激光先进制造技术 课件 第5章 激光焊接技术

激光先进制造技术LaserAdvanced Manufacturing

Technology1.激光起源及激光特种加工技术2.激光冲击强化技术3.激光熔覆技术4.超高速激光熔覆技术5.激光焊接技术6.激光复合制造技术7.激光微细复合加工技术课

程

内

容5.1激光焊接技术概述5.2激光焊接系统5.3激光焊接的工艺方法5.4激光焊接中主要工艺规律5.5金属材料的激光焊接5.6激光焊接技术的典型案例本

章

内

容5.1激光焊接技术概述5.2激光焊接系统5.3激光焊接的工艺方法5.4激光焊接中主要工艺规律5.5金属材料的激光焊接5.6激光焊接技术的典型案例本

章

内

容5/1175.1激光焊接技术概述激光焊接是将高功率密度的激光束直接照射到材料表面，在极短的时间内材料表面吸收激光能量，辐照位置熔化形成焊接熔池，在随后的冷却凝固过程中形成冶金结合的焊接接头的一种连接方法。6/1175.1激光焊接技术概述激光焊接有两种基本模式，即热导焊接和深熔焊接。热导焊接中，材料表面吸收激光能量，通过热传导的方式向内部传递；激光深熔中，高功率密度激光引起材料局部蒸发，蒸汽压力作用使熔池表面下陷形成小孔，激光束通过“小孔”深入到熔池内部。7/1175.1激光焊接技术概述8/117(1)能量密度高。激光束焦点附近的能量密度极高，达到105

W/cm2甚至更高，且穿透能力强，形成的焊缝具有较大的深宽比，因此使激光焊接具有焊接速度

快，热影响区小和热变形小的特点。激光焊接电弧焊接5.1激光焊接技术概述9/117(2)

非接触式焊接。激光头不需要接触焊件，可以焊接不便接近的部位，其中光纤激光焊接机可以通过光纤进行远距离传输且几乎没有衰减。在机械手的辅助下，光纤激光焊接机可以对大型复杂焊件进行自动化焊接。5.1激光焊接技术概述10/117(3)

用途广。通过改变激光器的各种输出参数，就可以使激光焊接设备适应于

不同用途。对于光纤激光，改变离焦量即可实现焊接和热处理两种加工手段；在相同的焊接参数条件下，激光应用于厚板可以实现焊接，但应用于薄板则是切割。因此，通过分光系统，可以将一台激光器输出的光源分成多路，改变相关参数后实现多种用途。激光切割激光熔覆5.1激光焊接技术概述11/117(4)

可以焊接各种不易焊接的材料。激光焊接可以实现异种金属的焊接，金属

和非金属的焊接，非金属之间的焊接等。钛合金激光焊接塑料激光焊接铜/不锈钢异种材料激光焊接5.1激光焊接技术概述12/117(5)

激光不受电磁场影响（电弧焊和电子束焊受影响），能精确地对准焊件；

不存在X射线防护，也不需要真空保护。5.1激光焊接技术概述焊接工艺分类及对比情况焊接方法材料熔宽比功率密度（W/cm2）热变形焊接质量激光焊接金属、非金属<1010K-100M极小质量高；单面焊降低重量，焊接强度高电阻焊接金属<2100-1M显著双面焊增加重量，焊接强度低电弧焊金属<21K-100K显著焊接点/缝大，增加重量，焊接强度低电子束焊接金属、非金属<301M-100M极小质量高；但过程复杂，需要真空和消磁13/117激光焊接也有其不足之处：p

主要是设备投资成本高；p

在需要大流量昂贵的氦气作为保护气体的情况下运行费用也较高；p

激光束能够获得极小的光斑是激光焊接的优点，但同时也带来接头

安装和对中困难的问题。5.1激光焊接技术概述14/1172016-2021年中国激光设备产量及市场结构2020年全球激光器应用市场结构激光焊接与激光切割、激光打标构成激光技术的“三驾马车”。由于激光技术进步和激光器价格下降，新能源汽车、锂电池、显示面板，手机消费电子等领域需求旺盛，使激光焊接需求旺盛。5.1激光焊接技术概述15/1172014-2020年中国激光焊接市场规模及增速中国焊接产业链简图光纤激光器成本大幅下降，以及光纤传输、手持焊接头的技术逐渐成熟，手持激光焊接系统于近年来逐渐“走红”。激光焊接企业有大族激光、华工科技、联赢激光、楚天激光等。5.1激光焊接技术概述16/1175.1激光焊接技术概述激光焊接相比于传统焊接技术，具有很多优势。激光焊接的自动化程度高，焊接流程简单，激光焊接加工的工件外观美观、焊缝小、焊接深度大、焊接质量高，焊接效率高。因此，激光焊接在汽车、电子、船舶、航空航天、新能源领域得到了日益广泛的应用。CO2激光焊接的部分应用17/1175.1激光焊接技术概述汽车工业激光焊接技术已在汽车生产线上大量采用，已用于底盘、车身、

车顶、车门、侧框等结构和零部件。激光焊接技术的大量应用使汽车制造水平、产品质量和性能得到显著提高和改善，为实现轻量化、高强度和柔性设计与制造创造了条件。18/1175.1激光焊接技术概述航空工业在飞机制造领域中，激光焊接技术主要应用于飞机大蒙皮的拼接以及蒙皮与长桁的焊接。通过采用激光焊接代替铆接密封壁板，减少了机身重量，降低了制造成本。19/1175.1激光焊接技术概述造船工业激光焊接使船舶焊接工作量大大减少，焊后矫形工作量大大减少。针对船体结构中两块面板中间夹有加强腹板的平板夹芯构件，激光焊接可以穿过面板熔化下方的腹板，实现整体结构的连接。20/1175.1激光焊接技术概述电子工业激光焊接由于接热影响区小和热应力小，在集成电路和半导体器件壳体的封装中显示出独特的优越性。在真空电子器件研制中，激光焊接应用于钼聚焦极与不锈钢支持环、快热阴极灯丝组件等。21/1175.1激光焊接技术概述新能源电池激光焊接技术目前已用于电池安全阀密封和盖板密封焊接、引出

极耳焊接、极耳集合焊接、电池组连接焊接等。激光焊接的热影响区小，焊点焊缝美观、焊接更牢固、速度快、自动化程度高。5.1激光焊接技术概述5.2激光焊接系统5.3激光焊接的工艺方法研究5.4激光焊接中主要工艺规律5.5金属材料的激光焊接5.6激光焊接技术的典型案例本

章

内

容5.2激光焊接系统23/117激光焊接系统主要由激光器、光束传输和聚焦系统、运动系统以及过程与质量的监控系统、光学元件的冷却和保护装置、保护气体输送系统、控制和检测系统、工件上下料装置、安全装置等外围设备组成。24/117激光焊接要求激光器应具有较高的额定输出功率，较宽的功率调节范围，且功率缓升缓降能力，工作稳定、可靠，能长期工作运行，同时要求激光的横模最好为低阶模或基模。激光器的工作方式主要分为脉冲式和连续式两种，另有一种QCW准连续式，

各有不同的使用场合。脉冲式激光器功率较小，主要应用于厚度小于1

mm的薄金属焊接，如3C产品，电子元器件，锂电池等。连续激光器大部分是高功率焊接机，利用匙孔效应焊接厚度大于1

mm的金属材料，多用于机械，汽车等领域，而小功率的连续激光器多用于塑料焊接。5.2激光焊接系统25/1175.2激光焊接系统影响金属激光焊接性的因素有材料的热物理和力学性能、表面条件、工艺参数等，高反射率的材料不利于获得良好的激光焊接质量。针对不同的加工材料，不同的激光器可以获得不同的焊接结果。用于焊接的激光器主要包括CO2激光器、YAG激光器和光纤激光器。焊接中采用的激光器的特点26/117CO2激光器是以CO2气体作为工作物质的气体激光器。CO2激光焊接特点

1、技术发展早，应用成熟；2、光束质量较高，容易获得较高的功率；3、激光波长不利于焊接金属材料吸收；4、设备体积大，光路系统复杂，运行维护成本高。5.2激光焊接系统27/117YAG激光器YAG激光焊接机通常采用高能脉冲激光对工件实施焊接，以脉冲氙灯作为泵浦源，以Nd：YAG作为工作物质的一种焊接机器。YAG激光焊接特点1、YAG激光器结构紧凑

（小型化、全固态、长寿命、工作物质热效应减小）2、YAG激光有效功率高

（波长是CO2激光波长的1/10，波长较短对聚焦、光纤传输和金属表面吸收等有利）5.2激光焊接系统28/117YAG激光焊接特点3、能使激光加工实现柔性化（YAG激光焊接机能与光纤耦合，借助时间分割和

功率分割多路系统可以方便地将一束激光传输给多个工位或远距离工位，使激光加工实现柔性化。）4、加工范围大

（YAG激光焊接可以在连续和脉冲两种状态下工作，脉冲输出

加调Q和锁模技术可以得到短脉冲和超短脉冲，峰值功率很高，使其加工范围比CO2激光焊接机更大。）缺点：能量转化效率低，价格昂贵YAG激光器5.2激光焊接系统29/117脉冲YAG和连续CO2激光焊接应用示例5.2激光焊接系统30/1175.2激光焊接系统光纤激光器光纤激光器是指用光纤作为工作物质的激光器。光纤激光焊接特点

1、灵活多样的光纤焊接方式（点焊、搭接焊、对焊和封焊）2、光纤熔接效果好，焊缝小（光纤激光焊接机焊缝深

比大，比能量小，热影响区小，焊件变形小，焊接工件平整美观。特别适用于精密零件和热敏零件的焊接）31/1175.2激光焊接系统光纤激光器光纤激光焊接特点3、被焊材料不限（点焊、搭接焊、对焊和封焊）4、用途广，功能强（柔性光纤传输可以对远离主机的大型工件进行焊接）5、工作效率高（光纤激光焊接机自动化程度高，焊接工艺简单）6、使用寿命长（激光器的使用寿命可达10万小时）7、维护成本低（光纤激光焊接机可输出多路光路，可实现能量分流，将激光器输出的激光能量均匀分布到输出光纤）32/117光学系统主要用于激光光源到加工机头的光束传输。激光传输有激光反射和透

射两种方式，通过使用光学镜片来实现。CO2激光传输一般采用将反射镜直接插入光束的传输路径中进行方向变化，光束在空气介质中传输，在此过程中，光束功率保持不变。YAG激光多采用透镜，在传输之前，需要在光路中插入凹透镜扩束处理，使光束发散，提高后续聚焦透镜的焦距，增大工作距离，便于激光加工。采用反射镜改变光束的传播方向示意图5.2激光焊接系统33/117激光器输出的激光必须借助聚焦系统以获得所需的光斑大小和功率密度才能用于焊接。聚焦通常有两种方式：透射式聚焦和反射式聚焦.YAG激光通常采用透射式聚焦。对于CO2激光，当激光功率不很高时(通常在2500W以下)，采用透射式聚焦；激光功率在几千瓦以上时，采用反射式聚焦。5.2激光焊接系统反射式和透射式聚焦系统示意图34/117按激光束与工件的相对运动的实现方式，运动系统可以分为以下三种基本形式:(1)

激光器运动。激光器与传输、聚焦系统作为一个整体沿工件运动。我国宝钢1420冷轧生产线激光焊接就是采用这种方式。(2)

工件运动。工件置于工作台上，工件随工作台一起运动，激光器及导光系统固定不动。这种方式在工件不大时，使用较为方便，如齿轮焊接。(3)

光束运动。激光器和工件都固定不动，通过飞行光学系统或光导纤维的运动实现光束的运动。由于运动部件的惯性小，故可以达到很高的速度和加速度。这种方式对激光器的光束质量要求很高，通常应用于大范围的加工。5.2激光焊接系统35/1175.2激光焊接系统机器人的加工精度虽然不如激光加工机床，但由于其体积小，更加方便灵活，且价格低廉，得到越来越广泛的应用。光纤传输激光加工机器人系统5.1激光焊接技术概述5.2激光焊接系统5.3激光焊接的工艺方法5.4激光焊接中主要工艺规律5.5金属材料的激光焊接5.6激光焊接技术的典型案例本

章

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容5.3激光焊接的工艺方法研究激光焊接按照焊接模式的可以分为激光热导焊接和激光深熔焊接激光热导焊接激光深熔焊接激光热导焊接激光深熔焊接37/11738/1175.3激光焊接的工艺方法研究当激光功率密度小于105

W/cm2时，激光会将金属表面加热到熔

点与沸点之间，金属材料表面将所吸收的光能转变为热能，使金属温度升高而熔化，通过热传导方式把热能传向金属内部，使熔化区逐渐扩大，凝固后形成焊点或焊缝，称为热传导焊接。激光热导焊的熔化过程，1

-

激光束，2

-

母材，3

-

熔池，4

-

焊缝激光热导焊是待焊接材料表面吸收激光能量并通过热传导的方式向内部传递实现焊接的方式u

焊接熔深浅u

不产生金属蒸汽和等离子体u

焊缝平滑u

能量密度低39/1175.3激光焊接的工艺方法研究40/1175.3激光焊接的工艺方法研究在激光热传导焊接过程中，激光加热引起的温度变化使熔池的表

面张力发生变化，在熔池内产生较大的搅拌力，使熔池中的液态金属按照一定的方向发生流动。激光热导焊时由于没有蒸气压力

作用，也不产生非线性效应和小孔效应，所以熔深一般较浅。不同离焦量的平板激光焊缝表面形貌：(a)6mm;

(b)

12mm;

(c)

17mm不同焊接速度作用下的平板激光热导堆焊截面形貌(a)

0.8m/min;

(b)

0.6m/min;

(c)

0.4m/min焊接速度降低使焊接热输入增加，液态熔池通过热传导的方式，不断熔化母材，提高了焊缝的熔深与熔宽。随着激光焊接离焦量的增大，激光热导焊接过程趋于稳定，表面形貌越来越平整41/1175.3激光焊接的工艺方法研究42/1175.3激光焊接的工艺方法研究锂电池焊接工艺包括：焊接、顶盖周边焊接和密封钉焊接等。电极耳焊接、极耳和巴片焊接、巴片和顶盖池组组装涉及的焊接有：正负极端子和集电板焊接，集电板与母线连接。锂电池作为电力储存容器被广泛应用与日常生活中各个领域，例如新能源汽车、电子设备，无线电动工具等。43/1175.3激光焊接的工艺方法研究p

Busbar是一种多层复合结构连接排也叫复合母排，

Busbar的作用主要是实现电芯与电芯之间的电连接，从而构成所需要的串、并联关系。传统的焊接方法包括超声波焊接、电阻焊接和电弧焊接等。传统焊接工艺存在效

率

低、焊

缝

强

度

低及导

电

性差等缺点。巴片（

Busbar，汇流排）与极耳的焊接44/1175.3激光焊接的工艺方法研究巴片（

Busbar，汇流排）与极耳的焊接选用小纤芯光纤激光器，采用摆动热传导焊可提高焊接效率，并解决因焊缝连接宽度小导致的焊缝强度不够等问题。目前包括宁德时代、中航锂电、比亚迪等头部企业均使用大量激光焊接来完成新能源电池关键工序的焊接加工。薄壁件热导焊接飞机蒙皮热导焊接薄壁箱体构件热导焊接激光热导焊适用于熔池深度

较小，热影响和变形量较小

的薄板构件45/1175.3激光焊接的工艺方法研究激光深熔焊接是高功率密度激光引起材料局部蒸发，蒸汽压力作用使熔池表面下陷形成小孔，激光束通过“小孔”深入到熔池内部，实现焊接的方式u

形成等离子体云u

材料熔深大u

形成匙孔状熔池u

熔池宽度小u

能量密度大46/1175.3激光焊接的工艺方法研究47/1175.3激光焊接的工艺方法研究匙孔周围被熔池金属所包围，熔化金属的重力及表面张力使匙孔产生弥合的趋势，但金属蒸气产生的反冲压力将维持匙孔的存在。匙孔将随着激光光束的运动而运动，但其形状和尺寸却是相对稳定的。48/1175.3激光焊接的工艺方法研究由于侧

壁

聚

焦效应，具有一定发散角的激光束在多

次

反

射和聚

焦后在匙孔底部保持小光斑尺寸，使匙孔深度不断增大。激光在匙孔内反射和聚焦一次，其能

量

就

减

少

一

部

分，直到激光能量衰减到一定数值，匙孔深度不再增大，最终获得深

而

窄的焊缝。49/1175.3激光焊接的工艺方法研究匙孔的侧壁始终处于高度波动状态，匙孔前壁较薄的一层熔化金属随壁面波动向下流动。匙孔前壁上的任何凸起部位都会因受到高功率密度激光束的辐照而快速气化，产生的蒸气向后喷射冲击后壁的熔池金属，引起熔池的振荡，并促使凝固过程熔池中气体的逸出。t＞7ms小孔开始回填 小孔完全闭合不同出光时间时小孔口形貌：(a)

t=1

ms;(b)

t=4

ms;(c)

t=7

ms;(d)

t=10

ms出光时间是影响激光深熔焊过程中，小孔形貌的重要因素。t≤4ms小孔完全未开始闭合小孔未开始闭合50/1175.3激光焊接的工艺方法研究51/1175.3激光焊接的工艺方法研究近年来，越来越多的企业选择采用铝及铝合金材料替代普通碳钢的车身轻量化

技术路线。铝和铝合金材料具有比重小、塑性好、比强度高、导热性能好、化学性能以及减重效果好等良点。车身框架主要包括上边梁、下边梁、纵梁、横梁、立柱等部件；车身蒙皮主要包括顶盖、侧围、隔板、翼子板、前后车门盖等部件。通过将车身框架部

件和车身蒙皮部件焊接在一起，形成完整的汽车车身。52/1175.3激光焊接的工艺方法研究铝合金车身焊接p

铝合金热导率高，大约是钢材的2～4倍，同时耐热性能差，大多数铝合金均不耐高温，膨胀系数大，容易产生焊接变形，其中越薄的铝合金板材越难焊接（容易焊穿）。传统的焊接方法包括电阻焊接和电弧焊接等。传统焊接工艺存在热输

入大、热变形影响区大、焊缝熔深与焊缝宽度的

比值小和效率低等缺点。53/1175.3激光焊接的工艺方法研究铝合金车身激光深熔焊接主要由机器人控制光纤激光完成。激光热量密度集中、受热对母材损伤较小、热影响区小，减少了铝合

金材料的变形及内部的损伤。此外，非接触式的焊接模式可满足复杂铝合金板件的空间焊接要求。铝合金车身焊接福特、通用、沃尔沃、奇瑞等汽车制造企业已采用激光深熔焊接用于铝合金车身的焊接变速器部件的深熔焊接激光深熔焊接截面形貌齿轮深熔焊接激光深熔焊适用于厚度较大，需要较大熔深的厚板构件54/1175.3激光焊接的工艺方法研究55/1175.3激光焊接的工艺方法研究优点：缺陷少、变形小、焊缝质量好

缺点：焊接速度慢、焊板厚度有限应用：仪器仪表、电池外壳、电子元件、小工件和薄板焊接优点：高深宽比、焊接效率高，高熔点材料的焊接缺点：熔池相对不稳定、易出现缺陷

应用：汽车车身、航空航天等厚板焊接激光填丝焊接利用焊丝的填充作用，可以弥补高温焊接时材料的烧损，同时避免激光能量的损失。56/1175.3激光焊接的工艺方法研究前置送丝激光填丝焊后前置送丝激光填丝焊57/1175.3激光焊接的工艺方法研究根据送丝方向的不同可将激光填丝焊分为前置送丝和后置送丝。扫描激光填丝焊接头各区的显微组织

(a)

焊缝;(b)

熔合区;(c)

热影响区;(d)

母材(a)

(b)激光填丝焊接接头横/纵向残余应力分布58/1175.3激光焊接的工艺方法研究5A06铝合金汽车前纵梁激光填丝焊接59/1175.3激光焊接的工艺方法研究激光钎焊是以激光为热源加热钎料，使钎料熔化实现金属板材连接的焊接技术。u

电光转换效率高u

波长范围宽u

激光的吸收率更高u

熔池宽度小60/1175.3激光焊接的工艺方法研究随着送丝速度的增大，母材上热输入相对减小，焊缝成形有明显改善，熔池在钢板表面的润湿铺展情况良好，焊缝表面光滑。不同送丝速度下焊缝宏观形貌(a)3m/min;(b)

3.5

m/min;(c)

4

m/min;(d)

4.5

m/min;(e)

5m/min;(f)

5.5

m/min61/1175.3激光焊接的工艺方法研究图5-17不同送丝速度下焊缝截面形貌(a)3m/min;(b)

3.5

m/min;(c)

4

m/min;(d)

4.5

m/min;(e)

5m/min;(f)

5.5

m/min随着送丝速度的增大，大部分的激光能量会被填充焊丝吸收，工件单位长度

的热输入减小，熔池在钢侧铺展性降低，焊缝连接宽度减小，余高增大，有效降低了裂纹产生。62/1175.3激光焊接的工艺方法研究63/1175.3激光焊接的工艺方法研究激光焊接过程存在一些缺点，包括：1. 激光对接头间隙的适应性差2. 在较小的激光功率下难以获得较大的焊接熔深3. 等离子体会阻碍激光的吸收及降低激光能量的利用率针对上述问题，可以通过采用其

他

热

源

与激

光

进

行

复

合的焊接工艺，减少缺陷的产生，主要有激

光

与

电

弧、激

光

与

等

离

子

弧、激

光

与

感

应

热

源复合焊接以及多光束激光焊接等。激光-电弧复合焊接64/1175.3激光焊接的工艺方法研究激光复合焊接技术中应用较多的是激光-电弧复合焊技术，主要目的是有效地利用电弧能量获得较大的熔深，降低激光焊的装配

精度，实现高效率、高质量的焊接过程。激光-TIG复合焊示意图激光-MIG/MAG复合焊示意图65/1175.3激光焊接的工艺方法研究激光与电弧的相互作用：外加电弧后，低温低密度的电弧等离子体使光致等离子体被稀释，激光能量传输效率提高；同时电弧对母材进行加热，使母材温度升高，母材对激光的吸收率提高，焊接熔深增加。66/1175.3激光焊接的工艺方法研究激光与电弧的相互作用：激光熔化金属，为电弧提供自由电子，降低了电弧通道的电阻，电弧的能量利用率提高，总的能量利用率提高，熔深进一步增加。激光束对电弧有聚焦、引导作用，使电弧更加稳定。67/1175.3激光焊接的工艺方法研究激光-电弧复合焊接的特点：1. 电弧预热提高激光热效率2. 提高电弧热流密度和焊接稳定性、增大熔深3. 提高焊接效率，降低成本4. 减少焊接缺陷，改善焊缝成形，焊接质量好5. 减小焊接应力和变形6. 增强焊接适应性，扩展应用范围送丝速度的增加，电弧作用区面积逐渐增大，激光电弧作用增强不同焊接工艺下焊缝的截面形貌68/1175.3激光焊接的工艺方法研究69/1175.3激光焊接的工艺方法研究船舶焊接技术是现代造船模式中的关键技术之一。在船体建造中，焊接工时约占船体建造工时的30%-40%，焊接成本约占船体建造成本的30%-50%。船舶行业是国民经济的重要组成部分，是为水上交通、海洋资源开发及国防建

设提供技术装备的现代综合性战略性产业，是我国高端装备制造业的重要组成部分，也是国家海洋强国战略的重要支撑。70/1175.3激光焊接的工艺方法研究船舶厚板焊接p

船体用钢板需要的钢板品种规格繁多，主要包括船体板、装甲板及结构板等，厚度可达上百毫米。厚板焊接裂纹倾向较大，焊接裂纹的产生将严重影响焊接质量和生产节奏。传统的电弧焊接方法难以焊透，会存在诸如接头强度低、

效率低、变形严重、焊材消耗量大等缺点。单独采用激

光

焊

接存在接头

装配工艺要求高、焊接受激

光功率的制约大、桥接能力差、焊缝咬边严重等缺点。71/1175.3激光焊接的工艺方法研究目前，外高桥造船厂、招商重工船厂、广船国际、渤海造船厂、沪东船厂等均将激光电弧复合焊接技术引入到船体制造中。通过采用光纤激光/MIG电弧复合的焊接工艺，形成激光引导并稳定电弧，电

弧提高金属对激光吸收率，增强熔滴过渡桥接能力，充分发挥了激光焊和电弧焊的优势，弥补了各自的不足。针对船舶中、大厚度的钢板材料焊接方面，可实现更大的熔深和更好的搭接能力，具有焊接变形小和缺陷少等优点。72/1175.3激光焊接的工艺方法研究双光束激光焊主要解决激光焊对装配精

度的适应性问题及提高焊接过程的稳定

性，可以将同一激光采用光学方法分离成两个单独的光束进行焊接，也可以采用两束不同类型的激光进行组合。双光束激光种类并联双光束激光串联双光束激光73/1175.3激光焊接的工艺方法研究通过改变双光束能量、间距或两光束的能量分布，对焊接温度场

进行调节，改变熔池模式与液态金属的流动方式，为激光焊工艺提供了更大范围的选择空间。TIG焊、单光束激光焊、双光束激光焊比较参数TIG焊单光束激光焊双光束激光焊焊接残余应力、变形大小小焊缝、热影响区宽度宽窄窄间隙、错边适应性好差好气孔倾向小大小合金元素烧损、挥发少多少5.1激光焊接技术概述5.2激光焊接系统5.3激光焊接的工艺方法5.4激光焊接中主要工艺规律5.5金属材料的激光焊接5.6激光焊接技术的典型案例本

章

内

容75/1175.4激光焊接中主要工艺规律影响激光焊接的主要工艺参数可以分为：•

激光光束：功率，脉冲或连续；光斑大小和模式；波长。•

传输属性：焊接速度；焦点位置；接头形式。•

保护气体：气体的成分；压力/速度。•

焊接材料：材料种类；表面状况。76/1175.4激光焊接中主要工艺规律激光焊接的熔深与激光功率密切相关，对一定的激光光斑直径，焊接熔深随着激光功率的增大而增大。激光功率与熔深的关系77/1175.4激光焊接中主要工艺规律脉冲激光焊类似于点焊，其加热斑点很小，为微米级，每个激光脉冲在金属件上形成一个焊点。主要用于微型、精密元件和微电子元件的焊接，是以点焊或由焊点搭接成的缝焊方式进行的。78/1175.4激光焊接中主要工艺规律脉冲激光焊时，脉冲能量决定加热能量大小，主要影响金属的熔化量。脉冲宽度决定焊接加热时间，影响熔深及热影响区的大小。脉冲加宽，熔深逐渐增加，当脉冲宽度超过某一临界值时，熔深反而下降。脉冲能量一定时，对于不同的材料，各存在一个最佳

脉冲宽度，此时焊接熔深最大。79/1175.4激光焊接中主要工艺规律80/1175.4激光焊接中主要工艺规律低阶模式（如TEM00）相比于高阶模式可以更好聚焦激光。光纤激光具有比传统激光器更精细的聚焦模式结构，因此在给定功率下穿透力更好，光纤激光器的焊接速度比Nd:

YAG激光器提高了50–100%。81/1175.4激光焊接中主要工艺规律传统的的光束模式常常伴随匙孔不稳定及熔融金属飞溅现象，导致焊缝孔隙率高和焊缝整洁度差等缺点。通过采用优化的光束模式，匙孔的动态演化过程更加稳定，飞溅减少，焊缝质量得到了提高。不同光束模式下焊缝形貌82/1175.4激光焊接中主要工艺规律在热传导模式下进行焊接时，激光在加工表面的反射会极大影响激光能量的吸收，短波长激光所具有的高激光吸收率在焊接时会有巨大优势。83/1175.4激光焊接中主要工艺规律84/1175.4激光焊接中主要工艺规律焊接速度的大小会影响单位时间内的热输入量。焊接速度过慢，则热输入量过大，导致工件烧穿；焊接速度过快，则热输入量过小，造成工件焊不透。在一定激光功率下，提高焊接速度，热输入下降，焊缝熔深减小。适当降低焊接速度可增大熔深，但若焊接速度过低，熔深却不会一再增加，反而使熔宽增大。不同焊接速度下所得到的熔深85/1175.4激光焊接中主要工艺规律激光深熔焊时，维持小孔存在的主要动力是金属蒸气的反冲压力。在焊接速度低到一定程度后，热输入增加，熔化金属增多。当金属蒸气所产生的反冲压力不足以维持小孔的存在时，小孔不仅不

再加深，甚至会崩溃，焊接过程转变为热传导焊。随着金属汽化的增加，小孔区温度上升，等离子体的浓度增加，对激光的阻挡

增加。这些原因使低速焊时，激光焊熔深有一个最大值。86/1175.4激光焊接中主要工艺规律87/1175.4激光焊接中主要工艺规律离焦量不仅影响激光光斑大小，而且影响光束的入射方向，因而对焊接熔深、焊缝宽度和焊缝横截面形状有较大影响。离焦量很大时，熔深很小，属于热传导焊；当离焦量减小到某一值后，熔深发生跳跃性增加，标志着匙孔的产生。88/1175.4激光焊接中主要工艺规律选择焊接接头形式的原则是保证焊接接头质量，方便焊接施工，尽可能减少填充金属的使用量。不同的接头形式有各自的优缺点，因此需要根据焊接要求和材料特性选择。深熔焊时选择合适的接头形式有助于激光的吸收并形成匙孔。激光焊接的接头形式89/1175.4激光焊接中主要工艺规律例如，在使用T形接头进行激光焊接时，匙孔会以一定角度穿透工件，可以更好地将接头的根部焊透，减少了接头侧壁的热负荷，使焊缝区域温度分布更加均匀。90/1175.4激光焊接中主要工艺规律保护气在激光焊接过程中可以减少金属氧化及缺陷的产生。然而，保护气在激光作用下会发生电离，产生的等离子体将阻碍激光束到达工件，减少激光能量的吸收。不同保护气体产生等离子体的条件不同，得到的焊接结果也不同。不同气体和金属的电离势焊接熔深和保护气种类及激光功率的关系（10.6µm波长）91/1175.4激光焊接中主要工艺规律充分保护焊缝和去除等离子体需要有一个最小的保护气流量。同时，保护气流量也不宜过大，避免熔池流动受到影响发生熔池起

皱，产生气孔等缺陷。此外，由于金属在不同环境压强下汽化温度会发生变化，因此，环境压强的变化对焊接熔深有着显著的影响，特别是在非常低的压强环境下。92/1175.4激光焊接中主要工艺规律喷嘴设计必须保证保护气完全覆盖熔池和焊缝的反应热区域，同时必须能够控制保护气方向，避免紊乱熔池内金属流动。喷嘴一般设计成与激光束同轴放置，将保护气体从激光束侧面送入喷嘴。（a）CO2激光和（b）YAG激光的喷嘴结构5.1激光焊接技术概述5.2激光焊接系统5.3激光焊接的工艺方法研究5.4激光焊接中主要工艺规律5.5金属材料的激光焊接5.6激光焊接技术的典型案例本

章

内

容5.5金属材料的激光焊接94/117激光焊接的特点之一就是材料的适应性广，所有可以用常规焊接方法焊接的材料或具有冶金相容性的材料都可以用激光束进行焊接。激光焊接属熔化焊范畴，其焊缝类似于常规焊接方法的接头。由于激光深熔焊的热输入是电弧焊的1/3-1/10，因此凝固过程很快。特别是在焊缝下部，因其很窄且散热状况较好，故有很高的冷却速度，使焊缝

内部产生细化的等轴晶，其晶粒尺寸为电弧焊接的1/3左右，有利于提高焊缝的力学性能。95/117激光焊接的主要材料问题是裂纹敏感性、孔隙率、热影响区脆化

和能量吸收率低等。不同材料由于热物理特性存在差异，在焊接过程中存在的问题也不同。不同金属的裂纹敏感等级5.5金属材料的激光焊接96/1175.5金属材料的激光焊接激光焊中产生的裂纹主要是热裂纹，如结晶裂纹、液化裂纹等。主要是由于焊缝在完全凝固前产生较大的收缩力造成的。采用高频脉冲或填充金属、预热等措施可减少或消除裂纹。激光焊接时调整工艺参数，缩短偏析时间，可降低液化裂纹倾向。97/1175.5金属材料的激光焊接激光焊的熔池深而窄，冷却速度又很快，液态熔池中产生的气体

没有足够的时间逸出，易导致气孔的形成。焊接前清理工件表而是防止气孔的有效手段，通过清理去除工件表面的油污、水分，可以减轻气孔倾向。98/1175.5金属材料的激光焊接激光焊产生的飞溅会影响焊缝表而质量，飞溅物黏附在光学镜片

上会造成污染，使镜片受热而导致镜片损坏和焊接质量变差。飞溅与激光功率密度有直接关系，适当降低焊接能量可以减少飞溅。99/1175.5金属材料的激光焊接咬边如果焊接速度过快，小孔后部指向焊缝中心的液态金属来不及重

新分布，在焊缝两侧凝固就会形成咬边。接头装配间隙过大，填缝熔化金属减少，也容易产生咬边。激光焊结束时，如果能量下降时间过快，小孔容易塌陷导致局部咬边。100/1175.5金属材料的激光焊接当焊接速度较慢时，熔池大而宽，熔化金属量增加，表面张力难

以维持较重的液态金属，焊缝中心会下沉，形成焊缝表面塌陷或凹坑。不锈钢焊接件横截面金相组织(a)

光纤激光焊接,(b)

CO2激光焊接,(c)

Nd:

YAG激光焊接101/117对于奥氏体不锈钢的激光焊接，只要所选择的焊接参数适当，可以得到与母材力学性能相当的接头。5.5金属材料的激光焊接焊接件不同位置激光冲击强化前后残余应力、硬度分布示意图102/1175.5金属材料的激光焊接103/117铝合金是一种重要的轻金属结构材料，不仅具有低的密度和高的比强度，而且

具有优良的耐蚀性、导电性、导热性、良好的可加工性和可回收性。由于铝合

金自身的物理和冶金特性，如大的热膨胀系数、高的热裂纹敏感性以及时效沉

淀强化特性，传统焊接方法过大的焊接热输入不仅造成焊接结构的变形量大，而且焊接接头冶金机械性能差。激光焊接可以使用最少的能量作用于最小的区域，而且作用时间大大缩短，即

加