激光焊接知识集锦讲解

激光焊接知识集锦
目录
激光焊接基本原理...................................................................................................................... - 2 - 激光焊接概述.............................................................................................................................. - 4 - 激光传感器焊接技术的介绍与发展.......................................................................................... - 6 - 激光焊接技术及其在汽车制造中的应用.................................................................................. - 8 - 激光塑料焊接概述.................................................................................................................... - 13 -
激光焊接基本原理
一、激光基本原理
1、LASER是什么意思
Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation（通过诱导放出实现光能增幅）的英语开头字母
2、激光产生的原理
激光——“受激辐射放大”是通过强光照射激光发生介质，使介质内部原子的电子获得能量，受激而使电子运动轨道发生迁移，由低能态变为高能态。

处于激发态的原子，受外界辐射感应，使处于激发态的原子跃迁到低能态，同时发出一束光；这束光在频率、相位、传播方向、偏振等方面和入射光完全一致，此时的光为受激辐射光。

为了得到高能量密度、高指向性的激光，必须要有封闭光线的谐振腔，使观光束在置于激光发生介质两侧的反射镜之间往复振荡，进而提高光强，同时提高光的方向性。

含有钕（ND）的YAG结晶体发生的激光是一种人眼看不见的波长为1.064um的近红外光。

这种光束在微弱的受激发情况下，也能实现连续发振。

YAG晶体是宝石钇铝石榴石的简称，具有优异的光学特性，是最佳的激光发振用结晶体。

3、激光的主要特长
a、单色性——激光不是已许多不同的光混一合而成的，它是最纯的单色光（波长、频率）
b、方向性——激光传播时基本不向外扩散。

c、相干性——激光的位相（波峰和波谷）很有规律，相干性好。

d、高输出功率——用透镜聚焦激光后，所得到的能量密度是太阳光的几百倍。

二、YAG激光焊接
激光焊接是利用激光束优异的方向性和高功么密度等特点进行工作。

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。

常用的激光焊接方式有两种：脉冲激光焊和连续激光焊。

前者主要用于单点固定连续和薄件材料的焊接。

后者主要用于大厚件的焊接和切割。

l、激光焊接加工方法的特征
A、非接触加工，不需对工件加压和进行表面处理。

B、焊点小、能量密度高、适合于高速加工。

C、短时间焊接，既对外界无热影响，又对材料本身的热变形及热影响区小，尤其适合加工高熔点、高硬度、特种材料。

D、不需要填充金属、不需要真空环境（可在空气中直接进行）、不会像电子束那样在空气中产生X射线的危险。

E、与接触焊工艺相比．无电极、工具等的磨损消耗。

F、无加工噪音，对环境无污染。

G、微小工件也可加工。

此外，还可通过透明材料的壁进行焊接。

H、可通过光纤实现远距离、普通方法难以达到的部位、多路同时或分时焊接。

I、很容易改变激光输出焦距及焊点位置。

J、很容易搭载到自动机、机器人装置上。

K、对带绝缘层的导体可直接进行焊接，对性能相差较大的异种金属也可焊接。

2、脉冲激光焊接的机理
脉冲激光焊接可分为传热溶化焊接和深穿入熔化焊接
传热溶化焊接是指当激光束照射到材料的表面上时，材料吸收光能而加热熔化。

材料表面层的热以传导方式继续向材料深处传递，直至将两个待焊件的接触面互溶并焊接在一起。

深穿入熔化焊接是指当更大功率密度的激光束照射到材料上时，材料被加工熔化以至气化，产生较大的蒸汽压，在蒸汽的压力的作用下，溶化金属被挤在周围使照射处（熔池）呈现出一个凹坑，随着激光束的继续照射，凹坑越来越深，并穿入到另一个工件中。

激光停止照射后，被排挤在凹坑周围的溶化金属重新流回到凹坑里，凝固后将工件焊接在一起。

这两种激光焊接机理，与功率密度、照射时间、材料性质、焊接方式等因素有关。

当功率密度较低、照射时间较长而焊件较薄时，通常以传热溶化机理为主进行。

反之，则是以深穿入熔化机理为主进行。

激光焊接概述
激光焊接是激光材料加工技术应用的重要方面之一，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，已成功地应用于微、小型零件焊接中。

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接，在机械、汽车、钢铁等工业部门获得了日益广泛的应用。

与其它焊接技术比较，激光焊接的主要优点是：激光焊接速度快、深度大、变形小。

能在室温或特殊的条件下进行焊接，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。

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。

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。

便如，将铜和钽两种性质截然不同的材料焊接在一起，合格率几乎达百分之百。

也可进行微型焊接。

激光束经聚焦后可获得很小的光斑，且能精密定位，可应用于大批量自动化生产的微、小型元件的组焊中，例如，集成电路引线、钟表游丝、显像管电子枪组装等由于采用了激光焊，不仅生产效率大、高，且热影响区小，焊点无污染，大大提高了焊接的质量。

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。

在YAG激光技术中采用光纤传输技术，使激光焊接技术获得了更为广泛的推广与应用。

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。

YAG激光焊接原理
激光焊接机的工作是应用高能脉冲激光来实现的。

激光电源首先把脉冲氙灯点着，通过激光电源对氙灯脉冲放电，形成一定频率，一定脉宽的光波，该光波经过聚光腔辐射到Nd3+:YAG激光晶体上，激发Nd3+:YAG激光晶体发光，再经过激光谐振腔谐振之后，发出波长为1064nm脉冲激光，该脉冲激光经过扩束、反射、（或经光纤传输）聚焦在所要焊接的物体上；在单片机、PLC或工业PC机的控制下，移动数控工作台，从而完成焊接。

焊接时所需要的脉冲激光的频率、脉宽、占空比、工作台速度、移动方向均可用单片机、PLC或工业PC机来控制，通过对激光的频率、脉宽的不同设定可调节控制脉冲激光的能量。

YAG激光焊接的特点
YAG激光焊接主要针对薄壁材料、精密零件的焊接，可实现点焊、对接焊、重叠焊、密封焊等，其特点有：
✧具有高的深宽比，焊缝宽度小，热影响区小，变形小，焊接速度快。

✧焊缝平整、美观，焊后无需处理或只需简单处理工件表面。

✧焊缝质量高，无气孔，可减少和优化母材杂质，组织焊后可细化，焊缝强度、韧性至少
相当于甚至超过母材金属。

✧可精确控制，聚焦光斑小，可高精度定位，易实现自动化，可实现某些异种材料间的焊
接。

可焊接材料及行业应用
激光焊接可应用于钛、镍、锡、锌、铜、铝、铬、铌、金、银等多种金属及其合金，及
钢、可伐合金等合金的同种材料间的焊接，也可应用于铜-镍、镍-钛、铜-钛、钛-钼、黄铜-铜、低碳钢-铜等多种异种金属间的焊接。

广泛应用于手机通讯、电子元件、眼镜钟表、首饰饰品、五金制品、精密器械、医疗器械、汽车配件、传感器、工艺礼品等行业。

激光焊接与传统焊接方式的比较
激光传感器焊接技术的介绍与发展
一、传感器
根据国家标准GB7665-87，传感器定义为：能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件装置。

传感器作为检测工具，要求检测研究对象的物理或化学的信息，其工作过程要求稳定、可靠、精度高，所以对传感器有以下几个要求：（1）适应恶劣环境能力强——传感器一般工作环境十分广，从极寒至酷热地区，许多在露天环境下工作，能抗飞沙走石、灰尘，还应耐潮湿，较高的抗盐类腐蚀、酸性腐蚀的能力，有抗污染气体干扰的能力，能适应在高温、极寒、强烈振动、冲击以及在其他条件下正常工作的能力，还应抗噪声能力强，信噪比高。

（2）价格适中，适于大批量生产——要求传感器一致性好，适宜自动化批量生产，对加工设备有较高要求，以便排除人工操作带来的不一致性和失误。

（3）稳定性和可靠性高——传感器是一种高精度检测仪器，在军事、航空、航天中应用都有严格要求，产品都须经过严格测试才能应用。

所以传感器生产是一种高新技术的具体运用和体现。

一种传感器是否有较高的技术附加值体现在所包含的技术含量和加工工艺的技术是否高新。

有部分传感器由于其应用环境的状况需金属封装，一般采用焊接密封，如压力传感器、力传感器、霍尔传感器、光电传感器、温度传感器等，这类传感器内部有敏感元件和集成电路，充惰性气体或抽真空与外界隔绝，有耐压、气密性要求，另有焊接强度要求和漏气率要求，对焊接质量要求高，而且焊接过程中要求变形小，不能对内部元件和微电路有损坏。

目前传感器密封焊接有电阻焊、钨极氩弧焊、等离子弧焊、电子束焊和激光焊。

二、激光焊接
1、激光焊接原理——激光是辐射的受激发射光放大的简称，由于其独有的高亮度、高方向性、高单色性、高相干性，自诞生以来，其在工业加工中的应用十分广泛，成为未来制造系统共同的加工手段。

用激光焊接加工是利用高辐射强度的激光束，激光束经过光学系统聚焦后，其激光焦点的功率密度为104~107W/cm2，加工工件置于激光焦点附近进行加热熔化，熔化现象能否产生和产生的强弱程度主要取决于激光作用材料表面的时间、功率密度和峰值功率。

控制上述各参数就可利用激光进行各种不同的焊接加工。

2、激光焊接的一般特点——激光焊接是利用激光束作为热源的一种热加工工艺，它与电子束等离子束和一般机械加工相比较，具有许多优点：（1）激光束的激光焦点光斑小，功率密度高，能焊接一些高熔点、高强度的合金材料；（2）激光焊接是无接触加工，没有工具损耗和工具调换等问题。

激光束能量可调，移动速度可调，可以多种焊接加工；（3）激光焊接自动化程度高，可以用计算机进行控制，焊接速度快，功效高，可方便的进行任何复杂形状的焊接；（4）激光焊接热影响区小，材料变形小，无需后续工序处理；（5）激光可通过玻璃焊接处于真空容器内的工件及处于复杂结构内部位置的工件；（6）激光束易于导向、聚焦，实现各方向变换；（7）激光焊接与电子束加工相比较，不需要严格的真空设备系统，操作方便；（8）激光焊接生产效率高，加工质量稳定可靠，经济效益和社会效益好。

3、激光焊接在传感器生产中的工艺特点——激光用来封焊传感器金属外壳是目前一种最先进的加工工艺方法，主要基于激光焊接有以下特点：（1）高的深宽比。

焊缝深而窄，焊缝光亮美观；（2）最小热输入。

由于功率密度高，熔化过程极快，输入工件热量很低，焊接速度快，热变形小，热影响区小；（3）高致密性。

焊缝生成过程中，熔池不断搅拌，气体易出，导致生成无气孔熔透焊缝。

焊后高的冷却速度又易使焊缝组织微细化，焊缝强度、
韧性和综合性能高；（4）强固焊缝。

高温热源和对非金属组份的充分吸收产生纯化作用，降低了杂质含量，改变夹杂尺寸和其在熔池中的分布，焊接过程中无需电极或填充焊丝，熔化区受污染小，使焊缝强度、韧性至少相当于甚至超过母体金属；（5）精确控制。

因为聚焦光斑很小，焊缝可以高精度定位，光束容易传输与控制，不需要经常更换焊炬、喷咀，显著减少停机辅助时间，生产效率高，光无惯性，还可以在高速下急停和重新启始。

用自控光束移动技术则可焊复杂构件；（6）非接触、大气环境焊接过程。

因为能量来自激光，工件无物理接触，因此没有力施加于工件。

另磁和空气对激光都无影响；（7）由于平均热输入低，加工精度高，可减少再加工费用，另外，激光焊接运转费用较低，从而可降低工件成本；（8）容易实现自动化，对光束强度与精细定位能进行有效控制。

三、激光焊接与现有焊接方法的比较
目前传感器密封焊接采用的方法有：电阻焊、氩弧焊、电了束焊、等离子焊等。

1、电阻焊：它用来焊接薄金属件，在两个电极间夹紧被焊工件通过大的电流熔化电极接触的表面，即通过工件电阻发热来实施焊接。

工件易变形，电阻焊通过接头两边焊合，而激光焊只从单边进行，电阻焊所用电极需经常维护以清除氧化物和从工件粘连着的金属，激光焊接薄金属搭接接头时并不接触工件，再者，光束还可进入常规焊难以焊及的区域，焊接速度快。

2、氩弧焊：使用非消耗电极与保护气体，常用来焊接薄工件，但焊接速度较慢，且热输入比激光焊大很多，易产生变形。

3、等离子弧焊：与氩弧类似，但其焊炬会产生压缩电弧，以提高弧温和能量密度，它比氩弧焊速度快、熔深大，但逊于激光焊。

4、电子束焊：它靠一束加速高能密度电子流撞击工件，在工件表面很小密积内产生巨大的热，形成“小孔”效应，从而实施深熔焊接。

电子束焊的主要缺点是需要高真空环境以防止电子散射，设备复杂，焊件尺寸和形状受到真空室的限制，对韩件装配质量要求严格，非真空电子束焊也可实施，但由于电子散射而聚焦不好影响效果。

电子束焊还有磁偏移和X 射线问题，由于电子带电，会受磁场偏转影响，故要求电子束焊工件焊前去磁处理。

X射线在高压下特别强，需对操作人员实施保护。

激光焊则不需真空室和对工件焊前进行去磁处理，它可在大气中进行，也没有防X射线问题，所以可在生产线内联机操作，也可焊接磁性材料。

四、激光焊接在传感器生产的应用前景
激光焊接技术是一种高新技术，由于其独有的特点，特别适合在传感器密封焊中使用，目前国外许多生产传感器的厂家均利用激光焊接工艺生产传感器，而国内采用此工艺的厂家不多，主要是一些生产军用传感器产品的厂家和部分科研机构在采用此种工艺，且采用国外激光焊接机的较多。

目前国内激光焊接机在性能上已和国外产品相差不远，完全可以胜任国内生产传感器的工艺要求，但价格是国外同类产品的1/3-1/5。

为提高国内传感器整体水平以及发展民族激光产业，我国的传感器生产厂家应尽快采用国产激光焊接机来生产加工传感器，以增加产品竞争力，开拓国际市场。

激光焊接技术及其在汽车制造中的应用
1、引言
激光焊接从上世纪60 年代激光器诞生不久就开始了研究，从开始的薄小零件或器件的焊接到目前大功率激光焊接在工业生产中的大量的应用，经历了近40 年的发展。

由于激光焊接具有能量密度高、变形小、热影响区窄、焊接速度高、易实现自动控制、无后续加工的优点，近年来正成为金属材料加工与制造的重要手段，越来越广泛地应用在汽车、航空航天、国防工业、造船、海洋工程、核电设备等领域，所涉及的材料涵盖了几乎所有的金属材料。

虽然与传统的焊接方法相比，激光焊接尚存在设备昂贵，一次性投资大，技术要求高的问题，使得激光焊接在我国的工业应用还相当有限，但激光焊接生产效率高和易实现自动控制的特点使其非常适于大规模生产线和柔性制造。

其中，激光焊接在汽车制造领域中的许多成功应用已经凸现出激光焊接不同于传统焊接方法的特点和优势，也为许多大功率激光器制造商和激光焊接设备制造商提供了更为诱人的经济效益前景。

这也是激光焊接能够吸引国内外越来越多的科技人员从事研究和技术开发的原因。

本文综述了近年来国内外激光焊接技术领域研究和应用的一些进展，并介绍了激光焊接在汽车零件和车身制造领域的典型应用。

2、激光焊接技术的进展
2.1 激光器技术
在汽车制造和其它工业生产中广泛应用的大功率激光器主要包括两类，CO2激光器和Nd3+:YAG激光器，而大功率半导体激光器在焊接领域的研究还处于起步阶段。

(1) CO2激光器
用于大熔深激光焊接的CO2激光器一般以连续方式工作，主要包括快轴流和Slab型两种类型。

同快轴流激光器相比，Slab型激光器具有结构紧凑、气体消耗量少、维护成本低的特点。

目前世界上CO2激光器最大输出功率为45kW，工业生产中应用的激光器输出功率范围约在700W至12kW之间。

我国目前可以自主生产的快轴流激光器最大输出功率为3kW。

(2) Nd3+:YAG激光器
Nd3+:YAG激光可以通过光纤传输，在柔性制造系统或远程加工场合更具有适应性。

目前国外Nd3+:YAG激光器的最大输出功率达10kW，而包括汽车在内的工业生产中应用较多的则是3kW和4kW的Nd3+:YAG激光器。

最近几年，半导体泵浦的Nd3+:YAG激光器制造技术有了飞速发展，最大输出功率已经达到和氙灯泵浦的Nd3+:YAG激光器同样级别。

例如，Trumpf 公司生产的氙灯泵浦Nd3+:YAG激光器的输出功率最大为5500W，而半导体泵浦的Nd3+:YAG激光器最大输出功率已达到6000W。

我国在大功率Nd3+:YAG激光器技术方面还相当落后，目前还不能自主生产千瓦级Nd3+:YAG激光器。

(3) 半导体激光器
半导体激光器具有波长短、重量轻、转换效率高、运行成本低、寿命长的特点，是未来激光器发展的重要方向之一。

国外学者已经开始了利用大功率半导体激光器进行铝合金焊接的研究工作，可以获得2mm的焊接熔深。

但半导体激光器面临的最大问题是光束模式差，光斑大，因此功率密度较低，这是半导体激光器今后用于工业生产必须解决的问题。

2.2 激光焊接过程监测与质量控制
激光焊接过程监测与质量控制一直是激光焊接领域研究和发展的一个重要内容，利用电
感、电容、声波、光电、视觉等各种传感器，通过人工智能和计算机处理方法，针对不同的激光焊接过程和要求，实现诸如焊缝跟踪、缺陷检测、焊缝成形质量监测等，并通过反馈控制调节焊接工艺参数，从而实现高质量的自动化激光焊接过程。

图1 激光焊接过程检测原理示意图
(1) 激光焊接过程监测
利用各种传感器对激光焊接过程中产生的等离子体进行检测是常用和有效的方法，如图1 所示。

根据检测信号的不同，激光焊接质量检测主要包括以下几种方式：
1) 光信号检测。

检测对象为激光焊接过程中的等离子体（包括工件上方和小孔内部）光辐射和熔池光辐射等。

从检测装置的安装来看，主要包括与激光束同轴的直视检测、侧面检测和背面检测。

使用的传感器主要有光电二极管、光电池、CCD 和高速摄像机，以及光谱分析仪等。

2) 声音信号检测。

检测对象主要为焊接过程中等离子体的声振荡和声发射。

3) 等离子体电荷信号。

检测对象为焊接喷嘴和工件表面等离子体的电荷。

利用光电传感器检测激光焊接过程中等离子体光辐射强度的变化是激光焊接过程监测与控制的重要方法之一。

国内外研究工作表明，利用光电传感器可以自动检测出焊接过程中因激光功率、焊接速度、焦点位置、喷嘴至工件表面距离、对接间隙等工艺条件的波动引起的焊缝熔深和成形质量的变化，不仅可以诊断出诸如咬边、烧穿、驼峰等焊缝成形缺陷，而且在一定工艺条件下还可以检测焊缝内部质量，例如，气孔倾向的严重程度。

采用激光视觉传感器可以实时观察焊缝的成形质量，迅速及时诊断高速焊接中容易出现的咬边和气孔缺陷，同时可以在线测量焊缝的宽度变化。

采用这种在线检测方法替代手动检查，大大减少了返修率，提高了生产效率，降低了成本。

例如，在Nd3+:YAG焊接系统中，采用Ar+激光作为辅助光源照亮焊接区，在CCD 前安装只允许Ar+激光通过的滤波片，就可以获得非常清晰的焊接熔池图象。

这项技术在日本汽车制造领域已得到相当应用。

(2) 激光焊接过程控制
激光焊接过程控制的主要内容就是对焊接工艺参数的控制。

在激光焊接时，光束焦点位置是影响激光深熔焊质量最关键而又最难监测和控制的工艺参数之一。

在一定激光功率和焊接速度下，只有焦点处于最佳焦点位置范围时，才可获得最大熔深和良好的焊缝成形。

偏离这个范围，熔深则下降，甚至破坏稳定的深熔焊过程，变为模式不稳定焊接或热导焊。

但实际激光焊接时，存在多种因素影响焦点位置的稳定性，包括因非平面工件和焊接变形引起的
焊接喷嘴－工件距离变化，激光器窗口、聚焦镜等元件热透镜效应引起焦点位置的变化，以及光束在飞行光路中不同位置引起焦点位置的变化等。

如何迅速确定激光焦点位置并将其控制在合适的范围，一直是激光焊接迫切要求解决而又难度很大的课题。

图2是清华大学研制的CO2激光焊接焦点位置的双闭环控制系统示意图。

整个系统包括数控激光焊接机床(CNC)、特殊设计的激光焊炬以及检测控制系统。

焊接喷嘴－工件距离可以通过上下调节焊炬位置实现，而聚焦透镜位置则由电机驱动在焊炬内独立上下运动，实现焦点位置的调节。

检测系统由电荷传感器(PCS喷嘴)和装在喷嘴侧面的光学传感器(PS传感器)组成。

焊接过程中，根据检测到的PCS信号变化，系统可以自动调节喷嘴至工件表面距离，保证在焊接过程中保持喷嘴－工件距离恒定；同时根据PS信号调整聚焦透镜的位置，用于补偿因热透镜效应引起的焦点位置波动，使焦点位置始终处在最佳焦点位置范围。

图2 激光焊接焦点位置双闭环控制系统组成
图3显示的是这种质量检测与闭环控制的实验结果。

双闭环控制实验在450mm长的弯板上进行，包括了上坡焊、平焊和下坡焊三种情况。

图中焊缝A为只采用PCS信号单独控制焊接喷嘴－工件距离的实验结果，可以看出虽然喷嘴受控随工件斜率升降能保持喷嘴-工件距离不变，但由于热透镜效应的影响，焊接过程中焦点位置逐渐偏离最佳焦点位置，由稳定的深熔焊变为模式不稳定焊和热导焊。

而焊缝B则采用了双闭环控制，既控制了喷嘴-工件距离，又能自动调节透镜的高度，对焦点位置进行全闭环控制，补偿了包括热透镜效应在内的各种因素的的影响，所以焊接过程中能始终保证熔深和熔宽均匀。

图3 焦点位置双闭环控制激光焊接样品
2.3 新型激光焊接工艺与方法
(1) 双/多光束焊接
双/多光束焊接的提出最初是为了获得更大的熔深和更稳定的焊接过程和更好的焊缝成。