連載《激光，一種工具》丨第八章：激光焊接

來源|通快

對接焊、搭接焊、填絲焊——焊接術語的範圍和這個技術本身一樣廣泛多變。激光焊接和激光釺焊是熱接縫方法中的兩種標準化的接縫工藝。

激光器的優勢

與傳統的電弧焊接工藝相比，激光束接縫有很多好處：

• 小區域內選擇性的能量應用：降低熱應力和減小熱影響區，極低的畸變
• 接合縫窄、表面平滑：降低甚至消滅再加工
• 高強度與低焊接體積結合：焊接後的工件可以經受彎曲或者液壓成形
• 易於集成：可與其他生產操作結合，例如對準或者彎曲
• 接縫只有一邊需要接近
• 高工藝速度縮短加工時間
• 特別適用於自動化技術
• 良好的程序控制：機床控制和感測器系統檢測工藝參數並保證質量
• 激光束可以不接觸工件表面或者不對工件施加力的情況下產生焊點

焊接和釺焊金屬

激光束可以在金屬表面連接工件或者產生深焊縫，也可以和傳統的焊接方法相結合或用作釺焊。

1.熱傳導焊接

熱傳導焊接中，激光束沿著共同的接縫熔化相配零件，熔融材料流到一起並凝固，產生一個不需要任何額外研磨或精加工的平滑、圓形的焊縫。

熱傳導焊接深度範圍在僅僅幾十分之一毫米到一毫米。金屬的熱導率限制了最大的焊接深度，焊接點的寬度總是大於它的深度。

如果熱量不能迅速地散去，加工溫度就會上升到氣化溫度以上，金屬蒸氣形成，焊接深度急劇增加，工藝變成了深熔焊。

2.深熔焊

深熔焊需要大約 1 MW/cm2 的極高功率密度。激光束熔化金屬的同時產生蒸氣，蒸氣在熔融金屬上施加壓力並部分取代它，同時，材料繼續熔化，產生一個深、窄、充滿蒸氣的孔，即小孔效應。激光束沿著焊縫前進，小孔隨之移動，熔融金屬環流小孔並在其軌跡內凝固，產生一個深、窄的內部結構均勻的焊接，焊接深度可能比焊接寬度的大十倍，達到25mm 或者更深。

深熔焊的特徵在於高效率和快速的焊接速度，熱影響區很小，畸變可控制在最低限度，常用於需要深熔焊接或者多層材料需要同時焊接的應用中。

3.活躍氣體和保護氣體

活躍氣體和保護氣體在焊接過程中輔助激光束。

活躍氣體用於 CO2 激光器焊接，以防止工件表面形成等離子體雲阻礙激光束。

保護氣體用以保護焊接表面不受環境空氣影響，保護氣體到工件的流動是非湍流的（層流）。

4.填充材料

填充材料通常以絲或者粉末添加到要被連接的點上。其作用：

1. 填補過寬或不規則的縫隙，減少接縫準備所需的工作量。

2. 填充物以特定形式的成分添加到熔融金屬上從而改變材料的焊接適用性、強度、耐久性和抗腐蝕性等。

5.複合焊接技術

複合焊接技術是指激光焊接和其他焊接方法相結合的工藝。可兼容的工藝是 MIG（惰性氣體保護焊）或者 MAG（活性氣體保護焊）焊接，TIG（鎢極惰性氣體焊接）或者等離子體焊接。複合焊接技術比單獨的 MIG 焊接更快、零件變形更少。

6.激光釺焊

激光釺焊中，相配零件通過填充材料或者釺料連接在一起。釺料的熔化溫度低於母材的熔化溫度，在釺焊過程中只有釺料被熔化，相配零件僅被加熱。釺料熔化流入到零件之間的缺口並與工件表面結合（擴散結合）。

釺焊接頭強度和焊料材料一樣，接縫表面平滑清潔，無需精加工，常用於汽車車身加工，比如後備箱蓋或者車頂。

感測器

感測器用於檢測和調節某些參數，包括工作距離、激光束在接縫間隙的位置、光學透鏡調整角度以及填充材料的數量，以保證零件加工過程中的焊接質量，並且檢測出劣質的零件。

1.焊縫跟蹤

當激光束用來焊接材料中的對接接頭時，追蹤接縫間隙軌跡和正確定位激光束，確保激光束保持在接縫間隙的同一個位置。

2.保持監視整個過程

可以將感測器系統結合來實現對焊接過程更全面的監測。包括「焊接前」、「焊接內」、「焊接後」感測器。

焊接前感測器位於焊點之前追蹤焊縫和定位激光束。焊接中感測器在焊接中使用照相機或者二極體檢測焊接過程，基於相機的系統分析鎖眼和焊接池，採用二極體的系統能夠檢測加工光、熱輻射或者反射激光的強度。焊接後感測器檢查完成的焊點，確定焊點是否符合質量要求。

感測器依靠程序化的極限值來區別零件的優劣。

激光焊接機

激光焊接機的設計取決於很多因素，如工件形狀、焊接幾何結構、焊接類型、生產量、生產自動化程度，以及工藝和材料等等。

1.人工焊接

小型工件通常採用手動工作站執行焊接工作，例如焊接珠寶或者修復工具。

2.1D 應用

有時候，激光束只需要沿著單一的移動軸焊接。比如使用縫焊接機或者管焊接系統進行管材焊接或者縫焊接。。

3.3D 系統和機器人

激光束通常連接以立體焊接幾何結構為特徵的三維零件。採用五軸基於坐標的激光單元和一組可移動的光學配件。

4.掃描振鏡或者遠程焊接

掃描振鏡在離工件很遠的距離引導激光束，而在其他焊接方法中，光學透鏡是在離工件很近的距離引導激光束。

掃描振鏡依靠一個或者兩個可移動的反射鏡，快速定位激光束，使得複位焊縫之間的光束所需時間接近為0，從而提高產能，適用於生產大量的短焊縫，並可以優化焊接順序來保證最小的熱量輸入和畸變。

5.遠程焊接系統

遠程焊接系統有兩種實現方式。第一種是一個遠程焊接系統。工件放置在掃描光學振鏡下工作區域內，然後被焊接。在短時間內焊接大量零件時，在光學振鏡下通過機器連續不斷地運輸零件，這個過程被稱作飛行焊接。

第二種是承載掃描光學振鏡的機器人執行大的移動量，同時，掃描光學振鏡保證激光束沿著工件來回移動時的精密定位。機器控制同步機器人和掃描光學透鏡的重疊移動，它測量機器人幾毫米內的精確的空間位置，控制系統將測量的位置與程序路徑對比。如果檢測到偏差，就會通過掃描光學振鏡進行補償控制。

激光焊接將變得更容易

激光焊接工藝開發了大範圍的應用可能性。高質量、極小的再加工、低成本效益成為大力推廣激光焊接工藝的有力論據。未來激光焊接工藝會變成像激光切割那樣成熟。

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