激光焊接和激光钎焊

激光焊接和激光钎焊

激光束为金属材料的连接提供了很多方法。既可以从表面将工件连接起来，也可以生成很深的焊缝。激光焊接可以与传统的焊接工艺相组合，此外还可以实现激光钎焊。

利用激光，既可以焊接高熔点的材料，也可以焊接高热导率的材料。由于熔体小、熔化时间短并且可控，因此激光甚至可以将用其它方法无法焊接的材料连接起来。必要时可以使用助焊剂。

在采用激光钎焊技术时，通过一种助焊剂将对接工件连接起来。钎焊焊缝的表面光滑、干净。与工件之间构成弧形的过渡面，因此无需后续处理。例如在汽车制造业，激光钎焊被用于加工行李厢盖或者车顶。

即使是用连续发射的激光束进行缝焊，其热影响区和工件的整体加热程度也比利用电弧焊或者等离子体焊接工艺时要低几个数量级。可以很好地对输入热量进行监控、调节、保持稳定或者精确控制。

采用激光的点焊和缝焊

激光焊接可以用单独的激光脉冲或者在连续波运行模式下进行连接作业。

以连续焊缝用激光焊接一个管材

焊缝形状表明了对接工件的边缘如何相互接合。例如既可以是相互重叠，也可以是相互对接。焊缝是否连续，或者是否由各个单独的焊缝组成？焊缝是否由很多短线条或者小圆圈组成？对于判断焊缝类型适用的标准是：焊缝必须达到要求的强度，不得向工件传导太多热量。

激光点焊一个氙气大灯

不同的焊缝类型要求激光源以不同的运行模式运行。

连续波运行模式

在这个运行模式下，活性介质被不断激励，产生了连续的激光束。

脉冲运行模式

相反，在脉冲运行模式下，活性介质不是被连续地，而是被脉动地激发。由此产生了时间上断断续续的激光束。此时，激光材料加工的重要参数包括激光脉冲的周期和能量以及脉冲频率。

使用焊丝和粉末的激光堆焊

堆焊属于一种制造工艺，用于现有工件的维修或者改型，以及表面的修饰。根据工作任务不同，可以采用手动或者自动激光堆焊。

手动激光堆焊

在采用手动激光堆焊时，焊工“用手”将助焊剂引导到加工位置。在这种工艺中，大多数情况下用一条直径在 0.15 到 0.6 mm 之间的焊丝作为助焊剂。激光束将焊丝熔化。熔体与同样被熔化的基材牢固地连接在一起，然后重新凝固。留下一小块隆起的区域。点对点、线对线和层对层，焊工塑造出所想要的形状。在作业过程中，氩气气流将工作区域与空气隔离开。最后重新恢复原先的形状，也就是通过磨削、旋转、铣削或侵蚀工艺。

手动激光堆焊：激光束将辅助焊丝熔化，把材料涂敷到工件表面。

自动激光堆焊

在使用自动激光堆焊时，由机器将助焊剂引导到加工位置。助焊剂同样可以是焊丝，但是在这种技术中关键是金属粉末。将金属粉末一层层地涂敷到基材上，没有微孔和裂纹地与基材熔合在一起。金属粉末变成与表面连接的高强度焊缝。在冷却后就形成了一个金属层，可以对其进行机械加工。特殊之处在于，可以有针对性地形成多层同样或者不同的金属镀层。

在涂敷表面时，同样将多层金属粉末上下重叠或者左右紧挨着熔化。为了得到完美的结构，各个焊接路径必须精确地重合。

扫描焊接 - 加工的生产率高，没有非生产时间

采用扫描焊接技术，可以将生产设备设计得生产率高、灵活，从而使大批量生产中的焊接工艺比传统的焊接工艺更快、更精确、更经济。

扫描仪原理

在采用扫描焊接时，通过可移动的反射镜 [1] 实现对加工光束的引导。通过反射镜的角度变化引导激光束 [4]。这样就产生了一个加工区[3]，在这其中可以高度动态、精确地实施焊接作业。加工区的大小取决于工作距离和激光束的偏转角度。

加工速度和工件上的光斑直径取决于镜组的成像特性、激光束的入射角度、光束质量和材料。

通过一个辅助透镜系统 [2] 的移动，焦点也可以在 Z 轴方向以极高的动态性移动，从而无需移动激光头或者工件，就可以对三维工件进行完整地加工。

由于激光束的偏移运动速度非常快，就几乎没有非生产时间，激光器可以在将近100%的生产时间内进行作业。

正在作业的扫描焊接

此外，在焊接过程中，与一个机器人相连接的扫描透镜可以从一个工件上方经过。这个“飞行”运动被人们称为“飞行焊接”。机器人和扫描镜组实时地将它们的运动相互同步。使用机器人大幅扩大了工作空间，可以实现真正的三维工件加工。

可以用一个操作方便的编辑器对可编程聚焦镜组进行编程，这个编辑器可以设计和保存在一个工件上的焊接图形。

光束质量高的大功率碟片式激光器用作激光源。一条或者几条灵活的光纤将激光束从激光器引导到加工站。

复合焊接

针对困难情况：激光焊接和另一种焊接工艺的组合，用于建筑钢材加工业的特殊用途。

对豪华游轮中层甲板的自动激光焊接

复合焊接将激光焊接与另一种焊接工艺相组合。适合与激光焊接组合的焊接工艺既可以是MIG焊接（ 熔化极惰性气体保护焊）或MAG焊接（ 熔化极活性气体保护焊），也可以是WIG焊接（钨极惰性气体保护焊）或等离子焊接。

这样，在船舶制造业中可以焊接长度最长 20 m、厚度最大 15 mm 的大型船用钢板。钢板之间的距离非常大，仅凭激光束是无法将其焊接在一起的。在这种情况下，人们将MIG焊接与激光焊接组合使用。激光对较深的焊缝提供了很高的功率密度。加快了焊接速度，减少了热输入量和

变形。MIG 焊炬横跨钢板之间的空隙，通过焊接助剂将接缝封闭。复合焊接比单独采用MIG焊接的速度更快，并且在这个过程中工件的变形很小。

传导焊接

在热传导焊接时，激光束将对接工件沿着结合部位熔化。熔体相互融合在一起，凝固成焊缝。

在热传导焊接时将表面熔化。

热传导焊接用于连接薄壁类零件，例如设备外壳可见表面的角焊缝。此外还广泛应用于电子工业。激光产生平坦、圆滑的焊缝，无需再作后续

加工。对于上述用途，可以使用脉冲固体激光器或者连续波固体激光器。在热传导焊接时，能量只通过热传导到达工件。因此，焊缝深度只有十分之几毫米到一毫米。材料的导热性限制了最大焊缝深度。焊缝宽度通常比焊缝深度大。如果无法足够快地让热量散发出去，加工温度就会超过蒸发温度。产生金属蒸汽，焊入深度急剧增大，这个焊接工艺就转变为深熔焊。

深熔焊

在深熔焊时需要很高的功率密度，达到大约 1 MW/cm²。激光束不仅仅熔化金属，而且还产生蒸汽。

在深熔焊过程中产生了一个很深的金属蒸汽毛细管，俗称钥匙孔。

当蒸汽流出时，就向熔体施加压力，将其部分挤出。工件继续熔化。产生了一个又深又窄、充满蒸汽的孔：金属蒸汽毛细管，俗称钥匙孔（英语：Keyhole）。金属蒸汽毛细管周围环绕着金属熔体。如果激光束在结合部位上方移动，那么金属蒸汽毛细管就随其移动，穿过工件。金属熔体环绕着毛细管，在工件的背面凝固。通过这种方式，形成了又深又窄而且结构均匀的一条焊缝。焊缝深度是焊缝宽度的最多10倍以上，可达25mm。在金属蒸汽毛细管流过熔体的外壁上，激光束被多次反射。在这个过程中熔体几乎将激光束全部吸收，提高了焊接工艺的效率。如果用CO2激光器焊接，则毛细管内的金属蒸汽吸收激光，然后被部分电离。这样就产生了等离子体。等离子体同样将能量传导到工件上。因此，深熔焊具有效率高、焊接速度快的特点。由于速度快，热影响区很小，并且几乎没有变形。当要求焊入深度很大或者一次性焊接多层材料时，就使用这种工艺。