激光焊接机工作原理

激光焊接机工作原理

激光焊接是利用高能量的激光脉冲对材料进行微小区域内的局部加热，激光辐射的能量通过热传导向材料的内部扩散，将材 料熔化后形成特定熔池。

它是一种新型的焊接方式，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、叠 焊、密封焊等，深宽比高，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 ，焊缝质量高，无气孔，可精确控制，聚焦光点小，定位精度高，易实现自动化。

激光焊接是利用高能量密度的激光束作为热源的一种高效精密焊接方法。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。

越来越多的企业选择使用激光焊接机了，那么激光焊接机工作原理是什么呢：

1、高电压驱动氙灯发光，安装在一起的YGA晶体受激光发光，经全反和半反膜片反身谐振，再通过分光、光闸输入至光纤，最后将激光聚焦到一点

2、焦平面上的功率密度可达到10 5 －1013 w／cm2。激光焊接机就是利用激光束优良的方向性和高功率密度等特点来进行工作的。通过光学系统

3、将激光束聚集在很小的区域，在极短的时间内，使被焊处形成一个能量高度集中的局部热源区，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。     

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。  

由光学震荡器及放在震荡器空穴两端镜间的介质所组成。介质受到激发至高能量状态时，开始产生同相位光波且在两端镜间来回反射，形成光电的串结效应，将光波放大，并获得足够能量而开始发射出激光。  

激光亦可解释成将电能、化学能、热能、光能或核能等原始能源转换成某些特定光频（紫外光、可见光或红外光）的电磁辐射束的一种设备。转换形态在某些固态、液态或气态介质中很容易进行。当这些介质以原子或分子形态被激发，便产生相位几乎相同且近乎单一波长的光束-激光。由于具同相位及单一波长，差异角均非常小，在被高度集中以提供焊接、切割及热处理等功能前可传送的距离相当长。  

用于焊接的主要有两种激光， 即CO2 激光和Nd:YAG激光。CO2 激光和Nd： YAG激光都是肉眼不可见红外光。Nd： YAG激光产生的光束主要是近红外光，波长为1. 06 Lm， 热导体对这种波长的光吸收率较高，对于大部分金属， 它的反射率为20% ~ 30%。只要使用标准的光镜就能使近红外波段的光束聚焦为直径0. 25 mm。CO2 激光的光束为远红外光， 波长为10. 6Lm， 大部分金属对这种光的反射率达到80% ~ 90%，需要特别的光镜把光束聚焦成直径为0. 75 - 0. 1mm。Nd： YAG激光功率一般能达到4 000~ 6 000W左右， 现在大功率已达到10 000W。而CO2 激光功率却能轻易达到20 000W甚至更大。

大功率的CO2 激光通过小孔效应来解决高反射率的问题， 当光斑照射的材料表面熔化时形成小孔， 这个充满蒸气的小孔犹如一个黑体， 几乎全部吸收入射光线的能量， 孔腔内平衡温度达25 000 e 左右， 在几微秒的时间内， 反射率迅速下降。CO2 激光器的发展重点虽然仍集中于设备的开发研制， 但已不在于提高大的输出功率， 而在于如何提高光束质量及其聚焦性能。另外， CO2 激光10 kW以上大功率焊接时， 若使用氩气保护气体， 常诱发很强的等离子体， 使熔深变浅。因此，CO2 激光大功率焊接时， 常使用不产生等离子体的氦气作为保护气体。  

用于激发高功率Nd： YAG晶体的二极管激光组合的应用是一项重要的发展课题， 必将大大提高激光束的质量， 并形成更加有效的激光加工。采用直接二极管阵列激发输出波长在近红外区域的激光， 其平均功率已达1 kW， 光电转换效率接近50% 。二极管还具有更长的使用寿命（ 10 000 h）， 有利于降低激光设备的维护成本。

二极管泵浦固体激光设备（DPSSL）的开发。 

优点： 

（1）可将入热量降到低的需要量，热影响区金相变化范围小，且因热传导所导致的变形亦低； 

（2）32mm板厚单道焊接的焊接工艺参数业经检定合格，可降低厚板焊接所需的时间甚至可省掉填料金属的使用； 

（3）不需使用电极，没有电极污染或受损的顾虑。且因不属于接触式焊接制程，机具的耗损及变形皆可降至低处

（4）激光束易于聚焦、对准及受光学仪器所导引，可放置在离工件适当之距离，且可在工件周围的机具或障碍间再导引，其他焊接法则因受到上述的空间限制而无法发挥； 

（5）工件可放置在封闭的空间（经抽真空或内部气体环境在控制下）；

（6）激光束可聚焦在很小的区域，可焊接小型且间隔相近的部件； 

（7）可焊材质种类范围大，亦可相互接合各种异质材料；

（8）易于以自动化进行高速焊接，亦可以数位或电脑控制； 

（9）焊接薄材或细径线材时，不会像电弧焊接般易有回熔的困扰；

（10）不受磁场所影响（电弧焊接及电子束焊接则容易），能精确的对准焊件； 

（11）可焊接不同物性（如不同电阻）的两种金属； 

（12）不需真空，亦不需做X射线防护； 

（13）若以穿孔式焊接，焊道深一宽比可达10:1；

（14）可以切换装置将激光束传送至多个工作站。

缺点： 

（1）焊件位置需非常精确，务必在激光束的聚焦范围内； 

（2）焊件需使用夹治具时，必须确订焊件的位置需与激光束将冲击的焊点对准； 

（3）大可焊厚度受到限制渗透厚度远超过19mm的工件，生产线上不适合使用激光焊接； 

（4）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；

（5）当进行中能量至高能量的激光束焊接时，需使用等离子控制器将熔池周围的离子化气体驱除，以确包焊道的再出现； 

（6）能量转换效率太低，通常低于10%； 

（7）焊道快速凝固，可能有气孔及脆化的顾虑； 

（8）设备昂贵。 

为了消除或减少激光焊接的缺陷，更好地应用这一优秀的焊接方法，提出了一些用其它热源与激光进行复合焊接的工艺，主要有激光与电弧、激光与等离子弧、激光与感应热源复合焊接、双激光束焊接以及多光束激光焊接等。此外还提出了各种辅助工艺措施，如激光填丝焊（可细分为冷丝焊和热丝焊）、外加磁场辅助增强激光焊、保护气控制熔池深度激光焊、激光辅助搅拌摩擦焊等。