激光热导焊技术和激光深熔焊技术详解

激光热导焊技术和激光深熔焊技术详解

激光焊接技术是现代制造业中一项重要的焊接技术，其应用范围广泛，从汽车制造到航空航天，从电子元件到医疗器械。本文将重点介绍两种激光焊接技术：激光热导焊接技术和激光深熔焊接技术，帮助读者深入了解这两种技术的原理、工艺参数及应用特点。

激光热导焊

激光热导焊的原理

热导焊时，激光辐射能量作用于材料表面，激光辐射能在表面转化为热量。表面热量通过热传导向内部扩散，使材料熔化，在两材料连接区的部分形成熔池。

熔池随着激光束一道向前运动，熔池中的熔融金属并不会向前运动。在激光束向前运动后，熔池中的熔融金属随之凝固，形成连接两块材料的焊缝。激光辐射能量只作用于材料表面，下层材料的熔化靠热传导进行。

激光能量被表层10~100 nm 的薄层所吸收使其熔化后，表面温度继续升高，使熔化温度的等温线向材料深处传播。表面温度最高只能达到汽化温度。因此，用这种加热方法所能达到的熔化深度受到汽化温度和热导率的限制，主要用于对薄(1mm左右)、小零件的焊接加工。

激光热导焊的工艺及部分参数

(1)激光热导焊的连接形式

片状工件焊接形式有对焊、端焊、中心穿透熔化焊，丝与丝之间焊接形式有对焊、交叉焊、搭接焊、T形焊等，丝与块状零件之间的焊接形式有细丝插入预钻孔中、T形连接、细丝嵌入槽中，以及端焊等形式。

(2)激光功率密度

热导焊是在功率密度低于下面要讲的深熔焊产生匙孔的临界功率密度下进行的焊接。激光功率密度低决定了其焊接熔深浅，焊接速度慢。图7-20 所示为采用激光热导焊接不锈钢时熔化深度、焊接速度与激光功率的关系。图中1、2、3 分别为 1.0、3.0、10.0mm/s的焊接速度时熔化深度曲线(焊缝宽度见表7-2)。

图7-20 激光热导焊接不锈钢时熔化深度与焊接速度的关系

(3)离焦量对焊接质量的影响

因为焦点处激光光斑中心的光功率密度过高，激光热导焊通常需要一定的离焦量，使得光功率分布相对均匀。离焦方式有两种，焦平面位于工件上方为正离焦，反之为负离焦。在实际应用中，要求熔深较大时采用负离焦，焊接薄材料时宜用正离焦。此外离焦量还直接影响到焊缝的宽度。表7-2中列出了用250W 连续 CO₂ 激光器进行连续热导焊的一些工艺参数数据。

表7-2 用250W连续CO₂激光器连续热导焊数据

(4)脉冲激光热导焊的脉冲波形

激光热导焊也可以用脉冲激光来完成，其脉冲波形对于焊接质量也有很大的影响。焊接铜、铝、金、银等高反射率的材料时，为了突破高反射率的屏障，使金属瞬间熔化把反射率降下来，实现后续的热导焊过程，需要脉冲带有一个前置的尖峰。而对于铁、镍、钼、钛等黑色金属，表面反射率较低，应采用较为平坦或平顶的脉冲波形。

(5)脉冲激光热导焊的脉冲宽度

脉冲宽度会影响到焊接熔深、热影响区的宽度等焊接的质量要求。脉宽越宽，焊接熔深热影响区越大，反之则小。因此，要根据激光功率的大小及要求的焊接熔深和热影响区的宽度大小来适当选择脉冲宽度。

激光深熔焊

激光深熔焊的原理

当 激光功率密度达到 时，功率输入远大于热传导、对流及辐射散热的速率，材料表面发生汽化而形成小孔(见图7-21)，孔内金属蒸气压力与四周液体的静力和表面张力形成动态平衡，激光可以通过孔中直射到孔底。这种现象称为小孔效应(Keyhole Effet)。

小孔的作用和黑体一样,能将射入的激光能量完全吸收，使包围着这个孔腔的金属熔化。孔壁外液体的流动和壁层的表面张力与孔腔内连续产生的蒸气压力相持并保持动态平衡。光束携带着大量的光能量不断地进入小孔，小孔外材料在连续流动。随着光束向前移动，小孔始终处于流动的稳定状态。小孔随着前导光束向前移动后，熔融的金属充填小孔移开后所留下的空腔并随之冷凝形成焊缝，完成焊接过程。整个过程发生得极快，使焊接速度很容易达到每分钟数米。

图7-21 激光深熔焊小孔效应示意图

图7-22 激光深熔焊过程示意图

图7-23 激光深熔焊焊缝形成过程

图7-24 激光深熔焊焊缝微观结构

图7-25 激光深熔焊设备示意图

图7-26 激光深熔焊应用实例