激光焊接的特性
3系铝合金的激光焊接特性详解
3系铝合⾦的激光焊接特性详解作者 / 刘东宇、王锦军上海飞博激光科技有限公司随着汽车⾏业的不断壮⼤，纯电动汽车和燃料电池汽车将共同主导中国新能源汽车市场的未来发展。
电动车轻量化和电池的⼤量使⽤，必然涉及到越来越多的铝合⾦焊接⼯艺。
铝合⾦具有良好的物理、化学和机械性能，是⼯业⽣产中⼀种重要的轻⾦属材料。
⽬前铝合⾦材料的焊接仍然主要以惰性⽓体钨极保护焊和熔化极惰性⽓体保护焊两种传统焊接⼯艺进⾏焊接。
这两种焊接⼯艺焊接速度慢、⽣产效率低，⽽且焊接热输⼊⼤，导致铝合⾦焊接变形较⼤；同时焊接接头处晶粒粗⼤，导致产品质量较差。
⽽激光作为⼀种⾼能量密度的热源，具有较快的焊接速度和较⼩的热输⼊，因此焊接变形⼩，获得的产品质量也较为优异。
下⾯以激光焊接⼯艺来进⾏铝合⾦材料的焊接实验。
实验条件与⽅法实验设备实验采⽤⾼光束质量的飞博激光YDFL-2000-CW-SM（单模，30 µm芯径，M2≈1.6）和YDFL-2000-CW-MM（多模，50 µm芯径，M2≈7）⾼功率连续光纤激光器（⼯作模式为CW，中⼼波长为1080nm），嘉强BW240-4KW光纤激光⾼功率以及具有同轴 CCD 显⽰和照明功能的透射聚焦焊接头（准直聚焦配⽐为100:200），史陶⽐尔TX90六轴机器⼈，JZX91熔深显微镜等。
综合运⽤以上实验设备和⼯具，本⽂将具体对⽐同功率单模和多模两款激光器的焊接效果。
实验材料3系铝合⾦具有优秀的防锈特性，成形性、熔接性、耐蚀性同样良好，其中3003铝合⾦通常⽤于动⼒电池外壳，3A21铝合⾦⽤于微波组件外壳。
本次实验采⽤3003铝合⾦材料进⾏激光焊接测试。
焊接接头采⽤对接的⽅式，将⼯件切割成100 mm×100 mm×2 mm板材进⾏对焊。
3003 铝合⾦标准化学成分表元素Si Mg Fe Cu Mn Zn Ti元素含量0.60.050.70.2 1.0-1.60.10.15实验⽅法在焊接前⽤丙酮溶液超声波清洗器对试样进⾏25分钟的清洗，以清除试样表⾯的油污等杂质。
激光焊接工艺报告PPT —— 秦飞
一.激光加工概述 ⑤适合大件产品的加工； ⑥成本低廉，节省材料。 激光加工工艺：激光加工工艺包括切割、焊接、 表面处理、熔覆、打孔、划线等。不同的材料加 工方式对激光制造系统的激光功率和光束质量的 要求不同。
二.激光焊接技术 1、各种焊接技术及其优缺点 焊接技术简介
目前常用的焊接工艺有： →电弧焊（氩弧焊、手弧焊、埋弧焊、钨极气体保护电弧焊、 等离子弧焊、气体保护焊） →电阻焊 →高能束焊（电子束焊、激光焊） →钎焊 →以电阻热为能源：电渣焊、高频焊 ； →以化学能为焊接能源：气焊、气压焊、爆炸焊； →以机械能为焊接能源：摩擦焊、冷压焊、超声波焊、扩散 焊
（1）接头形式及装配要求 激光焊较多采用的是对接接头和搭接接头。
三.激光焊设备及工艺
（2）填充金属（激光填丝焊） 激光焊适合于自熔焊，一般不填加焊接材料，但有时为 了降低装备精度、改善焊缝成形和提高焊接结构的适应性，也 需填充金属 优点：能改变焊缝化学成分，从而达到控制焊缝组织、 改善成形和提高接头力学性能的目的。在有些情况下，还能提 高焊缝抗结晶裂纹的敏感性。
二.激光焊接技术
各种焊接特性对比
焊接工艺 精度 激光焊
钎焊 电阻焊 氩弧焊 等离子焊 电子束焊
变形 小
一般 大 大 一般 小
热影响 焊缝质量 很小
一般 大 大 一般 小
焊料 无
需要 无 需要 需要 无
使用条件
精密
精糙 精糙 一般 较好 精密
好
一般 一般 一般 一般 好
整体加热 需要电极 需要电极 需要电极 需要真空
二.激光焊接技术
影响激光焊接的主要障碍
（1）目前工业用激光器最大功率为25kW，可焊接的工件 最大厚度约为20mm，比电子束焊小得多 （2）对焊件加工、组装、定位要求较高 （3）高反射性及高导热性材料如铝、铜及其合金等，焊接 性会受激光所改变。 （4）能量转换效率太低，仅为10%-20%，难以焊接反射 率高的金属。 （5）设备昂贵。
激光焊接原理及工艺应用
相干性好： 普通光源上不同点发出的光在不同方向上、不同时间里都是杂乱无章的，经过透镜后也不可能会聚在一点上。 激光与普通光相比则大不相同。因为它的频率很单纯，从激光器发出的光就可以步调一致地向同一方向传播，可以用透镜把它们会聚到一点上，把能量高度集中起来，这就叫相干性高。一台巨脉冲红宝石激光器的亮度可达1015w/cm2·sr，比太阳表面的亮度还高若干倍。方向性强 激光的方向性比现在所有的其他光源都好得多，它几乎是一束平行线。如果把激光发射到月球上去，历经38.4万公里的路程后，也只有一个直径为2km左右的光斑。单色性好： 受激辐射光（激光）是原子在发生受激辐射时释放出来的光，其频率组成范围非常狭窄，通俗一点讲，就是受激辐射光单色性非常好，激光的“颜色”非常的纯（不同颜色，实际就是不同频率）。激光的单色性是实现激光加工的重要因素。我们可以通过简单的物理实验来说明这个问题亮度高
激光器分类
YAG脉冲激光焊接机由于加工精度高，热输入量小，工件变形小，生产效率快，自动化程度高等优点，被广泛应用于IT消费类电子产品的加工制造中
2、激光焊接原理及特性
激光焊接原理
激光焊接原理
激光焊接是利用激光束优异的方向性和高功率密度等特性进行工作，通过光学系统将激光束聚焦在很小的区域内，在极短的时间内使被焊处形成一个能量高度集中的热源区，从而使被焊物熔化并形成牢固的焊点和焊缝。
激光焊接的特性
焊接方式
热影响区
热变形
焊缝质量
是否添加焊料
焊接环境
激光焊接
较小
较小
较好
否
无要求
电子束焊
较小
较小
较好
否
真空
等离子弧焊
一般
一般
一般
是
激光焊接技术
激光焊接技术激光焊接技术是一种新型的高精度、高效率的焊接技术，可以在材料表面形成高能量密度焊缝，并将材料熔化焊接在一起。
激光焊接技术的特点是焊接速度快、效率高，焊缝形状优美，自动化程度高，质量可靠，广泛应用于航空、航天、军工、汽车、电子等领域。
一、激光焊接技术原理激光焊接技术是利用激光器将高能量密度的激光束集中在焊缝上，使材料熔化、熔池形成、冷却凝固而实现焊接的一种先进的现代化焊接方法。
激光束是由半导体激光器或固体激光器通过电子控制系统控制光束形状和作用时间发射出来的。
激光焊接的过程主要包括：激光束的聚焦、能量传递、熔化和混合、物质传递、凝固、焊缝形成。
二、激光焊接技术的发展激光焊接技术的发展主要经历了三个阶段：第一阶段：激光器材料的发展阶段，20世纪60年代，激光器材料逐渐成熟，发展起了高质量的氦氖和二氧化碳激光器。
第二阶段：焊接技术发展阶段，20世纪70年代，随着激光器的发展和材料科学的进步，激光焊接技术出现并得到了发展。
激光焊接技术的应用范围不断扩展，新型激光器的发展也为激光焊接技术的发展提供了更加先进的技术支持。
第三阶段：新技术的发展阶段， 20世纪80年代，多光子激光焊接技术、激光力学碎片技术、光纤激光传输技术等激光技术新技术的产生，为激光焊接技术的提升和发展提供了新的方向和思路。
三、激光焊接技术的应用激光焊接技术广泛应用于各种材料的焊接中，如金属材料、塑料材料、陶瓷材料等。
特别是对于高难度、高要求的应用领域，如修复设备、航空、航天、军工、汽车、电子、仪器、5G通信等领域的应用，激光焊接技术具有独特的优势。
四、激光焊接技术的优点1、激光焊接技术的焊缝成型放心，无需表面处理，可以达到密封、抗剪强度高等特点。
2、激光焊接技术的深度可以向内渗透，从而保证长时间有效的连接，无需二次处理。
3、激光焊接技术的低热影响区，焊接过程中的热量非常集中，对焊接件的影响很小，可以减轻变形。
4、激光焊接技术的可靠性高，通过电脑控制，可以达到一定的自动化程度。
激光焊接技术简介
第二章 激光焊接的根本原理
激光产生的三要素
三要素：鼓励源，工作介质，谐振腔
1.鼓励源 要想把处于低能态的粒子送到高能态去，就得有外力借助
工具来实现。这个过程类似于把水位很低的河水或井水抽 运到水塔上的蓄水池里，必须要有足够功率的水泵作功才 成。同理，要实现粒子数反转，首先必须消耗一定的能量 把大量粒子从低能级“搬运〞到高能级，这种过程在激光理 论上叫做泵浦或鼓励。由于其作用原理和水泵抽水相类似， 所以把能使大量的粒子从低能态抽运到高能态的鼓励装置 通称之为“光泵〞。
第二章 激光焊接的根本原理
三、谐振腔 适宜的工作物质有了，实现粒子数反转的鼓励源有了，
这下子该“激〞出激光了吧!还不行，因为人们在实验中发现 这样虽然可以产生受激辐射，但非常微弱，根本形不成可供人 们使用的激光。这很自然的使人们想到了采用放大的方法来解 决这个问题，于是出现了光学谐振腔。即利用两个面对面的反 射镜，使放大了的光在镜间来回被反射，反复通过镜间的介质 不断再放大，即反响放大。两个反射镜可以是平面，也可以是 球面。
第二章 激光焊接的根本原理
从图上可以看出，凡非腔轴方向的自发辐射，尽管它也可以诱 发激发态上的粒子产生光放大，但因介质体积有限，腔侧面又 是敞开的，终将逸出腔外。所以，产生激光的作用不大。唯独 沿腔轴方向的自发辐射才起作用。每当它碰到镜面时，便被反 射沿原路折回，又重新通过介质不断诱发激发态上的粒子产生 受激辐射光放大。由于受激辐射光在腔镜间往返运行，介质被 反复利用，腔轴方向受激辐射光就越来越强。其中一局部从局 部反射镜端射出，这就是激光；
第二章 激光焊接的根本原理
而其余局部留在腔内继续反响放大以维持不断的向外辐射激 光，如下图。介质内部沿纵轴方向偶然弱小的自发辐射经过 振荡和放大，最终形成强大的激光辐射过程就叫激光振荡放 大。由于光速极快，所以此过程极短。
激光焊的特点及其应用
激光焊的特点及其应用一、激光焊的特点1、优点激光焊是以高能量密度激光束作为热源的熔焊方法。
采用激光焊，不仅生产率高于彳专统的焊接方法，而且焊接质量也得到显著提高。
与一般焊接方法相比，激光焊具有以下特点。
1）聚焦激光束具有很高的功率密度（105~107W∕cm2或更高），加热速度快，具有高深宽比（在穿孔焊接的情况下，焊缝深度与宽度之比可以达到10:1）,焊接速度快特点，可实现深熔焊和高速焊。
激光焊接可以实现电脑或者数位控制，焊接速度相比传统焊接要快3-5倍，可明显提高焊接效率，提升整体制造效率。
2）焊缝平整美观，焊后无需处理或只需简单处理工序，同时焊缝质量高，无气孔，焊后组织可细化，焊缝强度、韧性相当于甚至超过母材金属。
4）激光加热范围小（＜1mm）,在同等功率和焊件厚度条件下，可将热量输入减少到最小所需量，热影响区变化范围小，热传导引起的变形也最低。
5）激光能发射、透射，能在空间传播相当距离而衰减很小，通过光导纤维、棱镜等光学方法弯曲传输、偏转、聚焦，并精确控制，聚焦光点小，可高精度定位，易实现自动化，特别适合于微型零件、难以接近的部位或远距离的焊接。
6）激光在大气中损耗不大，可以穿过玻璃等透明物体，适合于在玻璃制成的密封容器里焊接被合金等剧毒材料，同时激光不受电磁场影响，不存在射线防护，也不需要真空保护。
7）可焊接某些异种材料和一般焊接方法难以焊接的材料，如高熔点金属、非金属材料（如陶瓷、有机玻璃等）、对热输入敏感的材料都可激光焊，且焊后无需热处理。
8）激光焊接技术属于非接触式焊接，焊接方式不同于传统焊接，无需使用电极，对机具的损耗和形变影响非常少，能够将热入量很大限度的降低，降低因热传导产生的不利影响发生率。
2.局限性1）由于光束质量和激光功率的限制，激光束的穿透深度有限，高功率、高光束质量的激光器加工成本高，激光器特别是高功率连续激光器，价格昂贵，目前工业用激光器的最大功率为20kW,可焊接的最大厚度约20mm,比电子束焊小得多。
激光焊接的特点
一、激光焊接的主要特性激光焊接是激光材料加工技术应用的重要方面之一。
20世纪70年代主要用于焊接薄壁材料和低速焊接，焊接过程属热传导型，即激光辐射加热工件表面，表面热量通过热传导向内部扩散，通过控制激光脉冲的宽度、能量、峰值功率和重复频率等参数，使工件熔化，形成特定的熔池。
由于其独特的优点，已成功应用于微、小型零件的精密焊接中。
高功率CO2及高功率YAG激光器的出现，开辟了激光焊接的新领域。
获得了以小孔效应为理论基础的深熔焊接，在机械、汽车、钢铁等工业领域获得了日益广泛的应用。
与其它焊接技术相比，激光焊接的主要优点是：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施焊，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，并能对异性材料施焊，效果良好。
4、激光聚焦后，功率密度高，在高功率器件焊接时，深宽比可达5：1，最高可达10：1。
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，施行非接触远距离焊接，具有很大的灵活性。
尤其是近几年来，在YAG激光加工技术中采用了光纤传输技术，使激光焊接技术获得了更为广泛的推广和应用。
7、激光束易实现光束按时间与空间分光，能进行多光束同时加工及多工位加工，为更精密的焊接提供了条件。
但是，激光焊接也存在着一定的局限性：1、要求焊件装配精度高，且要求光束在工件上的位置不能有显著偏移。
这是因为激光聚焦后光斑尺雨寸小，焊缝窄，为加填充金属材料。
若工件装配精度或光束定位精度达不到要求，很容易造成焊接缺憾。
2、激光器及其相关系统的成本较高，一次性投资较大。
二、激光焊接热传导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，使金属熔化形成焊接。
在激光与金属的相互作用过程中，金属熔化仅为其中一种物理现象。
激光焊接原理与主要工艺参数
1．激光焊接原理激光焊接可以采用连续或脉冲激光束加以实现，激光焊接的原理可分为热传导型焊接和激光深熔焊接。
功率密度小于104~105 W/cm2为热传导焊，此时熔深浅、焊接速度慢；功率密度大于105~107 W/cm2时，金属表面受热作用下凹成“孔穴”，形成深熔焊，具有焊接速度快、深宽比大的特点。
其中热传导型激光焊接原理为：激光辐射加热待加工表面，表面热量通过热传导向内部扩散，通过控制激光脉冲的宽度、能量、峰功率和重复频率等激光参数，使工件熔化，形成特定的熔池。
用于齿轮焊接和冶金薄板焊接用的激光焊接机主要涉及激光深熔焊接。
下面重点介绍激光深熔焊接的原理。
激光深熔焊接一般采用连续激光光束完成材料的连接，其冶金物理过程与电子束焊接极为相似，即能量转换机制是通过“小孔”（Key-hole）结构来完成的。
在足够高的功率密度激光照射下，材料产生蒸发并形成小孔。
这个充满蒸气的小孔犹如一个黑体，几乎吸收全部的入射光束能量，孔腔内平衡温度达2500 0C左右，热量从这个高温孔腔外壁传递出来，使包围着这个孔腔四周的金属熔化。
小孔内充满在光束照射下壁体材料连续蒸发产生的高温蒸汽，小孔四壁包围着熔融金属，液态金属四周包围着固体材料（而在大多数常规焊接过程和激光传导焊接中，能量首先沉积于工件表面，然后靠传递输送到内部）。
孔壁外液体流动和壁层表面张力与孔腔内连续产生的蒸汽压力相持并保持着动态平衡。
光束不断进入小孔，小孔外的材料在连续流动，随着光束移动，小孔始终处于流动的稳定状态。
就是说，小孔和围着孔壁的熔融金属随着前导光束前进速度向前移动，熔融金属充填着小孔移开后留下的空隙并随之冷凝，焊缝于是形成。
上述过程的所有这一切发生得如此快，使焊接速度很容易达到每分钟数米。
2. 激光深熔焊接的主要工艺参数1)激光功率。
激光焊接中存在一个激光能量密度阈值，低于此值，熔深很浅，一旦达到或超过此值，熔深会大幅度提高。
只有当工件上的激光功率密度超过阈值（与材料有关），等离子体才会产生，这标志着稳定深熔焊的进行。
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２１ ０ ０年 １ １月
激 光 焊 接 韵 特 性
徐 国建 ， 王 虹 ， 丽 丽 ， 争 翔 ， 云 龙 ， 唱 杭 常 邢 飞
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从 ＴＨ ． ．Ｍａｍ ｎ等科 学 家们 在 １ ６ ｉａ ９ ０年发 明红 宝石 激 光 和 Ａ． ａ ａ Ｊｖ ｎ等科 学 家们 发 明 Ｈ — ｅ激光 ｅＮ 以来 经 过 讨论 ， 进 工 业 国 家从 ２ 了 十 多年 激光焊接切割及激光焊缝跟踪 先 ０世 纪 ７ ０ 年代开始 出现 了利用激光加工技术的 “ 光产业工业”， 并 随着 时 代 的 发展 大 约 经 历 了 ４ ５年 时 间 ， 规 模 其 越来越 大 。 如美 国 Ｇ 公 司在 １７ 年利用 Ｃ ｚ 例 Ｍ ９１ Ｏ 激 光切 割点 火 线 圈用 绝缘 纸 。 日本 ，９ ３年 光产 业 在 １８ 领 域 的生 产额 约 ４６ ７亿 日元 ，９ ９年 光产 业领 域 ６ １８ 的 生产 额 达 到 了 约 ２兆 ８ ０亿 日元 ，０ ５年 光 产 ６ ２０ 业领 域 的生产额 超过 了 １ ０兆 １元 ， ３ 在经济 泡沫 的不 好 时期 仍 然保 持着 正增 长 的趋 势 。
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