目录
一、影响激光焊接效果的因素
1.1、光束特征
1.2、焊接特征
1.3、保护气体
二、材料对焊接的影响
2.1 材料特征
2.2 不同材料对激光的吸收率
（一）、不同金属材料对不同激光的吸收率
1. 金属材料对激光的普遍反应
2. 不同波长激光的吸收率差异
3. 具体金属材料的吸收率示例
（二）、其他材料对激光的吸收率
（三）、影响材料对激光吸收率的因素
1. 材料的种类
2. 激光的波长
3. 材料的温度
4. 材料的表面状况
5. 激光的功率密度
三、激光焊接中的工艺参数
1. 功率密度
2. 激光脉冲波形
3. 激光脉冲宽度
4. 离焦量
5. 焊接速度
6. 光斑大小
7. 透镜焦距和聚焦位置
8. 保护气体
四、异种材料焊接
1、异种材料焊接的困难
2、异种材料焊接的方法
3、异种材料焊接的实例
4、异种材料焊接的注意事项
五、激光焊接中的新工艺
1. 单模摆动激光焊接
2. 薄板半导体激光焊接
3. 环形光斑激光焊接
4. 双光斑激光焊接
5. 三光斑激光焊接
6. 激光复合焊接
7. 摆动工艺
8. 远程激光焊接
一、影响激光焊接效果的因素
影响激光焊接效果的因素可以归纳为以下几个方面：
光束特征、焊接特征、保护气体以及材料特征。
以下是对这些因素的详细分析：
1.1、光束特征
-
激光功率与功率密度：
- 激光功率是影响焊接质量的关键参数之一。功率过低，材料无法充分熔化，焊接不牢固；功率过高，则可能导致材料过熔，形成过大的熔池，甚至引发烧穿。
- 激光功率密度值在激光焊接中起主要作用，因为不同的材料都有一个临界功率密度阈值，只有超过这个阈值，才能形成“小孔效应”，获得深熔焊接。
- 因此，激光器功率的变化会引起焊接效果的变化。激光器的功率变化体现在两个方面：（1）激光器自身功率的变化、不稳定性等因素，（2）激光器焦点到工件之间距离的变化。
-
光束模式与光强分布：
- 光束模式决定了聚焦焦点的能量分布，对激光加工具有重要的影响。激光束为基模时，可以获得最大的焊缝深度与深宽比，光束模式的阶次越高，激光束的能量分布越发散，焊接质量越差。
- 光强分布也会影响焊接效果，良好的光强分布可以确保焊接区域的能量均匀，从而获得均匀的焊缝。
- 焦点特性：
- 焦点的位置、大小、焦深和发散角都会影响焊接效果。焦点位置的选择对焊缝形状和熔深有重要影响，通常负离焦比正离焦更易获得较大熔深。
- 焦斑大小和形状影响激光焊接的焊缝宽度，而焦深主要影响焊接所应选择的材料厚度。
- 即激光器的焦点正在落在焊接工件上，能量密度最大。
1.2、焊接特征
- 焊接速度：
- 焊接速度过快，材料来不及熔化，焊接接头强度不足；速度过慢，则可能导致过熔或焊接变形。应根据具体的焊接任务，调整焊接速度，以确保最佳的焊接质量。
- 焊接温度：
- 焊接温度与锡的熔点、焊盘和基材的热容量相关。预热温度太高焊盘容易氧化不沾锡，温度太低则影响锡的沁润。
- 焊接环境：
- 焊接环境的温度和湿度也会影响焊接效果。温度过低，材料冷却速度快，焊接容易产生裂纹；湿度过高，则可能导致材料表面吸附水汽，影响激光的传递。
- 因此，环境温度的变化也会引起焊接的变化
1.3、保护气体
- 激光焊接过程中常使用惰性气体来保护熔池，以防止氧化和污染。常用的保护气体有氦气、氩气和氮气等。
- 氦气不易电离，光束能量不受阻碍地直达工件表面，是激光焊接时使用最有效的保护气体，但价格较贵。
- 氩气便宜且密度大，保护效果较好，但易受高温金属等离子体电离，减少焊接的有效激光功率。
- 氮气最便宜，但对某些类型不锈钢焊接时并不适用，可能会产生气孔。
备注：
保护气本身需要消耗激光器的能量！！！
二、材料对焊接的影响
2.1 材料特征
- 材料表面清洁度：
- 材料表面的清洁度对激光焊接质量有着重要影响。污垢、油脂和氧化层会吸收或散射激光能量，导致焊接不牢固。因此，在焊接前应对材料表面进行清洁处理。
- 不同材料对激光的吸收率与反射率：
- 不同材料对激光的吸收率不同，这会影响激光能量的传递和焊接效果。某些材料如铝和铜具有较高的反射率，需要采取特殊措施来提高焊接效率。
- 不同材料的导热性：
- 材料的导热性也会影响焊接效果。导热性高的材料容易将激光能量迅速传导开，导致焊接区域温度不足，熔池无法充分形成。因此，在焊接高导热性材料时，需要增加激光功率或降低焊接速度。
综上所述，影响激光焊接效果的因素是多方面的，包括光束特征、焊接特征、保护气体以及材料特征等。在实际应用中，需要根据具体情况综合考虑这些因素，并采取相应的措施来优化焊接效果。
2.2 不同材料对激光的吸收率
不同材料对不同激光的吸收率受到多种因素的影响，包括材料的种类、激光的波长、材料的温度、表面状况以及激光的功率密度等。
以下是对这一问题的详细分析：
（一）、不同金属材料对不同激光的吸收率
1. 金属材料对激光的普遍反应
- 金属材料对激光的吸收主要通过自由电子的运动实现。当激光照射到金属表面时，其电磁场会驱动金属中的自由电子振动，这种振动能量随后以热的形式传递给金属的晶格结构，从而加热材料。
2. 不同波长激光的吸收率差异
- 短波长激光（如蓝光、绿光）在金属材料中的吸收率较高，适用于精细加工。
- 中波长激光（如光纤激光，波长约为1064纳米）在金属中的吸收率也较高，且能较深入金属内部，适合于深度加工和高效率加工。
- 长波长激光（如CO2激光，波长约为10.6微米）在金属中的吸收率相对较低，主要用于非金属材料的加工，但在某些特殊金属加工应用中也有其用途。
3. 具体金属材料的吸收率示例
- 金和铜：金在532nm波长时的吸收率约为30%，在1064nm波长时的吸收率不到10%；铜在532nm波长时的吸收率约为40%，在1064nm波长时的吸收率也不到10%。这表明这两种金属对波长的变化较为敏感。
- 铝：铝对激光的吸收率随温度变化显著，在室温下对激光的吸收率较低（如5-7%），但在匙孔状态下能达到90%以上。
（二）、其他材料对激光的吸收率
除了金属材料外，其他材料（如非金属材料）对激光的吸收率也有显著差异。这些材料的吸收特性通常与它们的分子结构和化学键有关。例如，某些塑料和陶瓷材料可能对特定波长的激光具有较高的吸收率，而另一些则可能具有较低的吸收率。
（三）、影响材料对激光吸收率的因素
1. 材料的种类
不同种类的材料对激光的吸收率不同。这主要取决于材料的物理和化学性质，如电导率、热导率、反射率等。
2. 激光的波长
激光的波长是影响材料吸收率的重要因素。一般来说，短波长激光在材料中的吸收率较高，而长波长激光的吸收率较低。
3. 材料的温度
材料的温度也会影响其对激光的吸收率。一般来说，随着温度的升高，材料对激光的吸收率也会增加。
4. 材料的表面状况
材料的表面粗糙度、有无涂覆层、有无氧化膜等因素都会影响其对激光的吸收率。适当的表面预处理可以提高材料对激光的吸收率。
5. 激光的功率密度
激光的功率密度也会影响材料对激光的吸收率。在高功率密度下，材料表面可能发生熔化、蒸发甚至形成等离子体等现象，这些都会改变材料对激光的吸收特性。
综上所述，不同材料对不同激光的吸收率是一个复杂的问题，需要考虑多种因素的影响。在实际应用中，需要根据具体材料和加工需求选择合适的激光波长和功率密度等参数以获得最佳的加工效果。
三、激光焊接中的工艺参数
激光焊接中的工艺参数是决定焊接质量和效果的关键因素。
以下是一些主要的工艺参数及其影响：
1. 功率密度
- 定义：功率密度是激光加工中最关键的参数之一，表示单位面积上激光束的功率。
- 影响：较高的功率密度可以在微秒时间范围内使材料表层加热至沸点，产生大量汽化，有利于材料去除加工如打孔、切割、雕刻。而较低的功率密度则使表层温度达到沸点需要经历数毫秒，在表层汽化前底层达到熔点，易形成良好的熔融焊接。在传导型激光焊接中，功率密度通常在104~106W/cm²范围内。
2. 激光脉冲波形
- 定义：激光脉冲波形描述了激光束在时间上的强度变化。
- 影响：激光脉冲波形在激光焊接中是一个重要问题，尤其对于薄片焊接更为重要。高强度激光束射至材料表面时，金属表面会有60~98%的激光能量反射而损失掉，且反射率随表面温度变化。脉冲波形的选择会影响焊接过程中的能量传递和熔池形成。
3. 激光脉冲宽度
- 定义：激光脉冲宽度是指激光脉冲持续的时间长度。
- 影响：脉宽是脉冲激光焊接的重要参数之一，它既是区别于材料去除和材料熔化的重要参数，也是决定加工设备造价及体积的关键参数。较宽的脉冲可以提高焊接深度，但可能降低焊点质量。
4. 离焦量
- 定义：离焦量是指激光焦点与工件表面之间的距离。
- 影响：激光焊接通常需要一定的离焦，因为激光焦点处光斑中心的功率密度过高，容易蒸发成孔。离焦方式有正离焦和负离焦两种。正离焦时焦平面位于工件上方，负离焦时则相反。负离焦时，材料内部功率密度比表面还高，易形成更强的熔化、汽化，使光能向材料更深处传递，从而获得更大的熔深。在实际应用中，根据焊接需求选择合适的离焦方式。
5. 焊接速度
- 定义：焊接速度是指激光焊接头在工件上移动的速度。
- 影响：焊接速度是影响焊接质量的重要参数之一。速度增加会使熔深变浅，焊缝和热影响区变窄，生产率增高。但过大的焊接速度会增加气孔和孔洞倾向。因此，需要根据焊接材料和厚度选择合适的焊接速度。
6. 光斑大小
- 定义：光斑大小是指激光束在工件上形成的光斑直径。
- 影响：光斑大小影响焊接面积和焊点质量。较大的光斑可以增大焊接面积，但可能降低焊点质量。通过调节聚焦镜的焦距或激光器的输出功率可以控制光斑大小。
7. 透镜焦距和聚焦位置
- 定义：透镜焦距是指聚焦镜的焦距长度，聚焦位置是指激光束在工件上的聚焦点位置。
- 影响：透镜焦距和聚焦位置的选择会影响激光束的聚焦效果和焊接质量。合适的焦距和聚焦位置可以使激光束在工件上形成合适的光斑大小和功率密度分布。
8. 保护气体
- 定义：保护气体是指在激光焊接过程中用于保护熔池和焊缝免受氧化和污染的气体。
- 影响：保护气体的种类和流量会影响焊接质量和焊缝外观。常用的保护气体有氩气、氮气等。适当使用保护气体可以减少焊接缺陷如气孔、裂纹等的发生。
综上所述，激光焊接中的工艺参数包括功率密度、激光脉冲波形、激光脉冲宽度、离焦量、焊接速度、光斑大小、透镜焦距和聚焦位置以及保护气体等。这些参数的选择和调节需要根据具体的焊接需求和工件材料来确定以获得最佳的焊接效果。
四、异种材料焊接
异种材料焊接是指将两种或两种以上不同材质的材料通过焊接方法连接在一起的过程。由于不同材料在物理、化学和机械性能上的差异，异种材料焊接相比同种材料焊接具有更大的挑战性和复杂性。以下是对异种材料焊接的详细探讨：
1、异种材料焊接的困难
- 物理性能差异：不同材料的熔点、热导率、线膨胀系数等物理性能差异大，容易导致焊接过程中产生热应力、裂纹等问题。
- 化学成分差异：不同材料的化学成分不同，焊接时易发生化学反应，生成脆性相或导致接头性能下降。
- 金相组织差异：不同材料的金相组织不同，焊接时难以保证焊缝与母材之间的良好结合。
2、异种材料焊接的方法
- 熔焊
- 焊条电弧焊：工艺简便，操作灵活，适应性强，适用于多种异种材料的焊接。
- 气体保护焊：包括TIG焊（钨极惰性气体保护焊）和MIG焊（熔化极惰性气体保护焊），能提供良好的焊接环境，减少焊接缺陷。
- 激光焊：焊接速度快，焊缝窄，热影响区小，适用于高精度、高要求的异种材料焊接。
- 电子束焊：在真空环境下进行，能实现高能量密度、高穿透深度的焊接，适用于高强度、高导电性和高导热性材料的焊接。
- 压焊
- 压焊基体通常并不熔化，焊接温度低于金属的熔点，但仍以固相结合而形成接头。包括电阻焊、冷压焊、扩散焊、摩擦焊等。
- 钎焊
- 适用于熔焊方法难以连接的异种材料，如陶瓷、复合材料等。通过熔化低熔点的钎料来连接母材。
3、异种材料焊接的实例
- 钢与有色金属的焊接
- 如钢与铝、钢与铜的焊接，常面临氧化导致的未熔合、气孔、裂纹等问题，需采取特殊措施如添加过渡层、调整焊接参数等。
- 异种有色金属的焊接
- 如铜与铝的焊接，同样存在氧化性导致的未熔合、脆性相、气孔等问题，需采用适当的焊接方法和焊接材料。
- 金属与非金属的焊接
- 如钢与石墨、金属与陶瓷的焊接，界面结合（润湿性）差、脆性相等问题突出，需采用特殊的焊接工艺和焊接材料。
4、异种材料焊接的注意事项
- 焊接材料的选择
- 应根据接头两侧焊接性较差或强度较低的材料选择焊接材料，以保证焊接接头的性能。
- 焊接参数的调整
- 根据材料的物理性能和化学成分调整焊接电流、电压、焊接速度等参数，以减少焊接缺陷的产生。
- 预热和缓冷措施
- 对于热导率差异大的材料，应采取预热和缓冷措施以减少热应力和裂纹的产生。
- 焊接质量的检测
- 对焊接接头进行无损检测和破坏性检测，以确保焊接质量满足要求。
综上所述，异种材料焊接是一项复杂而重要的工艺技术，需要综合考虑材料的物理性能、化学成分和金相组织等因素，选择合适的焊接方法和焊接材料，并采取适当的焊接参数和措施以确保焊接质量。
五、激光焊接中的新工艺
激光焊接作为一种高效、精密的焊接方法，近年来在工艺上不断创新，以满足不同行业对焊接质量、效率和灵活性的需求。
以下是几种激光焊接新工艺的详细解析：
1. 单模摆动激光焊接
单模摆动激光焊接结合了单模激光器的优异性能与摆动焊接技术。
单模激光器能够输出光束质量高、能量集中的激光束，
而摆动焊接技术则通过控制激光束在焊缝上的摆动轨迹，实现焊接质量的提升。
这种工艺具有以下优势：
- 焊接质量高：摆动焊接能够减少焊接缺陷，如气孔、裂纹等，使焊缝更加均匀、美观。
- 适用范围广：适用于不同厚度、不同材料的焊接，包括铝合金、不锈钢等。
- 生产效率高：摆动焊接可以提高焊接速度，从而提升生产效率。
然而，单模摆动激光焊接对设备要求较高，需要精确的控制系统和高质量的激光器。
2. 薄板半导体激光焊接
半导体激光器因其光斑大、光束质量分布均匀及金属材料吸收率高等特点，在薄板焊接领域具有显著优势。薄板半导体激光焊接具有以下特点：
- 焊接过程稳定：熔池稳定、无飞溅，焊缝表面光滑美观。
- 焊接质量高：焊缝截面呈半圆型或Y型，焊后强度可满足工件使用要求。
- 适用于薄板焊接：如生活类五金、机械制品及汽车零部件等薄板结构件的焊接。
3. 环形光斑激光焊接
环形光斑激光焊接通过将激光束形成环形光斑，实现对焊缝的加热和焊接。
这种工艺具有以下优势：
- 焊接速度快：环形光斑能够提供更大的加热面积，从而提高焊接速度。
- 焊接质量高：环形光斑能够减少焊接缺陷，使焊缝更加均匀。
- 可调整性强：环形光斑的功率比可连续可调，以适应不同焊接需求。
环形光斑激光焊接在新能源汽车、航空航天等领域具有广泛应用前景。
4. 双光斑激光焊接
双光斑激光焊接利用两个或多个激光束同时作用于焊缝，实现高效、高质量的焊接。这种工艺具有以下特点：
- 焊接效率高：两个激光束同时工作，能够显著提高焊接效率。
- 焊接质量高：通过合理设置两个激光束的参数，可以实现对焊缝的精确控制，减少焊接缺陷。
- 灵活性高：适用于不同形状、不同材料的焊接。
5. 三光斑激光焊接
三光斑激光焊接是在双光斑的基础上进一步发展而来的技术，它利用三个激光束在焊接区域形成三个光斑（熔池区、热影响区和固态区），实现更高精度的焊接。这种工艺具有更高的焊接质量和效率，但设备复杂度和成本也相对较高。
6. 激光复合焊接
激光复合焊接是将激光焊接与其他焊接方法（如电弧焊、高频焊等）相结合的一种新型焊接技术。通过两种或多种焊接方法的协同作用，实现优势互补，提高焊接质量和效率。激光复合焊接在厚板焊接、异种材料焊接等领域具有显著优势。
7. 摆动工艺
摆动工艺是一种通过控制激光束在焊缝上的摆动轨迹来实现高质量焊接的技术。它不仅可以提高焊接速度和生产效率，还可以减少焊接缺陷，改善焊缝的显微组织和硬度。摆动工艺在铝合金、不锈钢等材料的焊接中得到了广泛应用。
8. 远程激光焊接
远程激光焊接是指利用光纤等传输介质将激光束远距离传输到焊接现场进行焊接的技术。这种技术具有灵活性高、适用范围广等优点，可以在难以接近或空间受限的场合进行焊接作业。然而，远程激光焊接对传输介质和控制系统要求较高，需要确保激光束在传输过程中的稳定性和精确性。
综上所述，激光焊接中的新工艺不断涌现，为不同行业的焊接需求提供了更加高效、精确和灵活的解决方案。随着技术的不断进步和创新，激光焊接的应用领域将会更加广泛。
