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2011年11月17日 2011年11月17日
激光焊接机
激光焊接机原理
激光焊接是将高强度的激光束辐射至金属面， 激光焊接是将高强度的激光束辐射至金属面，通过激 光与金属的相互作用， 光与金属的相互作用，金属吸收激光转化为热能使金属熔 化后冷却结晶形成焊接。 化后冷却结晶形成焊接。
激光焊接机原理
激光焊接的机理有两种： 激光焊接的机理有两种：
激光加工简介
激光加工特点
适应性强： 激光加工的功率密度高，几乎能加工任何材料， 适应性强： 激光加工的功率密度高，几乎能加工任何材料， 如各种金属、陶瓷、石英、金刚石、橡胶等。 如各种金属、陶瓷、石英、金刚石、橡胶等。 加工精度高：激光束可聚焦成微米级的光斑（理论上直径可小 加工精度高：激光束可聚焦成微米级的光斑（ ），适合精密微细加工 于1um），适合精密微细加工。 ），适合精密微细加工。 加工质量好：激光加工能量密度高，热作用时间很短， 加工质量好：激光加工能量密度高，热作用时间很短，整个加 工区几乎不受热的影响，工件热变形极小， 工区几乎不受热的影响，工件热变形极小，故可 加工对热冲击敏感的材料。 加工对热冲击敏感的材料。 加工速度快： 激光加工只需0.01s，切割比常规方法提高效率率 加工速度快： 激光加工只需 ， 8~20倍，激光焊接可提高效率 倍，微调薄膜电 效率高 倍 激光焊接可提高效率30倍 阻可提高1000倍，提高精度 个数量级。 阻可提高 倍 提高精度1~2个数量级。 个数量级
1、热传导焊接：当激光 、热传导焊接： 料表面时， 照射在材 料表面时，一 部分激光被反射， 部分激光被反射，一部分 被材料吸收， 被材料吸收，将光能转化 为热能而加热熔化， 为热能而加热熔化，材料 表面层的热以热传导的方 式继续向材料深处传递， 最后将两焊件熔接在一起 。
激光焊接机
2、激光深熔焊:当功率密度比较 、激光深熔焊 当功率密度比较 大的激光束照射到材料表面时， 大的激光束照射到材料表面时， 材料吸收光能转化为热能， 材料吸收光能转化为热能，材料 被加热熔化至汽化， 被加热熔化至汽化，产生大量的 金属蒸汽， 金属蒸汽，在蒸汽退出表面时产 生的反作用力下， 生的反作用力下，使熔化的金属 液体向四周排挤，形成凹坑， 液体向四周排挤，形成凹坑，随 着激光的继续照射， 着激光的继续照射，凹坑穿人更 当激光停止照射后， 深，当激光停止照射后，凹坑周 边的熔液回流， 边的熔液回流，冷却凝固后将两 焊件焊接在—起 焊件焊接在 起。
（1）激光深熔焊接一般采用连续激光光束完成材料的连接，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 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。 （2） 这个充满蒸气的小孔犹如一个黑洞，几乎吸收全部的入射 光束能量，孔腔内平衡温度达2500 光束能量，孔腔内平衡温度达2500 度左右，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。 （3）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）。 （4）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。 （5）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。
深熔焊小孔示意图
缝焊
附录（ 附录（影响材料对激光束吸收的主要 因素） 因素）
1、温度 室温时金属材料两激光的吸收率一般在20℃以下；当金属温度达到烙点产生熔融和气化后吸收率上升到40~50%； 室温时金属材料两激光的吸收率一般在20℃以下；当金属温度达到烙点产生熔融和气化后吸收率上升到40~50%； 当接近沸点时吸收率可高达90%。 当接近沸点时吸收率可高达90%。 材料的直流电阻率 材料对激光的吸收率与材料的直流电阻率的平方根成正比、与激光彼长的平方根成反比关系。 2、激光束的入射角 入射角越大，吸收率越小。当激光垂直于金属表面照射时，金属对激光的吸收率最大。但通常为了保护激光出射 镜头，需要维持一定的入射角。 村料的表面状态 为了低反射率，可在金属表面涂上薄薄一层全属粉，但两者必须是能够形成合金的。如饭、金、银可覆盖薄锐层， 此时在同样熔深的情况下，焊接所需的能量大约为原来铜、金、银所需的四分一。 3、聚焦性和离焦量 品质优良的YAG激光焊接装置，其聚焦性（光斑大小）是通过装置本身的光路同轴精度、输出光纤和出射头的成 品质优良的YAG激光焊接装置，其聚焦性（光斑大小）是通过装置本身的光路同轴精度、输出光纤和出射头的成 像比等来保证。以激光出射焦点正好落在工作上面时的位置为零。离焦量是指焦点离开这个零点的距离量。焦点位 置超过零点位置时叫负离焦（焦点深入到工件内部），其距离值为负离焦量。反之，焦点不到零点的距离数值为正 置超过零点位置时叫负离焦（焦点深入到工件内部），其距离值为负离焦量。反之，焦点不到零点的距离数值为正 离焦量。要获得较大的熔深，可将焦点位置选择在工件内部某一位置上，即采用负离焦量进行焊接。 离焦量。要获得较大的熔深，可将焦点位置选择在工件内部某一位置上，即采用负离焦量进行焊接。 4、焊接的穿入深度 脉冲激光焊接时，主要是以传热熔化方式进行的。激光束本身对金属的直接穿入深度是有限的，其主要取决于材 料的导温系数（导温系数大的则穿入深度大），而不是激光器的功率大小。
激光焊接与常规焊接比较
激光焊接与常规焊接方法相比有如下特点： （1）可焊接高熔点材料如钛、石英等，并能对异性材料进行焊接，效果 良好 （2）聚焦光斑小，焊接速度快，作用时间短，热影响区小，热变形小 （3）属于非接触焊接，无机械应力和机械变形 （4）易与计算机联机，能实现精确定位，实现自动焊接 （5）可在大气中进行，无环境污染 （6）可焊接难以接近的部位，可以远距离焊接。在YAG激光加工技术中 ）可焊接难以接近的部位，可以远距离焊接。在YAG激光加工技术中 采用光纤传输技术，使激光技术得到更为广泛的推广和运用 （7）激光束易实现按时间与空间分光，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
材料吸收值。 材料对激光的吸收取决于材料的一些重要性能，如吸 收率、反射率、热导率、熔化温度、蒸发温度等，其中最 重要的是吸收率(金属材料中铜,铝焊接效果比较差) 重要的是吸收率(金属材料中铜,铝焊接效果比较差)。 焊接速度。 焊接速度对熔深影响较大，提高速度会使熔深变浅， 但速度过低又会导致材料过度熔化、工件焊穿。所以，对 一定激光功率和一定厚度的某特定材料有一个合适的焊接 速度范围，并在其中相应速度值时可获得最大熔深。
激光焊接与常规焊接比较
焊接工艺 激光焊 钎焊 电阻焊 氩弧焊 等离子焊 精密 变形 小 一般 大 大 一般 小 热影响 很小 一般 大 大 一般 小 焊缝质量 好 一般 一般 一般 一般 好 焊料 无 需要 无 需要 需要 无 整体加热 需要电极 需要电极 需要电极 需要真空 使用条件
焊接起始、终止点的激光功率渐升、渐降控制。 激光深熔焊接时，不管焊缝深浅，小孔现象始终存在。 当焊接过程终止、关闭功率开关时，焊缝尾端将出现凹坑。 另外，当激光焊层覆盖原先焊缝时，会出现对激光束过度 吸收，导致焊件过热或产生气孔。
激光焊接与常规焊接比较
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
透镜焦距。 焊接时通常采用聚焦方式会聚激光，一般选 用63~254mm(2.5”~10”)焦距的透镜。聚焦光斑大小 63~254mm(2.5”~10” 与焦距成正比，焦距越短，光斑越小。 焦点位置。 焦点与工件表面相对位置的变化直接影响焊 max0.2mm) 缝宽度与深度(焊接工件缝隙max0.2mm)。 缝宽度与深度(焊接工件缝隙max0.2mm)。 激光束位置。 对不同的材料进行激光焊接时，激光束位置 控制着焊缝的最终质量，特别是对接接头的情况 比搭接结头的情况对此更为敏感。正确控制激光 束位置将有利于产生主要有低碳组分组成的焊缝， 这种焊缝具有较好的抗裂性( 这种焊缝具有较好的抗裂性(激光束位置偏离焊缝 max0.2mm)。 max0.2mm)。
保护气体。 （1）激光焊接过程常使用惰性气体来保护熔池，对大 多数应用场合则常使用氦、氩、氮等气体作保护，使工件 在焊接过程中免受氧化(一般使用氩气,1瓶可使用10天 在焊接过程中免受氧化(一般使用氩气,1瓶可使用10天/10 小时) 小时)。 （2）保护聚焦透镜免受金属蒸气污染和液体熔滴的溅 射。特别在高功率激光焊接时，由于其喷出物变得非常有 力，此时保护透镜则更为必要。 （3）对驱散高功率激光焊接产生的等离子屏蔽很有效。
激光焊接工艺参数
激光功率 焊接速度 离焦量
保护气体
激光焊接的 主要参数 激光模式
脉冲参数 坡口间隙
激光深熔焊接的主要工艺参数
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（材料厚度 0.3mm—5mm,激光穿透2.5mm)。 0.3mm—5mm,激光穿透2.5mm)。 光束焦斑。 光束斑点大小是激光焊接的最重要变量之一，因为它 决定功率密度。但对高功率激光来说，对它的测量是一个 难题，尽管已经有很多间接测量技术。
激光焊接技术评估报 告
汽车电子生技部 报告人：樊政
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