和硒等元素以提高机械性能，凝固裂纹的倾向有所增加。奥氏体不锈钢的导热系数只有碳钢的1/3，吸收率比碳钢略高，焊接熔深约普通碳钢深5~10%左右。激光焊接热输入量小、焊接速度高，非常适用于Cr-Ni系列不锈钢的焊接常见的奥氏体不锈钢有：201，301，302，303，304。

不锈钢的可焊性是最好的，焊接熔池最完美！

（4）200 系列—铬-镍-锰
奥氏体不锈钢，300 系列—铬-镍
奥氏体不锈钢。各字母表示的意思：Cr表示铬 Ni表示镍 Mn表示锰 1表示碳含量(304里的0不是没碳而是碳含量小于0.1%属于低碳)201：1Cr17Mn6Ni5N，表示含有1%碳、17%锰、17%铬和6%镍的奥氏体不锈钢201不锈钢；304：0Cr19Ni9
(0Cr18Ni9)，表示含有小于0.1%碳、18%/19%铬和9%镍的奥氏体不锈钢304不锈钢；201不锈钢含锰,在空气潮湿含盐份重保养不好的情况下容易氧化生锈（当然情况比铁制品要好得多，而且不锈钢氧化生锈是可以作拉丝、抛光等再次处理的，不像铁制品一样表面的电镀层锈蚀后没办法处理）。304不锈钢不含锰含铬和镍较多,不易氧化生锈；201不锈钢的价格是铁（镀铬或喷涂家具用材）的价格的3-4倍，304不锈钢的价格比201不锈钢贵一大半或将近1倍。304表面是带有金属发白光泽的。相对201就像塑料板。

铁素体不锈钢，以铁素体组织为主的不锈钢。含铬量在11%~30%，具有体心立方晶体结构。这类钢一般不含镍，有时还含有少量的Mo、Ti、Nb等到元素，这类钢具导热系数大，膨胀系数小、抗氧化性好、抗应力腐蚀优良等特点。如：430。

与奥氏体和马氏体不锈钢相比，用激光焊接铁素体不锈钢产生热裂纹和冷裂纹的倾向最小。

2：铝合金的焊接特性

表面反射率高、导热率高，在进行焊接时需要较高的功率密度。难以形成稳定熔池。许多铝合金中含有易挥发的元素，如硅、镁等，焊缝中存在较多气孔。液态铝的粘度较低，表面张力也很低，熔池中液态金属易溢出，影响焊缝成形。一些铝合金的焊接熔池在凝固过程中可能产生热裂纹。裂纹的形成与冷却时间，焊缝保护程度有关。纯度越高的铝越好焊接，3系铝以内的焊接效果都可以，纯度不高的铝焊接熔池会产生爆孔，容易有裂纹。

激光焊接工艺特点

影响激光焊接质量的工艺参数比较多，如功率密度、光束特性、离焦量、焊接速度、激光脉冲波形和辅助吹气等。

1、功率密度

功率密度是激光焊接中最关键的参数之一。

采用较高的功率密度，在几微秒时间内，可迅速将金属加热至熔点，形成良好的熔融焊接。

功率密度由峰值功率和焊点面积决定。功率密度=峰值功率÷焊点面积，在焊接高反射材料如铝，铜时，需要提高功率密度，也就是设定较大的电流或者功率，尽量在焦点附近焊接。

2、激光脉冲波形

激光脉冲波形在激光焊接中十分重要(尤其是对薄片焊接) 。当高强度激光束射至材料表面时，金属表面将会有60% ～90%的激光能量因反射而损失掉，且反射率随表面温度不同而改变。在一个激光脉冲作用期间内，金属反射率的变化很大。

金属材料在固态时，对激光的反射率较大，一旦材料表面熔化后，反射率降低，吸收率增加，可以缓慢降低电流或者功率。所以脉冲波形通常如下:

3、离焦量

　　离焦量是指工件表面偏离焦平面的距离。离焦位置直接影响拼焊时的小孔效应。离焦方式有两种：正离焦和负离焦。焦平面位于工件上方为正离焦，反之为负离焦。当正负离焦量相等时，所对应平面的功率密度近似相同，但实际上所获得的熔池形状不同。负离焦时，可获得更大的熔深，这与熔池的形成过程有关。实验表明，激光加热50～200μs时材料开始熔化，形成液相金属并出现部分汽化，形成高压蒸气，并以极高的速度喷射，发出耀眼的白光。与此同时，高浓度气体使液相金属运动至熔池边缘，在熔池中心形成凹陷。负离焦时，材料内部功率密度比表面还高，易形成更强的熔化、气化，使光能向材料更深处传递。所以实际应用中熔深较大时，应采用负离焦，焊接薄材料时宜采用正离焦。

焦点位置: 光斑最小、能量最大点；点焊时可以使用，或者小能量且要求点小的时候；

负离焦位置：光斑略大，越远离焦点光斑越大，适合深熔的连续焊接及深熔点焊；

正离焦位置：光斑略大，越远离焦点光斑越大，适合便面密封焊的连续焊接或者熔深要求不高的场合；
4、焊接速度

　　焊接速度决定了焊接表面质量、熔深、热影响区等。可以通过降低焊接速度或增大焊接电流来改善熔深。通常采用降低焊接速度的方法来改善熔深，以延长设备使用寿命。

5 、辅助吹气

　　辅助吹气在高功率激光焊接中是必不可少的一道工序。一方面是为了防止金属材料溅射而污染聚焦镜(同轴保护气) ；另一方面是为了防止焊接过程中产生的高温等离子体过多集聚，阻挡激光到达材料表面(侧吹气) ；第三方面是吹保护气隔绝空气，达到保护焊接熔池不被氧化的效果。辅助气体的种类和吹气量大小对焊接结果有较大影响，不同的吹气方法也会对焊接质量产生一定的影响。

6、光纤和焊接头配置

D焦点直径=D光纤直径 X f聚焦焦距/f准直聚焦

例子：D光纤直径=0.6mm f聚焦焦距=120mm f准直聚焦=150mm

D焦点直径=0.6X120/150=0.48mm

根据产品的材料、厚度、熔深和配合间隙来确定具体的配置。

长聚焦特点：

1、工作距离较大，可以避免治具的干涉，减小产品高度的波动影响，降低飞溅物对保护镜片的污染。

2、如达到同样的熔深，需要加大设备的功率。

应用案例如下：（以下都是迅镭激光做过的案例）