激光焊接技術原理
- 時間：2025-11-02作者：東莞市常盈五金有限公司瀏覽：4
在現代制造業中，激光焊接技術作為一種高效、精密的連接方法，正日益受到廣泛關注。
其獨特的加工優勢使其成為眾多工業領域的關鍵工藝之一。
本文將深入探討激光焊接技術的基本原理，幫助讀者更好地理解這一先進技術。
激光產生的基本原理
激光焊接技術的核心在于"激光"這一特殊光源。
激光的產生基于受激輻射原理，通過特定介質（如氣體、固體或半導體）在能量激勵下，使原子或分子從高能級躍遷到低能級，同時釋放出與激發光子完全相同的新光子。
這些光子在諧振腔內不斷反射放大，最終形成一束具有高度一致性、單色性和方向性的強光 - 這就是激光。
激光的三個基本特性決定了它在焊接領域的獨特優勢：單色性使得激光能夠被精確聚焦；相干性保證了能量的高度集中；方向性則讓激光能夠長距離傳輸而幾乎不發散。
激光焊接的物理過程
激光焊接本質上是通過將高能量密度的激光束照射到工件接合部位，使材料局部熔化從而實現連接的過程。
這一過程可分為三個基本階段：
能量吸收階段：當激光束照射到金屬表面時，光子能量被材料中的自由電子吸收，電子動能增加，通過碰撞將能量傳遞給晶格，導致材料溫度升高。
熔池形成階段：隨著能量持續輸入，材料溫度達到熔點，局部區域開始熔化形成液態熔池。
激光束的移動使得熔池前沿不斷熔化新材料，而后部則逐漸凝固。
凝固連接階段：當激光束移開后，熔池溫度下降，液體金屬重新凝固，在工件間形成牢固的冶金結合。
激光與材料的相互作用
激光與材料的相互作用是理解激光焊接原理的關鍵。
不同材料對激光的吸收能力存在顯著差異，這主要取決于材料的物理性質、表面狀態和激光參數。
金屬材料對激光的吸收率通常隨溫度升高而增加。
在室溫下，多數金屬對常用工業激光（如光纖激光）的吸收率較低，但隨著溫度上升，特別是在達到熔點后，吸收率會顯著提高。
這種非線性關系使得激光焊接過程具有自穩定特性 - 一旦焊接開始，材料對激光能量的吸收會變得更加高效。
材料表面狀態也對激光吸收有重要影響。
通常，粗糙表面比光滑表面具有更高的吸收率；氧化表面比清潔金屬表面更能吸收激光能量。
這些特性在實際焊接工藝中需要充分考慮。
激光深熔焊與熱傳導焊
根據能量傳遞機制的不同，激光焊接可分為兩種基本模式：熱傳導焊和深熔焊。
熱傳導焊發生在較低功率密度條件下。
激光能量被工件表面吸收，通過熱傳導方式向材料內部傳遞。
這種模式下，熔池較淺且寬，焊縫形狀近似半圓形，適用于薄板材料或精密零件的焊接。
深熔焊則發生在高功率密度條件下。
當激光功率密度超過一定閾值（通常為10^6 W/cm2），材料表面迅速汽化，產生的金屬蒸汽壓力將液態金屬排開，形成深而窄的孔洞，稱為"小孔"。
這個小孔類似于黑洞，能夠捕獲幾乎所有入射的激光能量，并將其傳遞到材料深處。
隨著激光束移動，小孔前沿不斷熔化材料，后部液態金屬流動填充并凝固形成深寬比大的焊縫。
深熔焊是激光焊接的主要形式，特別適用于中厚板的焊接。
激光焊接系統的核心組成
完整的激光焊接系統包含多個關鍵部件：
激光器是系統的核心，負責產生焊接所需的激光束。
工業上常用的激光器包括光纖激光器、半導體激光器和碟片激光器等，它們在不同應用場景下各有優勢。
光束傳輸和聚焦系統負責將激光器產生的激光引導并聚焦到工件表面。
通常由反射鏡、光纖和聚焦透鏡組成，確保激光能量精確傳遞到焊接區域。
工藝氣體系統提供保護氣體，防止熔池氧化，提高焊縫質量。
在某些情況下，輔助氣體還能幫助控制等離子體，保證焊接過程穩定。
運動系統實現激光束與工件的相對運動，可以是激光頭移動、工件移動或兩者組合運動。
控制系統協調整個焊接過程，精確控制激光參數、運動軌跡和輔助設備，確保焊接質量的一致性和可靠性。
激光焊接的參數控制
成功的激光焊接依賴于多個工藝參數的精確控制：
激光功率是影響焊接熔深的主要因素。
通常，功率增加會使熔深和熔寬相應增加，但過高的功率可能導致材料過度燒損或焊縫凹陷。
焊接速度直接影響熱輸入和生產效率。
速度過快可能導致熔深不足或未焊透；速度過慢則可能造成過熱、燒穿或焊縫組織粗大。
離焦量即焦點位置相對于工件表面的距離，對焊縫形狀和熔深有顯著影響。
正離焦（焦點在工件上方）和負離焦（焦點在工件內部）會產生不同的焊接效果。
保護氣體類型和流量也是重要參數。
不同氣體對等離子體的抑制效果不同，直接影響激光能量的傳遞效率。
激光焊接的技術優勢
激光焊接之所以能在現代制造業中占據重要地位，源于其多方面的技術優勢：
能量密度高，焊接速度快，熱影響區小，工件變形小。
這些特點使激光焊接特別適用于精密零件和薄壁構件的連接。
非接觸加工，無工具磨損，無機械應力。
激光焊接過程中，激光束不與工件直接接觸，避免了工具磨損問題，也不會對工件施加機械壓力。
靈活性高，易于自動化。
激光束可以通過光學元件靈活導引，甚至可以通過光纖遠距離傳輸，非常適合自動化集成和機器人應用。
焊接質量好，焊縫美觀。
激光焊縫通常窄而均勻，表面成形美觀，內部缺陷少。
可焊材料范圍廣。
激光焊接不僅能焊接普通鋼材，還能處理鋁合金、銅合金、鈦合金等難焊材料，甚至能夠實現異種材料的連接。
總結
激光焊接技術作為現代制造業的重要組成部分，其基本原理涉及激光物理、材料科學、熱力學和流體力學等多個學科領域。
深入理解激光焊接的技術原理，不僅有助于優化現有工藝，更為開發新應用提供了理論基礎。
隨著激光技術的不斷進步和成本降低，激光焊接將在更廣泛的領域展現其價值。
從微電子元件的精密連接到大型工程結構的制造，激光焊接技術正以其獨特的優勢，推動著制造業向更高效、更精密、更環保的方向發展。
作為現代工業的關鍵技術之一，激光焊接的原理研究和應用開發仍將持續深入，為制造業的轉型升級提供強有力的技術支撐。
- 推薦閱讀