激光先進制造技術LaserAdvanced Manufacturing

Technology1.激光起源及激光特種加工技術2.激光沖擊強化技術3.激光熔覆技術4.超高速激光熔覆技術5.激光焊接技術6.激光復合制造技術7.激光微細復合加工技術課

程

內

容5.1激光焊接技術概述5.2激光焊接系統5.3激光焊接的工藝方法5.4激光焊接中主要工藝規律5.5金屬材料的激光焊接5.6激光焊接技術的典型案例本

章

內

容5.1激光焊接技術概述5.2激光焊接系統5.3激光焊接的工藝方法5.4激光焊接中主要工藝規律5.5金屬材料的激光焊接5.6激光焊接技術的典型案例本

章

內

容5/1175.1激光焊接技術概述激光焊接是將高功率密度的激光束直接照射到材料表面，在極短的時間內材料表面吸收激光能量，輻照位置熔化形成焊接熔池，在隨后的冷卻凝固過程中形成冶金結合的焊接接頭的一種連接方法。6/1175.1激光焊接技術概述激光焊接有兩種基本模式，即熱導焊接和深熔焊接。熱導焊接中，材料表面吸收激光能量，通過熱傳導的方式向內部傳遞；激光深熔中，高功率密度激光引起材料局部蒸發，蒸汽壓力作用使熔池表面下陷形成小孔，激光束通過“小孔”深入到熔池內部。7/1175.1激光焊接技術概述8/117(1)能量密度高。激光束焦點附近的能量密度極高，達到105

W/cm2甚至更高，且穿透能力強，形成的焊縫具有較大的深寬比，因此使激光焊接具有焊接速度

快，熱影響區小和熱變形小的特點。激光焊接電弧焊接5.1激光焊接技術概述9/117(2)

非接觸式焊接。激光頭不需要接觸焊件，可以焊接不便接近的部位，其中光纖激光焊接機可以通過光纖進行遠距離傳輸且幾乎沒有衰減。在機械手的輔助下，光纖激光焊接機可以對大型復雜焊件進行自動化焊接。5.1激光焊接技術概述10/117(3)

用途廣。通過改變激光器的各種輸出參數，就可以使激光焊接設備適應于

不同用途。對于光纖激光，改變離焦量即可實現焊接和熱處理兩種加工手段；在相同的焊接參數條件下，激光應用于厚板可以實現焊接，但應用于薄板則是切割。因此，通過分光系統，可以將一臺激光器輸出的光源分成多路，改變相關參數后實現多種用途。激光切割激光熔覆5.1激光焊接技術概述11/117(4)

可以焊接各種不易焊接的材料。激光焊接可以實現異種金屬的焊接，金屬

和非金屬的焊接，非金屬之間的焊接等。鈦合金激光焊接塑料激光焊接銅/不銹鋼異種材料激光焊接5.1激光焊接技術概述12/117(5)

激光不受電磁場影響（電弧焊和電子束焊受影響），能精確地對準焊件；

不存在X射線防護，也不需要真空保護。5.1激光焊接技術概述焊接工藝分類及對比情況焊接方法材料熔寬比功率密度（W/cm2）熱變形焊接質量激光焊接金屬、非金屬<1010K-100M極小質量高；單面焊降低重量，焊接強度高電阻焊接金屬<2100-1M顯著雙面焊增加重量，焊接強度低電弧焊金屬<21K-100K顯著焊接點/縫大，增加重量，焊接強度低電子束焊接金屬、非金屬<301M-100M極小質量高；但過程復雜，需要真空和消磁13/117激光焊接也有其不足之處：p

主要是設備投資成本高；p

在需要大流量昂貴的氦氣作為保護氣體的情況下運行費用也較高；p

激光束能夠獲得極小的光斑是激光焊接的優點，但同時也帶來接頭

安裝和對中困難的問題。5.1激光焊接技術概述14/1172016-2021年中國激光設備產量及市場結構2020年全球激光器應用市場結構激光焊接與激光切割、激光打標構成激光技術的“三駕馬車”。由于激光技術進步和激光器價格下降，新能源汽車、鋰電池、顯示面板，手機消費電子等領域需求旺盛，使激光焊接需求旺盛。5.1激光焊接技術概述15/1172014-2020年中國激光焊接市場規模及增速中國焊接產業鏈簡圖光纖激光器成本大幅下降，以及光纖傳輸、手持焊接頭的技術逐漸成熟，手持激光焊接系統于近年來逐漸“走紅”。激光焊接企業有大族激光、華工科技、聯贏激光、楚天激光等。5.1激光焊接技術概述16/1175.1激光焊接技術概述激光焊接相比于傳統焊接技術，具有很多優勢。激光焊接的自動化程度高，焊接流程簡單，激光焊接加工的工件外觀美觀、焊縫小、焊接深度大、焊接質量高，焊接效率高。因此，激光焊接在汽車、電子、船舶、航空航天、新能源領域得到了日益廣泛的應用。CO2激光焊接的部分應用17/1175.1激光焊接技術概述汽車工業激光焊接技術已在汽車生產線上大量采用，已用于底盤、車身、

車頂、車門、側框等結構和零部件。激光焊接技術的大量應用使汽車制造水平、產品質量和性能得到顯著提高和改善，為實現輕量化、高強度和柔性設計與制造創造了條件。18/1175.1激光焊接技術概述航空工業在飛機制造領域中，激光焊接技術主要應用于飛機大蒙皮的拼接以及蒙皮與長桁的焊接。通過采用激光焊接代替鉚接密封壁板，減少了機身重量，降低了制造成本。19/1175.1激光焊接技術概述造船工業激光焊接使船舶焊接工作量大大減少，焊后矯形工作量大大減少。針對船體結構中兩塊面板中間夾有加強腹板的平板夾芯構件，激光焊接可以穿過面板熔化下方的腹板，實現整體結構的連接。20/1175.1激光焊接技術概述電子工業激光焊接由于接熱影響區小和熱應力小，在集成電路和半導體器件殼體的封裝中顯示出獨特的優越性。在真空電子器件研制中，激光焊接應用于鉬聚焦極與不銹鋼支持環、快熱陰極燈絲組件等。21/1175.1激光焊接技術概述新能源電池激光焊接技術目前已用于電池安全閥密封和蓋板密封焊接、引出

極耳焊接、極耳集合焊接、電池組連接焊接等。激光焊接的熱影響區小，焊點焊縫美觀、焊接更牢固、速度快、自動化程度高。5.1激光焊接技術概述5.2激光焊接系統5.3激光焊接的工藝方法研究5.4激光焊接中主要工藝規律5.5金屬材料的激光焊接5.6激光焊接技術的典型案例本

章

內

容5.2激光焊接系統23/117激光焊接系統主要由激光器、光束傳輸和聚焦系統、運動系統以及過程與質量的監控系統、光學元件的冷卻和保護裝置、保護氣體輸送系統、控制和檢測系統、工件上下料裝置、安全裝置等外圍設備組成。24/117激光焊接要求激光器應具有較高的額定輸出功率，較寬的功率調節范圍，且功率緩升緩降能力，工作穩定、可靠，能長期工作運行，同時要求激光的橫模最好為低階模或基模。激光器的工作方式主要分為脈沖式和連續式兩種，另有一種QCW準連續式，

各有不同的使用場合。脈沖式激光器功率較小，主要應用于厚度小于1

mm的薄金屬焊接，如3C產品，電子元器件，鋰電池等。連續激光器大部分是高功率焊接機，利用匙孔效應焊接厚度大于1

mm的金屬材料，多用于機械，汽車等領域，而小功率的連續激光器多用于塑料焊接。5.2激光焊接系統25/1175.2激光焊接系統影響金屬激光焊接性的因素有材料的熱物理和力學性能、表面條件、工藝參數等，高反射率的材料不利于獲得良好的激光焊接質量。針對不同的加工材料，不同的激光器可以獲得不同的焊接結果。用于焊接的激光器主要包括CO2激光器、YAG激光器和光纖激光器。焊接中采用的激光器的特點26/117CO2激光器是以CO2氣體作為工作物質的氣體激光器。CO2激光焊接特點

1、技術發展早，應用成熟；2、光束質量較高，容易獲得較高的功率；3、激光波長不利于焊接金屬材料吸收；4、設備體積大，光路系統復雜，運行維護成本高。5.2激光焊接系統27/117YAG激光器YAG激光焊接機通常采用高能脈沖激光對工件實施焊接，以脈沖氙燈作為泵浦源，以Nd：YAG作為工作物質的一種焊接機器。YAG激光焊接特點1、YAG激光器結構緊湊

（小型化、全固態、長壽命、工作物質熱效應減小）2、YAG激光有效功率高

（波長是CO2激光波長的1/10，波長較短對聚焦、光纖傳輸和金屬表面吸收等有利）5.2激光焊接系統28/117YAG激光焊接特點3、能使激光加工實現柔性化（YAG激光焊接機能與光纖耦合，借助時間分割和

功率分割多路系統可以方便地將一束激光傳輸給多個工位或遠距離工位，使激光加工實現柔性化。）4、加工范圍大

（YAG激光焊接可以在連續和脈沖兩種狀態下工作，脈沖輸出

加調Q和鎖模技術可以得到短脈沖和超短脈沖，峰值功率很高，使其加工范圍比CO2激光焊接機更大。）缺點：能量轉化效率低，價格昂貴YAG激光器5.2激光焊接系統29/117脈沖YAG和連續CO2激光焊接應用示例5.2激光焊接系統30/1175.2激光焊接系統光纖激光器光纖激光器是指用光纖作為工作物質的激光器。光纖激光焊接特點

1、靈活多樣的光纖焊接方式（點焊、搭接焊、對焊和封焊）2、光纖熔接效果好，焊縫小（光纖激光焊接機焊縫深

比大，比能量小，熱影響區小，焊件變形小，焊接工件平整美觀。特別適用于精密零件和熱敏零件的焊接）31/1175.2激光焊接系統光纖激光器光纖激光焊接特點3、被焊材料不限（點焊、搭接焊、對焊和封焊）4、用途廣，功能強（柔性光纖傳輸可以對遠離主機的大型工件進行焊接）5、工作效率高（光纖激光焊接機自動化程度高，焊接工藝簡單）6、使用壽命長（激光器的使用壽命可達10萬小時）7、維護成本低（光纖激光焊接機可輸出多路光路，可實現能量分流，將激光器輸出的激光能量均勻分布到輸出光纖）32/117光學系統主要用于激光光源到加工機頭的光束傳輸。激光傳輸有激光反射和透

射兩種方式，通過使用光學鏡片來實現。CO2激光傳輸一般采用將反射鏡直接插入光束的傳輸路徑中進行方向變化，光束在空氣介質中傳輸，在此過程中，光束功率保持不變。YAG激光多采用透鏡，在傳輸之前，需要在光路中插入凹透鏡擴束處理，使光束發散，提高后續聚焦透鏡的焦距，增大工作距離，便于激光加工。采用反射鏡改變光束的傳播方向示意圖5.2激光焊接系統33/117激光器輸出的激光必須借助聚焦系統以獲得所需的光斑大小和功率密度才能用于焊接。聚焦通常有兩種方式：透射式聚焦和反射式聚焦.YAG激光通常采用透射式聚焦。對于CO2激光，當激光功率不很高時(通常在2500W以下)，采用透射式聚焦；激光功率在幾千瓦以上時，采用反射式聚焦。5.2激光焊接系統反射式和透射式聚焦系統示意圖34/117按激光束與工件的相對運動的實現方式，運動系統可以分為以下三種基本形式:(1)

激光器運動。激光器與傳輸、聚焦系統作為一個整體沿工件運動。我國寶鋼1420冷軋生產線激光焊接就是采用這種方式。(2)

工件運動。工件置于工作臺上，工件隨工作臺一起運動，激光器及導光系統固定不動。這種方式在工件不大時，使用較為方便，如齒輪焊接。(3)

光束運動。激光器和工件都固定不動，通過飛行光學系統或光導纖維的運動實現光束的運動。由于運動部件的慣性小，故可以達到很高的速度和加速度。這種方式對激光器的光束質量要求很高，通常應用于大范圍的加工。5.2激光焊接系統35/1175.2激光焊接系統機器人的加工精度雖然不如激光加工機床，但由于其體積小，更加方便靈活，且價格低廉，得到越來越廣泛的應用。光纖傳輸激光加工機器人系統5.1激光焊接技術概述5.2激光焊接系統5.3激光焊接的工藝方法5.4激光焊接中主要工藝規律5.5金屬材料的激光焊接5.6激光焊接技術的典型案例本

章

內

容5.3激光焊接的工藝方法研究激光焊接按照焊接模式的可以分為激光熱導焊接和激光深熔焊接激光熱導焊接激光深熔焊接激光熱導焊接激光深熔焊接37/11738/1175.3激光焊接的工藝方法研究當激光功率密度小于105

W/cm2時，激光會將金屬表面加熱到熔

點與沸點之間，金屬材料表面將所吸收的光能轉變為熱能，使金屬溫度升高而熔化，通過熱傳導方式把熱能傳向金屬內部，使熔化區逐漸擴大，凝固后形成焊點或焊縫，稱為熱傳導焊接。激光熱導焊的熔化過程，1

-

激光束，2

-

母材，3

-

熔池，4

-

焊縫激光熱導焊是待焊接材料表面吸收激光能量并通過熱傳導的方式向內部傳遞實現焊接的方式u

焊接熔深淺u

不產生金屬蒸汽和等離子體u

焊縫平滑u

能量密度低39/1175.3激光焊接的工藝方法研究40/1175.3激光焊接的工藝方法研究在激光熱傳導焊接過程中，激光加熱引起的溫度變化使熔池的表

面張力發生變化，在熔池內產生較大的攪拌力，使熔池中的液態金屬按照一定的方向發生流動。激光熱導焊時由于沒有蒸氣壓力

作用，也不產生非線性效應和小孔效應，所以熔深一般較淺。不同離焦量的平板激光焊縫表面形貌：(a)6mm;

(b)

12mm;

(c)

17mm不同焊接速度作用下的平板激光熱導堆焊截面形貌(a)

0.8m/min;

(b)

0.6m/min;

(c)

0.4m/min焊接速度降低使焊接熱輸入增加，液態熔池通過熱傳導的方式，不斷熔化母材，提高了焊縫的熔深與熔寬。隨著激光焊接離焦量的增大，激光熱導焊接過程趨于穩定，表面形貌越來越平整41/1175.3激光焊接的工藝方法研究42/1175.3激光焊接的工藝方法研究鋰電池焊接工藝包括：焊接、頂蓋周邊焊接和密封釘焊接等。電極耳焊接、極耳和巴片焊接、巴片和頂蓋池組組裝涉及的焊接有：正負極端子和集電板焊接，集電板與母線連接。鋰電池作為電力儲存容器被廣泛應用與日常生活中各個領域，例如新能源汽車、電子設備，無線電動工具等。43/1175.3激光焊接的工藝方法研究p

Busbar是一種多層復合結構連接排也叫復合母排，

Busbar的作用主要是實現電芯與電芯之間的電連接，從而構成所需要的串、并聯關系。傳統的焊接方法包括超聲波焊接、電阻焊接和電弧焊接等。傳統焊接工藝存在效

率

低、焊

縫

強

度

低及導

電

性差等缺點。巴片（

Busbar，匯流排）與極耳的焊接44/1175.3激光焊接的工藝方法研究巴片（

Busbar，匯流排）與極耳的焊接選用小纖芯光纖激光器，采用擺動熱傳導焊可提高焊接效率，并解決因焊縫連接寬度小導致的焊縫強度不夠等問題。目前包括寧德時代、中航鋰電、比亞迪等頭部企業均使用大量激光焊接來完成新能源電池關鍵工序的焊接加工。薄壁件熱導焊接飛機蒙皮熱導焊接薄壁箱體構件熱導焊接激光熱導焊適用于熔池深度

較小，熱影響和變形量較小

的薄板構件45/1175.3激光焊接的工藝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發，蒸汽壓力作用使熔池表面下陷形成小孔，激光束通過“小孔”深入到熔池內部，實現焊接的方式u

形成等離子體云u

材料熔深大u

形成匙孔狀熔池u

熔池寬度小u

能量密度大46/1175.3激光焊接的工藝方法研究47/1175.3激光焊接的工藝方法研究匙孔周圍被熔池金屬所包圍，熔化金屬的重力及表面張力使匙孔產生彌合的趨勢，但金屬蒸氣產生的反沖壓力將維持匙孔的存在。匙孔將隨著激光光束的運動而運動，但其形狀和尺寸卻是相對穩定的。48/1175.3激光焊接的工藝方法研究由于側

壁

聚

焦效應，具有一定發散角的激光束在多

次

反

射和聚

焦后在匙孔底部保持小光斑尺寸，使匙孔深度不斷增大。激光在匙孔內反射和聚焦一次，其能

量

就

減

少

一

部

分，直到激光能量衰減到一定數值，匙孔深度不再增大，最終獲得深

而

窄的焊縫。49/1175.3激光焊接的工藝方法研究匙孔的側壁始終處于高度波動狀態，匙孔前壁較薄的一層熔化金屬隨壁面波動向下流動。匙孔前壁上的任何凸起部位都會因受到高功率密度激光束的輻照而快速氣化，產生的蒸氣向后噴射沖擊后壁的熔池金屬，引起熔池的振蕩，并促使凝固過程熔池中氣體的逸出。t＞7ms小孔開始回填 小孔完全閉合不同出光時間時小孔口形貌：(a)

t=1

ms;(b)

t=4

ms;(c)

t=7

ms;(d)

t=10

ms出光時間是影響激光深熔焊過程中，小孔形貌的重要因素。t≤4ms小孔完全未開始閉合小孔未開始閉合50/1175.3激光焊接的工藝方法研究51/1175.3激光焊接的工藝方法研究近年來，越來越多的企業選擇采用鋁及鋁合金材料替代普通碳鋼的車身輕量化

技術路線。鋁和鋁合金材料具有比重小、塑性好、比強度高、導熱性能好、化學性能以及減重效果好等良點。車身框架主要包括上邊梁、下邊梁、縱梁、橫梁、立柱等部件；車身蒙皮主要包括頂蓋、側圍、隔板、翼子板、前后車門蓋等部件。通過將車身框架部

件和車身蒙皮部件焊接在一起，形成完整的汽車車身。52/1175.3激光焊接的工藝方法研究鋁合金車身焊接p

鋁合金熱導率高，大約是鋼材的2～4倍，同時耐熱性能差，大多數鋁合金均不耐高溫，膨脹系數大，容易產生焊接變形，其中越薄的鋁合金板材越難焊接（容易焊穿）。傳統的焊接方法包括電阻焊接和電弧焊接等。傳統焊接工藝存在熱輸

入大、熱變形影響區大、焊縫熔深與焊縫寬度的

比值小和效率低等缺點。53/1175.3激光焊接的工藝方法研究鋁合金車身激光深熔焊接主要由機器人控制光纖激光完成。激光熱量密度集中、受熱對母材損傷較小、熱影響區小，減少了鋁合

金材料的變形及內部的損傷。此外，非接觸式的焊接模式可滿足復雜鋁合金板件的空間焊接要求。鋁合金車身焊接福特、通用、沃爾沃、奇瑞等汽車制造企業已采用激光深熔焊接用于鋁合金車身的焊接變速器部件的深熔焊接激光深熔焊接截面形貌齒輪深熔焊接激光深熔焊適用于厚度較大，需要較大熔深的厚板構件54/1175.3激光焊接的工藝方法研究55/1175.3激光焊接的工藝方法研究優點：缺陷少、變形小、焊縫質量好

缺點：焊接速度慢、焊板厚度有限應用：儀器儀表、電池外殼、電子元件、小工件和薄板焊接優點：高深寬比、焊接效率高，高熔點材料的焊接缺點：熔池相對不穩定、易出現缺陷

應用：汽車車身、航空航天等厚板焊接激光填絲焊接利用焊絲的填充作用，可以彌補高溫焊接時材料的燒損，同時避免激光能量的損失。56/1175.3激光焊接的工藝方法研究前置送絲激光填絲焊后前置送絲激光填絲焊57/1175.3激光焊接的工藝方法研究根據送絲方向的不同可將激光填絲焊分為前置送絲和后置送絲。掃描激光填絲焊接頭各區的顯微組織

(a)

焊縫;(b)

熔合區;(c)

熱影響區;(d)

母材(a)

(b)激光填絲焊接接頭橫/縱向殘余應力分布58/1175.3激光焊接的工藝方法研究5A06鋁合金汽車前縱梁激光填絲焊接59/1175.3激光焊接的工藝方法研究激光釬焊是以激光為熱源加熱釬料，使釬料熔化實現金屬板材連接的焊接技術。u

電光轉換效率高u

波長范圍寬u

激光的吸收率更高u

熔池寬度小60/1175.3激光焊接的工藝方法研究隨著送絲速度的增大，母材上熱輸入相對減小，焊縫成形有明顯改善，熔池在鋼板表面的潤濕鋪展情況良好，焊縫表面光滑。不同送絲速度下焊縫宏觀形貌(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激光焊接的工藝方法研究圖5-17不同送絲速度下焊縫截面形貌(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隨著送絲速度的增大，大部分的激光能量會被填充焊絲吸收，工件單位長度

的熱輸入減小，熔池在鋼側鋪展性降低，焊縫連接寬度減小，余高增大，有效降低了裂紋產生。62/1175.3激光焊接的工藝方法研究63/1175.3激光焊接的工藝方法研究激光焊接過程存在一些缺點，包括：1. 激光對接頭間隙的適應性差2. 在較小的激光功率下難以獲得較大的焊接熔深3. 等離子體會阻礙激光的吸收及降低激光能量的利用率針對上述問題，可以通過采用其

他

熱

源

與激

光

進

行

復

合的焊接工藝，減少缺陷的產生，主要有激

光

與

電

弧、激

光

與

等

離

子

弧、激

光

與

感

應

熱

源復合焊接以及多光束激光焊接等。激光-電弧復合焊接64/1175.3激光焊接的工藝方法研究激光復合焊接技術中應用較多的是激光-電弧復合焊技術，主要目的是有效地利用電弧能量獲得較大的熔深，降低激光焊的裝配

精度，實現高效率、高質量的焊接過程。激光-TIG復合焊示意圖激光-MIG/MAG復合焊示意圖65/1175.3激光焊接的工藝方法研究激光與電弧的相互作用：外加電弧后，低溫低密度的電弧等離子體使光致等離子體被稀釋，激光能量傳輸效率提高；同時電弧對母材進行加熱，使母材溫度升高，母材對激光的吸收率提高，焊接熔深增加。66/1175.3激光焊接的工藝方法研究激光與電弧的相互作用：激光熔化金屬，為電弧提供自由電子，降低了電弧通道的電阻，電弧的能量利用率提高，總的能量利用率提高，熔深進一步增加。激光束對電弧有聚焦、引導作用，使電弧更加穩定。67/1175.3激光焊接的工藝方法研究激光-電弧復合焊接的特點：1. 電弧預熱提高激光熱效率2. 提高電弧熱流密度和焊接穩定性、增大熔深3. 提高焊接效率，降低成本4. 減少焊接缺陷，改善焊縫成形，焊接質量好5. 減小焊接應力和變形6. 增強焊接適應性，擴展應用范圍送絲速度的增加，電弧作用區面積逐漸增大，激光電弧作用增強不同焊接工藝下焊縫的截面形貌68/1175.3激光焊接的工藝方法研究69/1175.3激光焊接的工藝方法研究船舶焊接技術是現代造船模式中的關鍵技術之一。在船體建造中，焊接工時約占船體建造工時的30%-40%，焊接成本約占船體建造成本的30%-50%。船舶行業是國民經濟的重要組成部分，是為水上交通、海洋資源開發及國防建

設提供技術裝備的現代綜合性戰略性產業，是我國高端裝備制造業的重要組成部分，也是國家海洋強國戰略的重要支撐。70/1175.3激光焊接的工藝方法研究船舶厚板焊接p

船體用鋼板需要的鋼板品種規格繁多，主要包括船體板、裝甲板及結構板等，厚度可達上百毫米。厚板焊接裂紋傾向較大，焊接裂紋的產生將嚴重影響焊接質量和生產節奏。傳統的電弧焊接方法難以焊透，會存在諸如接頭強度低、

效率低、變形嚴重、焊材消耗量大等缺點。單獨采用激

光

焊

接存在接頭

裝配工藝要求高、焊接受激

光功率的制約大、橋接能力差、焊縫咬邊嚴重等缺點。71/1175.3激光焊接的工藝方法研究目前，外高橋造船廠、招商重工船廠、廣船國際、渤海造船廠、滬東船廠等均將激光電弧復合焊接技術引入到船體制造中。通過采用光纖激光/MIG電弧復合的焊接工藝，形成激光引導并穩定電弧，電

弧提高金屬對激光吸收率，增強熔滴過渡橋接能力，充分發揮了激光焊和電弧焊的優勢，彌補了各自的不足。針對船舶中、大厚度的鋼板材料焊接方面，可實現更大的熔深和更好的搭接能力，具有焊接變形小和缺陷少等優點。72/1175.3激光焊接的工藝方法研究雙光束激光焊主要解決激光焊對裝配精

度的適應性問題及提高焊接過程的穩定

性，可以將同一激光采用光學方法分離成兩個單獨的光束進行焊接，也可以采用兩束不同類型的激光進行組合。雙光束激光種類并聯雙光束激光串聯雙光束激光73/1175.3激光焊接的工藝方法研究通過改變雙光束能量、間距或兩光束的能量分布，對焊接溫度場

進行調節，改變熔池模式與液態金屬的流動方式，為激光焊工藝提供了更大范圍的選擇空間。TIG焊、單光束激光焊、雙光束激光焊比較參數TIG焊單光束激光焊雙光束激光焊焊接殘余應力、變形大小小焊縫、熱影響區寬度寬窄窄間隙、錯邊適應性好差好氣孔傾向小大小合金元素燒損、揮發少多少5.1激光焊接技術概述5.2激光焊接系統5.3激光焊接的工藝方法5.4激光焊接中主要工藝規律5.5金屬材料的激光焊接5.6激光焊接技術的典型案例本

章

內

容75/1175.4激光焊接中主要工藝規律影響激光焊接的主要工藝參數可以分為：?

激光光束：功率，脈沖或連續；光斑大小和模式；波長。?

傳輸屬性：焊接速度；焦點位置；接頭形式。?

保護氣體：氣體的成分；壓力/速度。?

焊接材料：材料種類；表面狀況。76/1175.4激光焊接中主要工藝規律激光焊接的熔深與激光功率密切相關，對一定的激光光斑直徑，焊接熔深隨著激光功率的增大而增大。激光功率與熔深的關系77/1175.4激光焊接中主要工藝規律脈沖激光焊類似于點焊，其加熱斑點很小，為微米級，每個激光脈沖在金屬件上形成一個焊點。主要用于微型、精密元件和微電子元件的焊接，是以點焊或由焊點搭接成的縫焊方式進行的。78/1175.4激光焊接中主要工藝規律脈沖激光焊時，脈沖能量決定加熱能量大小，主要影響金屬的熔化量。脈沖寬度決定焊接加熱時間，影響熔深及熱影響區的大小。脈沖加寬，熔深逐漸增加，當脈沖寬度超過某一臨界值時，熔深反而下降。脈沖能量一定時，對于不同的材料，各存在一個最佳

脈沖寬度，此時焊接熔深最大。79/1175.4激光焊接中主要工藝規律80/1175.4激光焊接中主要工藝規律低階模式（如TEM00）相比于高階模式可以更好聚焦激光。光纖激光具有比傳統激光器更精細的聚焦模式結構，因此在給定功率下穿透力更好，光纖激光器的焊接速度比Nd:

YAG激光器提高了50–100%。81/1175.4激光焊接中主要工藝規律傳統的的光束模式常常伴隨匙孔不穩定及熔融金屬飛濺現象，導致焊縫孔隙率高和焊縫整潔度差等缺點。通過采用優化的光束模式，匙孔的動態演化過程更加穩定，飛濺減少，焊縫質量得到了提高。不同光束模式下焊縫形貌82/1175.4激光焊接中主要工藝規律在熱傳導模式下進行焊接時，激光在加工表面的反射會極大影響激光能量的吸收，短波長激光所具有的高激光吸收率在焊接時會有巨大優勢。83/1175.4激光焊接中主要工藝規律84/1175.4激光焊接中主要工藝規律焊接速度的大小會影響單位時間內的熱輸入量。焊接速度過慢，則熱輸入量過大，導致工件燒穿；焊接速度過快，則熱輸入量過小，造成工件焊不透。在一定激光功率下，提高焊接速度，熱輸入下降，焊縫熔深減小。適當降低焊接速度可增大熔深，但若焊接速度過低，熔深卻不會一再增加，反而使熔寬增大。不同焊接速度下所得到的熔深85/1175.4激光焊接中主要工藝規律激光深熔焊時，維持小孔存在的主要動力是金屬蒸氣的反沖壓力。在焊接速度低到一定程度后，熱輸入增加，熔化金屬增多。當金屬蒸氣所產生的反沖壓力不足以維持小孔的存在時，小孔不僅不

再加深，甚至會崩潰，焊接過程轉變為熱傳導焊。隨著金屬汽化的增加，小孔區溫度上升，等離子體的濃度增加，對激光的阻擋

增加。這些原因使低速焊時，激光焊熔深有一個最大值。86/1175.4激光焊接中主要工藝規律87/1175.4激光焊接中主要工藝規律離焦量不僅影響激光光斑大小，而且影響光束的入射方向，因而對焊接熔深、焊縫寬度和焊縫橫截面形狀有較大影響。離焦量很大時，熔深很小，屬于熱傳導焊；當離焦量減小到某一值后，熔深發生跳躍性增加，標志著匙孔的產生。88/1175.4激光焊接中主要工藝規律選擇焊接接頭形式的原則是保證焊接接頭質量，方便焊接施工，盡可能減少填充金屬的使用量。不同的接頭形式有各自的優缺點，因此需要根據焊接要求和材料特性選擇。深熔焊時選擇合適的接頭形式有助于激光的吸收并形成匙孔。激光焊接的接頭形式89/1175.4激光焊接中主要工藝規律例如，在使用T形接頭進行激光焊接時，匙孔會以一定角度穿透工件，可以更好地將接頭的根部焊透，減少了接頭側壁的熱負荷，使焊縫區域溫度分布更加均勻。90/1175.4激光焊接中主要工藝規律保護氣在激光焊接過程中可以減少金屬氧化及缺陷的產生。然而，保護氣在激光作用下會發生電離，產生的等離子體將阻礙激光束到達工件，減少激光能量的吸收。不同保護氣體產生等離子體的條件不同，得到的焊接結果也不同。不同氣體和金屬的電離勢焊接熔深和保護氣種類及激光功率的關系（10.6μm波長）91/1175.4激光焊接中主要工藝規律充分保護焊縫和去除等離子體需要有一個最小的保護氣流量。同時，保護氣流量也不宜過大，避免熔池流動受到影響發生熔池起

皺，產生氣孔等缺陷。此外，由于金屬在不同環境壓強下汽化溫度會發生變化，因此，環境壓強的變化對焊接熔深有著顯著的影響，特別是在非常低的壓強環境下。92/1175.4激光焊接中主要工藝規律噴嘴設計必須保證保護氣完全覆蓋熔池和焊縫的反應熱區域，同時必須能夠控制保護氣方向，避免紊亂熔池內金屬流動。噴嘴一般設計成與激光束同軸放置，將保護氣體從激光束側面送入噴嘴。（a）CO2激光和（b）YAG激光的噴嘴結構5.1激光焊接技術概述5.2激光焊接系統5.3激光焊接的工藝方法研究5.4激光焊接中主要工藝規律5.5金屬材料的激光焊接5.6激光焊接技術的典型案例本

章

內

容5.5金屬材料的激光焊接94/117激光焊接的特點之一就是材料的適應性廣，所有可以用常規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進行焊接。激光焊接屬熔化焊范疇，其焊縫類似于常規焊接方法的接頭。由于激光深熔焊的熱輸入是電弧焊的1/3-1/10，因此凝固過程很快。特別是在焊縫下部，因其很窄且散熱狀況較好，故有很高的冷卻速度，使焊縫

內部產生細化的等軸晶，其晶粒尺寸為電弧焊接的1/3左右，有利于提高焊縫的力學性能。95/117激光焊接的主要材料問題是裂紋敏感性、孔隙率、熱影響區脆化

和能量吸收率低等。不同材料由于熱物理特性存在差異，在焊接過程中存在的問題也不同。不同金屬的裂紋敏感等級5.5金屬材料的激光焊接96/1175.5金屬材料的激光焊接激光焊中產生的裂紋主要是熱裂紋，如結晶裂紋、液化裂紋等。主要是由于焊縫在完全凝固前產生較大的收縮力造成的。采用高頻脈沖或填充金屬、預熱等措施可減少或消除裂紋。激光焊接時調整工藝參數，縮短偏析時間，可降低液化裂紋傾向。97/1175.5金屬材料的激光焊接激光焊的熔池深而窄，冷卻速度又很快，液態熔池中產生的氣體

沒有足夠的時間逸出，易導致氣孔的形成。焊接前清理工件表而是防止氣孔的有效手段，通過清理去除工件表面的油污、水分，可以減輕氣孔傾向。98/1175.5金屬材料的激光焊接激光焊產生的飛濺會影響焊縫表而質量，飛濺物黏附在光學鏡片

上會造成污染，使鏡片受熱而導致鏡片損壞和焊接質量變差。飛濺與激光功率密度有直接關系，適當降低焊接能量可以減少飛濺。99/1175.5金屬材料的激光焊接咬邊如果焊接速度過快，小孔后部指向焊縫中心的液態金屬來不及重

新分布，在焊縫兩側凝固就會形成咬邊。接頭裝配間隙過大，填縫熔化金屬減少，也容易產生咬邊。激光焊結束時，如果能量下降時間過快，小孔容易塌陷導致局部咬邊。100/1175.5金屬材料的激光焊接當焊接速度較慢時，熔池大而寬，熔化金屬量增加，表面張力難

以維持較重的液態金屬，焊縫中心會下沉，形成焊縫表面塌陷或凹坑。不銹鋼焊接件橫截面金相組織(a)

光纖激光焊接,(b)

CO2激光焊接,(c)

Nd:

YAG激光焊接101/117對于奧氏體不銹鋼的激光焊接，只要所選擇的焊接參數適當，可以得到與母材力學性能相當的接頭。5.5金屬材料的激光焊接焊接件不同位置激光沖擊強化前后殘余應力、硬度分布示意圖102/1175.5金屬材料的激光焊接103/117鋁合金是一種重要的輕金屬結構材料，不僅具有低的密度和高的比強度，而且

具有優良的耐蝕性、導電性、導熱性、良好的可加工性和可回收性。由于鋁合

金自身的物理和冶金特性，如大的熱膨脹系數、高的熱裂紋敏感性以及時效沉

淀強化特性，傳統焊接方法過大的焊接熱輸入不僅造成焊接結構的變形量大，而且焊接接頭冶金機械性能差。激光焊接可以使用最少的能量作用于最小的區域，而且作用時間大大縮短，即

加