激光焊接在铝及铝合金制品中的应用班级：学号：姓名：一、引言与传统的焊接方法相比，激光焊接具有热输入小、能量集中、大熔深、窄焊道、热影响区小、非接触焊接等诸多优点。

因此，对于一些传统方法不易焊接的材料，激光焊接都可以胜任。

铝是一种硬度特别低的金属，易导热，易变形，化学性质比较活泼，表面会形成一层极薄的氧化膜，使得铝的焊接比较困难。

当采用一些传统方法对其进行焊接时(如TIG焊)，焊缝处经常会出现膨胀、变形等缺陷，而采用激光焊接时，这些缺陷会被大大降低。

但是铝的激光焊接也存在许多问题，因为铝的反射率特别高，焊接时，大部分能量都会被反射掉，这就使得焊接铝制品材料时需要更大的功率，而铝的电离性及导热性等也都非常的高，在激光焊接时容易导致焊缝气孔率高、变形量大、光致等离子体的抑制以及焊缝裂纹等，以上这些缺陷，可以通过优化激光焊接时的工艺参数来尽量减少。

金属对激光的吸收与多种因素有关，比如:激光波长、材料性质、温度、表面状况、偏振特性等。

激光的波长越长，金属对激光的吸收率就越低。

其中，铝的对激光波长的吸收范围最小，所以反射率最高，只有当激光的波长小于0.05 m时，铝的吸收率才较大，所以对于铝进行激光焊接是非常难的，焊接时需要尽可能大的激光功率才能保证能量的供应。

除了铝以外，其他反射性较强的金属还有金、银、铜等。

二、激光加工技术自从梅曼在1960年研发了第一台红宝石激光器到现在，科学家们通过几十年的努力，使得激光技术在各个领域已经获得了十分普遍的应用。

由于激光具有良好的单色性、方向性、高能量密度等诸多优点，因此在人类生产生活中的各个领域都被广泛的应用。

在军事上，各种大功率的激光武器不断问世，有些激光武器甚至可以在地面上直接将太空中的卫星击毁，这足以说明激光的威力;在工业上，美国的波音公司在进行飞机的机身对接时，主要用激光焊接取代传统的对接技术;宝马、奔驰等汽车公司在车身结合方面也广泛使用激光焊接、激光切割等加工技术。

在材料加工方面，不仅可以对金属材料进行加工、甚至可以对陶瓷材料以及复合材料进行加工。

目前，激光加工技术的类型较多，主要包括激光焊接、激光切割、激光表面给改性(包括:激光熔覆、激光合金化、激光淬火等)等。

相比于其他的激光加工技术，激光焊接在加工业中的应用更加广泛。

三、激光焊接技术原理激光焊接是将高能量密度的激光束作为热源直接照射到被焊材料表面，通过激光与材料的相互作用，使材料的局部温度短时间内决速达到熔点，熔化成液体然后快速凝固来实现对材料的焊接。

激光焊接可以不需要填充材料而直接将两个被焊件连接起来，被焊接的两个部分可以是相同的金属，或是不同的金属，甚至是非金属等。

四、激光焊接技术分类激光焊接有两种输出方式，分别为脉冲激光焊和连续激光焊。

激光脉冲焊接时，激光的功率密度、脉冲宽度和峰值功率等是影响焊缝质量的主要参数。

在观察焊缝成形特点时，根据焊缝的熔深大小，又可以把激光焊接分为熔深较小的热传导焊接和熔深较大的深熔焊接两类。

两者的传热过程、焊缝形成机制、工艺特点和应用范围有很大区别。

热传导焊接时，激光能量首先作用于材料的表层，随着表层能量的不断升高，温度也逐渐升高，待达到熔点后表层材料开始熔化，并将能量继续向下传导形成焊接熔池，同时，由于激光还要按一定的速度进行相对运动，这样便形成焊缝。

由上述焊缝形成机理可知，靠热传导方式获得的熔深肯定是比较浅的，焊缝的深宽比小，一般焊缝宽度为熔深的2倍以上。

激光深熔焊接的原理为：当激光光斑上的功率密度大于26/10cm W 时，在激光束的照射下，金属吸收光能并将其转化为热能，金属表面瞬间升温，熔化直至发生气化，随之产生大量的金属蒸汽。

金属蒸汽迅速逃离金属熔池的表面，同时在熔池内形成凹陷的小坑，激光继续照射到小坑内，使材料进一步熔化、汽化，继而使小坑加深，最后在液态金属中形成一个充满因高温蒸汽部分电离而成的等离子体的小孔，并在小孔上方形成等离子体云。

因为有等离子体云的作用，整个焊接过程会十分稳定，随着激光束的不断活动，小孔前沿的材料不断熔化构成焊接熔池，熔融液体绕小孔周边由前端向后端流动，最后凝固形成焊缝。

激光深熔焊的工艺参数主要包括激光功率、焊接速度、离焦量和保护气体等，具体如下：(1)激光功率在进行激光焊接时，当工件上的激光功率密度高于激光能量密度闭值时，才能够产生等离子体，此时激光深熔焊接可以持续、稳定的进行。

而当激光功率密度低于激光能量密度闭值时，工件只有在表面发生熔化，此时并未实现激光深熔焊接，是以热传导焊接的方式持续、稳定的进行。

当激光功率密度达到小孔形成临界值时，深熔焊和热传导焊交替进行，焊接过程不稳定，熔深波动很大。

在进行激光深熔焊接时，激光功率可以控制熔透深度和焊接速度。

通常，对当激光束直径确定时，熔深随着激光功率增大而增大。

(2)焊接速度焊接速度是熔深影响的一个重要因素，提高焊接速度会使熔深变小，降低速度会导致材料过度熔化，使得工件被焊穿。

所以，当激光功率和工件的厚度一定时，每种材料都有一个合适的焊接速度范围，着这个范围内，达到合适的焊接速度值时，可以获得最大的熔深。

(3)离焦量离焦量是激光焊接最重要的工艺参数之一，当激光功率和焊接速度确定时，离焦量处于最佳位置范围内才能获得最大熔深和最佳的焊缝质量。

分为正离焦和负离焦。

焦平面位于工件上方称之为正离焦，焦平面位于工件下方称之为负离焦。

按照几何光学理论，当正负离焦在数值上相等时，所对应平面上的功率密度近似相等，但实际上所获得的熔池形状并不相同。

采用负离焦进行激光焊接时，可以得到更大的熔深，所以，应采用正离焦焊接薄材料，采用负离焦焊接厚材料。

(4)保护气体激光焊接通常使用惰性气体保护熔池，如氦、氨、氮等气体，使用保护气体可以使工件在焊接时不被氧化。

某些材料焊接如果允许表面氧化，可以不使用保护气体。

使用保护气体也可以保护聚焦透镜不被金属蒸气污染和液体熔滴溅射。

保护气体还可以驱散高功率激光焊接产生的等离子体，防止激光束的部分能量被等离子消耗，影响焊接质量。

五、激光焊接技术优点及存在问题传统焊接方法一般焊接速度较慢、热影响区较大、热输入量大、焊缝变形量大，但激光焊接时却能很好的解决这些问题，具有以下优点:(1)能量密度高，加热范围小，热输入小，所以焊接变形和焊接残余应力小。

在短时间内激光束经聚焦镜聚焦后具有很高的能量密度(在8410~10W/cm2之间)。

(2)大熔深，窄焊道，深宽比大。

激光深熔焊时，因为小孔效应，使激光束能量深入到材料内部而形成了这类深而窄的焊道。

(3)热影响区小，接头的力学性能比较稳定，焊接时，加热及冷却速度极快。

(4)可实现异种材料的焊接，对于一般焊接方法难以焊接的材料，如高硬度、高脆性及高熔点、高强度的同种或异种金属，甚至非金属材料，如陶瓷、有机玻璃等都可以用激光进行焊接，且焊后无需热处理等工艺。

(5)是一种非接触型焊接，对于一些难以接近的部位以及微型零件可轻松焊接，并且对远距离的工件也可进行焊接，这是其他焊接设备说无法比拟的。

(6)可以穿透玻璃等透明物体进行焊接，比如在密封容器里对一些剧毒材料进行焊接。

(7)易于电脑控制，易于自动化高速焊接。

同时，激光焊接技术也存在以下问题:(1)对于被焊工件的加工精度、装配等焊接前处理要求非常高，如果这些条件达不到要求，很容易在焊接过程中形成缺陷。

这是因为激光束的光斑直径非常小，焊接前必须要使激光束对准焊缝，稍有偏差就会影响焊接质量，很多时候都需要设计工装夹具。

(2)激光焊接时的光致等离子体会造成小孔效应，使焊缝成形不稳定，易出现焊接缺陷。

(3)激光焊接高反射率材料时，大部分激光都被反射掉，只有少部分激光能被材料吸收，所以在焊接这类高反射率的材料时，一般都需要较大的激光功率，由于大部分激光都被反射出去，焊接时，必须注意操作方法，防止被反射的激光逆着光路反射到焊接头里面引起光学元件的损坏。

(4)高速冷却的熔池会使焊接过程稳定性差、接头中产生气孔、裂纹、强度下降等缺陷。

(5)激光焊接整个系统的设备成本非常高，一次性投入较大，且激光器的光电转换率较低。

六、激光器目前，应用较为普遍的激光器有:2CO 激光器、半导体激光器。

2CO 激光器主要是以2CO 为工作物质，2N He 、等为辅助气体，它们的配比关系一般是：1:5:2::22 N He CO ，电光转换效率为%20~%15。

2CO 激光器的主要激励方式是电激励和热激励。

七、铝合金激光焊接缺陷研究1焊缝气孔在进行铝合金激光焊接时，由于工艺参数匹配不合理或者焊接操作方法不正确，会导致焊接缺陷的产生。

如焊缝气孔、焊接裂纹、咬边和塌陷等。

这些缺陷在本实验中都不同程度的出现，下面结合本实验对常见的焊接缺陷进行介绍。

在进行激光焊接的过程中，熔池结晶时某些气体来不及上浮逸出，在焊缝中形成了空穴，叫做气孔。

空气、保护气体及铝合金表面氧化膜中吸附的水分等是焊接气孔产生的主要原因。

铝合金激光焊接过程中产生的气孔主要有如下几种：a.氢气孔。

在铝合金激光焊接过程中，铝合金中多余的氢会在熔池凝固时析出，此时如果氢上浮逸出不够顺畅，就会聚集成气泡，残留在固态铝合金中形成气孔，此种气孔即为氢气孔；b.保护气体产生的气孔。

在铝合金激光焊接的过程中，熔池底部小孔前沿金属的发生强烈的蒸发，将保护气体卷入熔池中，形成气泡，如果气泡来不及上浮逸出，就会残留在固态铝合金中形成气孔，此种气孔即为保护气体产生的气孔；c.小孔塌陷产生的气孔。

在铝合金激光焊接过程中，当金属蒸汽的压力小于铝合金的表面的张力时，由于不能维持稳定状态，小孔将发生塌陷，此时如果熔化的铝合金没有及时填入其中，就会形成气孔，此种气孔为小孔塌陷产生的气孔。

根据形成机制的不同，氢气孔可分为冶金气孔和氧化膜气孔。

2焊接裂纹在实际的焊接生产中出现的焊接裂纹主要有热裂纹和冷裂纹等。

在焊接过程中，焊缝和热影响区金属冷却到固相线附近的高温区时产生的裂纹，叫做焊接热裂纹。

结晶裂纹、高温液化裂纹和多边化裂纹等均属于焊接热裂纹。

在焊接过程中，焊接接头冷却到较低的温度时产生的裂纹，叫做焊接冷裂纹。

焊接冷裂纹主要包括延迟裂纹、淬硬脆化裂纹和低塑性脆化裂纹等。

铝合金激光焊接过程中产生的裂纹主要为结晶裂纹，属于焊缝热裂纹。

3咬边在焊接过程中，由于焊接方法操作不当或者采用不相匹配的工艺参数进行焊接等原因，沿焊趾的母材部位产生的沟槽或凹陷，叫做咬边。

4塌陷在焊接过程中，由于焊接方法操作不当或者采用不相匹配的工艺参数进行焊接等原因，造成焊缝的金属透过背面过量，以至于焊缝正面发生塌陷而焊缝背面发生凸起的现象，叫做塌陷。

八、结束语激光不但在现代工业生产技术中表现出前所未有的优势,而且在现代科学中给人们也提供了更广阔的想象空间。

铝合金激光焊接比传统的焊接技术具有明显的高效、可控和优质的特点,但是其缺陷的形成机理和预防措施也有其独特之处。