激光焊接不像MIG、TIG和電弧焊等技術(shù)那樣普及。這主要是因?yàn)橹钡阶罱€需要大量的投資。然而，大約在2006年，光纖激光技術(shù)取得了重大進(jìn)展，大幅降低了成本。在過去的18年里，進(jìn)一步的發(fā)展持續(xù)降低了激光焊接機(jī)的生產(chǎn)成本和擁有成本。
我們已經(jīng)到了這樣一個(gè)時(shí)期：激光焊接不僅適用于高產(chǎn)量的生產(chǎn)線，也適用于各類制造商。我們甚至看到手持設(shè)備的興起。
由于激光焊接變得如此容易獲得，現(xiàn)在正是探索這一經(jīng)過驗(yàn)證的工藝的好時(shí)機(jī)，提供精度、速度和成本效益。
概述
激光焊接是一種精密工藝，與傳統(tǒng)焊接方法相比，產(chǎn)生的變形非常小。它利用高能激光束將金屬熔合在一起，形成牢固的冶金結(jié)合。當(dāng)激光束的能量被金屬表面吸收時(shí)，熱量會(huì)使表面熔化，形成一個(gè)熔池，在幾毫秒內(nèi)重新凝固。
可以將激光焊接想象成放大鏡和太陽(yáng)。如果你將足夠的能量聚焦在金屬表面，就可以將其熔化——在某些情況下甚至可以將其汽化。
功率密度非常高，形成每平方厘米數(shù)百萬(wàn)瓦的集中熱源。要實(shí)現(xiàn)快速的激光焊接速度或達(dá)到深熔效果，就需要更大的激光功率。激光功率是導(dǎo)致設(shè)備成本上升的主要因素。
激光焊接可用于任何能夠熔化并重新凝固的材料。這意味著它不僅可用于焊接鋁、銅和不銹鋼等金屬，還可用于其他類型的材料，包括某些類型的熱塑性塑料、玻璃和復(fù)合材料。
傳導(dǎo)焊與小孔焊
傳導(dǎo)焊（左）和小孔焊（右）
傳導(dǎo)焊是一種柔和的工藝，激光束緩慢熔化金屬。在這種焊接過程中，金屬的溫度超過其熔點(diǎn)并達(dá)到液態(tài)，但不會(huì)進(jìn)入氣態(tài)。金屬內(nèi)部的熱傳遞在各個(gè)方向上是相似的。
傳導(dǎo)焊速度較慢，但能產(chǎn)生高質(zhì)量的焊接結(jié)果，幾乎沒有飛濺和煙霧。
小孔焊是一種快速但激進(jìn)的工藝，它熔化并汽化金屬，深入材料內(nèi)部。金屬在某些區(qū)域達(dá)到熔點(diǎn)甚至汽化溫度。因此，熔池的一部分處于氣態(tài)，可能會(huì)導(dǎo)致飛濺。金屬內(nèi)部的熱傳遞主要垂直于激光束。
小孔焊適用于高產(chǎn)量的生產(chǎn)線，因?yàn)樗俣瓤欤赡軙?huì)導(dǎo)致氣孔和較大的熱影響區(qū)（HAZ）。
異種金屬焊接
異種金屬的焊接異種金屬的激光焊接是可行的，但并非總是容易或可行。不同的金屬具有不同的熔點(diǎn)，對(duì)光的吸收率不同，導(dǎo)熱率也不同。
激光焊接橫截面視圖（SEM圖像）
一個(gè)250微米厚的鋁匯流排與
一個(gè)250微米厚的鍍鎳鋼圓柱電池相連
有實(shí)驗(yàn)在為電動(dòng)汽車電池焊接圓柱形和棱柱形電池與匯流排時(shí)，曾對(duì)異種金屬進(jìn)行過激光焊接。在那些情況下，我們焊接了鋁與鍍鎳銅以及鋁與鍍鎳鋼。
在激光焊接異種金屬時(shí)，兩種金屬不會(huì)融合成均勻的混合物，而是在兩種金屬的界面處連接。這會(huì)形成一個(gè)不如焊接同種金屬那樣結(jié)構(gòu)堅(jiān)固的接頭。
為了解決這個(gè)問題，有兩種策略可用：
? 可以使用填充材料來(lái)形成更堅(jiān)固的接頭（就像其他焊接技術(shù)一樣）。在這種情況下，我們說(shuō)的是一個(gè)稱為激光釬焊的過程，而不是激光焊接。
? 可以使激光束振蕩，以幫助更緩慢地熔合不同的金屬。這一過程被稱為激光擺動(dòng)，需要額外的光學(xué)組件。激光擺動(dòng)還有其他好處，因?yàn)樗兄谙駝t會(huì)在接頭處產(chǎn)生氣孔的氣體。
可調(diào)環(huán)模式
減少飛濺的最佳策略之一是使用我們所說(shuō)的可調(diào)環(huán)形模式。
雖然在激光焊接時(shí)能量通常集中在很小的一個(gè)點(diǎn)上，但環(huán)形模式能夠?qū)δ芰康姆植继峁└呒?jí)的控制。
環(huán)繞激光光斑的環(huán)形區(qū)域可用于預(yù)熱零件。這有助于更好地控制熔池，最終減少飛濺。
要能夠使用不同的環(huán)形模式，就需要一根帶有外芯的光纖電纜來(lái)投射一個(gè)“外環(huán)”光束。
不同的環(huán)形模式（上）以及用于調(diào)整環(huán)形模式的光纖電纜（下）
激光焊接是什么時(shí)候發(fā)明的？
激光焊接的首次實(shí)驗(yàn)可追溯到20世紀(jì)60年代——就在泰德·梅曼制造出第一臺(tái)激光器之后不久。但直到1967年，巴特爾紀(jì)念研究所的研究人員進(jìn)行了激光焊接演示之后，制造商們才開始看到其在工業(yè)應(yīng)用中的真正潛力。
要了解這一工藝在制造業(yè)中占據(jù)如此重要地位的緣由，我們需要追溯到激光本身的發(fā)明。以下是塑造了如今我們所知的激光焊接技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)步。
1917年-阿爾伯特·愛因斯坦發(fā)現(xiàn)受激輻射，為將光放大成激光束提供了必要的理論基礎(chǔ)。
1957年-戈登·古爾德提出了激光的理論框架。
1960年-泰德·梅曼制造出了第一臺(tái)激光器——紅寶石激光器，開啟了激光潛在應(yīng)用的大門。
20世紀(jì)60年代-各種實(shí)驗(yàn)被開展以證明激光焊接的可行性。
1962年-美國(guó)光學(xué)公司的研究人員使用Nd：玻璃激光器焊接鋼和鈦。
1963年-艾利斯·斯尼策展示了第一臺(tái)光纖激光器，但其輸出功率和效率與其它激光器相比有所不足。
1964年-在貝爾實(shí)驗(yàn)室，吉尤西等人發(fā)明了Nd：YAG激光器，其功率和效率均高于Nd：玻璃激光器。
1967年-在巴特爾紀(jì)念研究所，研究人員展示了激光焊接的實(shí)際應(yīng)用和可行性。這為激光焊接的進(jìn)一步發(fā)展和廣泛應(yīng)用鋪平了道路。
1970年-在西方電氣公司，首次使用CO2激光器進(jìn)行激光焊接，其功率高于Nd：YAG等固態(tài)激光器，且成本更低。20世紀(jì)80年代-英國(guó)南安普敦大學(xué)推出了光纖激光器，這種激光器具有更高的光束質(zhì)量和效率、更低的維護(hù)成本以及更易于集成的特點(diǎn)。
20世紀(jì)90年代-激光系統(tǒng)開始與機(jī)械臂集成，用于自動(dòng)化焊接過程。這些早期系統(tǒng)要求工件靠近激光源。
21世紀(jì)初-光纖激光技術(shù)的進(jìn)步使激光焊接對(duì)更廣泛的制造商來(lái)說(shuō)變得經(jīng)濟(jì)實(shí)惠。掃描頭的進(jìn)步為遠(yuǎn)程焊接鋪平了道路，使得從遠(yuǎn)處精確引導(dǎo)激光束成為可能。
2010年代-遠(yuǎn)程激光焊接系統(tǒng)變得越來(lái)越可行且在市場(chǎng)上廣泛可用，能夠通過光纖電纜將激光能量傳輸?shù)礁h(yuǎn)距離的工件上。
激光焊接技術(shù)在激光功率、光學(xué)元件、光束質(zhì)量、掃描頭和計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)等多個(gè)方面不斷發(fā)展。
哪些類型的激光可以用于焊接？
光纖激光器是焊接中最常用的激光類型，但其他類型的激光也可以用于焊接，包括藍(lán)光激光器、綠光激光器、二氧化碳激光器、Nd:YAG激光器和二極管激光器。
讓我們來(lái)看看每種類型的激光，以了解它們?nèi)绾斡糜诤附印?/span>
在選擇激光類型時(shí)，需要考慮的一個(gè)重要因素是其波長(zhǎng)。每種金屬對(duì)波長(zhǎng)的吸收和反射百分比各不相同。如果波長(zhǎng)吸收良好，則所需的激光功率就少。
下面的圖表概述了常見金屬及其在不同波長(zhǎng)下的吸收光譜。
激光焊接的優(yōu)勢(shì)有哪些？
與MIG、TIG和電弧焊等其他方法相比，激光焊接具有廣泛的優(yōu)勢(shì)。讓我們來(lái)看看其中最重要的幾點(diǎn)。
熱影響區(qū)（HAZ）更小。激光束的能量集中在極小的區(qū)域，并且盡早移動(dòng)。憑借這種精度和控制水平，只有需要加熱的區(qū)域才會(huì)被加熱，不會(huì)產(chǎn)生不必要的熱量輸入。
零件能保持更好的機(jī)械性能。由于熱量輸入低，熱變形和零件翹曲的情況較少。采用其他焊接方法時(shí)，多余的熱量會(huì)降低機(jī)械性能，通常需要進(jìn)行校直。而激光焊接則無(wú)需這一步驟。
工程師能夠設(shè)計(jì)出更輕的零件。采用其他焊接方法時(shí)，機(jī)械工程師通常通過設(shè)計(jì)更厚的材料來(lái)應(yīng)對(duì)多余的熱量輸入。但激光焊接由于加熱盡可能少，可以使用薄材料，這有助于降低產(chǎn)品重量和材料成本。這對(duì)于航空航天和汽車行業(yè)的制造商來(lái)說(shuō)非常重要，因?yàn)闇p輕車輛重量是提高續(xù)航里程的關(guān)鍵目標(biāo)。
由于精度高，小部件也能進(jìn)行焊接。這在電子元件、接線片連接以及類似應(yīng)用中尤其重要。
激光焊接比其他工藝更快。得益于光纖激光技術(shù)，工業(yè)激光器能夠輕松達(dá)到數(shù)千瓦的功率，足以滿足最苛刻的生產(chǎn)要求。
焊接質(zhì)量更高是工藝控制更佳的直接結(jié)果。在焊接過程中，材料的快速加熱和冷卻有助于防止質(zhì)量問題。例如，氫脆的可能性降低。氫脆是氫氣滲入金屬導(dǎo)致機(jī)械損傷的現(xiàn)象。由于工藝速度快，氫氣吸收和擴(kuò)散的時(shí)間極短。
激光焊接易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，原因在于遠(yuǎn)程操作能力、磨損極小以及可重復(fù)性。這使其成為那些難以找到專業(yè)焊工的制造商的有趣技術(shù)。
激光焊接有哪些缺點(diǎn)？
在焊接過程中，激光安全是一個(gè)非常嚴(yán)肅的問題。激光束及其反射光可能會(huì)導(dǎo)致眼睛受傷、皮膚灼傷以及引發(fā)火災(zāi)。理想情況下，激光應(yīng)被封閉在一個(gè)一級(jí)激光安全防護(hù)罩內(nèi)，以防止激光束及其反射光外泄。
對(duì)于某些應(yīng)用來(lái)說(shuō)，這可能會(huì)帶來(lái)麻煩。像船舶這樣的大型部件和結(jié)構(gòu)很難被封閉在圍欄內(nèi)。可以探索除圍欄之外的其他解決方案來(lái)控制光束（例如，有些解決方案使用夾緊工具來(lái)阻擋光束）。
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