雷射焊接：綜合指南

雷射焊接是一種現代焊接技術，使用雷射光束作為熱源將材料連接在一起。這項先進技術具有眾多優勢，包括精度高、加工速度快以及能夠焊接具有挑戰性的材料。在過去的幾十年裡，雷射焊接因其多功能性和效率而在汽車、航空航太、電子和醫療設備等各個行業中得到了普及。

本文深入探討了 雷射焊接工藝、其不同類型、技術見解和應用。閱讀本指南後，您將全面了解雷射焊接及其在當今製造業中的重要性。

 

解讀雷射焊接的基礎知識

雷射焊接工藝

雷射焊接，也稱為 雷射光束焊接 (LBW)，是一種利用雷射光束將材料熔化並熔合在一起的熔焊工藝。這個先進的 金屬焊接 該技術具有許多優點，包括高精度、速度快以及焊接具有挑戰性的材料的能力。

術語 '激光”代表“受激輻射光放大”。在雷射焊接中，雷射充當集中熱源，提供熔化接頭處材料所需的能量。雷射光束在雷射諧振器中產生，然後使用一系列鏡子或光纖引導到工件上。

焊縫形成和熱流

雷射光束聚焦到工件上，形成具有高能量密度的小光斑。當雷射光束與材料相互作用時，它會加熱表面，使其熔化並形成熔池。熔池由兩個混合並熔合在一起的工件的熔融材料組成。當雷射光束沿著接縫移動時，熔化的材料凝固，形成牢固、永久的黏合。雷射焊接過程中的熱流對於焊接品質起著至關重要的作用。熱量從熔池傳導到周圍材料，產生溫度梯度。溫度隨著與熔池距離的增加而降低。熱影響區 (HAZ) 是鄰近焊池的區域，經歷熱循環但不熔化。熱影響區材料的性能可能會因熱循環而變化，進而影響焊接接頭的整體性能。

材料適用性

並非所有材料都適合雷射焊接。鋁和銅等高反射率材料需要更高的雷射功率才能實現正確的焊接。同樣，導熱率高的材料散熱快，影響焊接品質。此外，材料的相容性對於建立牢固的結合至關重要。例如，焊接具有不同熱膨脹係數的異種金屬可能會導致焊接接頭中產生殘餘應力和變形。

激光焊接的類型

雷射焊接依操作方式主要分為四大類：傳導方式、小孔焊接、雷射釬焊及衝擊焊接。

• 傳導模式焊接： 在傳導模式焊接中，雷射光束被材料表面吸收，熱量透過材料傳導以形成焊接。焊縫深度較淺，寬度較寬。此模式適用於薄壁零件和需要低熔深焊接的應用。
• 匙孔模式焊接： 在匙孔模式焊接中，雷射光束深入材料，形成蒸氣腔或「匙孔」。小孔壁吸收雷射能量，熔化材料並形成焊接。小孔充當波導，將雷射能量引導到材料中，從而產生深熔深和窄焊縫。
• 雷射釬焊： 雷射釬焊是一種利用雷射作為熱源來熔化填充金屬，從而潤濕工件表面並形成接頭的過程。在此過程中工件不會熔化。它通常用於連接不同的材料並創建具有高美學品質的接頭。該過程需要精確控制雷射功率和速度，以確保填充金屬的適當潤濕和鋪展。
• 衝擊焊： 衝擊焊是一種使用一系列雷射脈衝進行焊接的工藝。每個脈衝都會熔化一小部分材料，隨後的脈衝與前一個脈衝重疊，形成連續的焊接。此工藝適用於點焊或在薄材料上進行小而精確的焊接。它通常用於電子和醫療設備製造，其中精度和最小熱輸入至關重要。

接下來，我們將逐步探討雷射焊接製程的詳細流程。

 

第一步：雷射焊接的材料準備

材料準備是雷射焊接過程中最關鍵的第一步。最終焊接的品質很大程度上受到待焊接材料的清潔度和正確對準的影響。確保材料表面沒有污垢、油、鐵鏽和氧化層等污染物非常重要。表面上的任何殘留物都可能導致 焊接缺陷，如氣孔、裂痕或未熔合。因此，精心準備材料對於實現堅固耐用的焊接至關重要。

八、材料選擇

準備材料的第一個子步驟是選擇合適的待焊接材料。並非所有材料都適合雷射焊接。常見的焊接材料包括各種類型的鋼、鋁和鈦。然而，材料的選擇取決於多種因素，例如應用、成本和所需的焊接性能。考慮材料的熱導率、熔點和雷射波長的吸收特性也很重要

2. 表面清潔

一旦選擇了材料，就必須仔細清潔待焊接的表面。污垢、油、油脂、氧化層和任何塗層等污染物的存在會對焊接品質產生負面影響。可以使用各種方法進行清潔，例如機械清潔（噴砂、鋼絲刷）、化學清潔（溶劑、酸）或熱清潔（火焰清潔、雷射燒蝕）。所選擇的方法取決於材料、污染物的性質以及所需的焊接品質。

3. 聯合設計

接頭設計是材料製備的另一個重要面向。接頭類型（對接接頭、搭接接頭、T 型接頭等）、接頭間隙和接頭角度都會影響焊接品質。重要的是設計接頭，使其允許雷射光束正確穿透並完全熔化材料。電腦輔助設計（CAD）軟體有助於設計接頭和模擬焊接過程，以優化雷射焊接的接頭設計。

4.材料厚度

材料的厚度是另一個重要的考慮因素。必須根據材料厚度調整雷射功率、焊接速度和焦點位置，以達到所需的焊接深度和寬度。較厚的材料可能需要較高的雷射功率和較慢的焊接速度，而較薄的材料可能需要較低的功率和較快的速度。

5.預熱

在某些情況下，焊接前預熱材料可能是有益的，特別是對於容易破裂或變形的材料。預熱有助於降低材料上的溫度梯度，從而最大限度地減少熱應力和變形。然而，過度預熱會導致材料機械性能下降，因此必須小心進行和控制。

 

準備就緒：配置雷射焊接設備

數控雷射焊接機及其零件

準備好焊接材料後，下一個關鍵步驟是設定雷射焊接機。這涉及配置各種參數，例如雷射功率、脈衝持續時間、焊接速度和焦點位置。這些參數中的每一個都會顯著影響焊接質量，因此根據材料類型、厚度和所需的焊接特性仔細調整它們非常重要。

表：雷射焊接機設定的子步驟

設置參數	簡介	注意事項	例
選擇雷射光源	選擇合適的雷射光源。	材料、所需的焊接速度、所需的焊接品質。	用於鋼鐵等非反射材料的 CO2 雷射；用於鋁等反射材料的 Nd:YAG 和光纖雷射。
調整雷射功率	調整雷射功率。	材料類型、厚度和焊接速度。	更高的功率適用於更厚的材料和更高的焊接速度。
設定脈衝持續時間	調整每個雷射脈衝的持續時間。	材料類型、厚度和所需的焊接特性。	對於更窄和更深的焊縫，持續時間更短；對於更寬和更淺的焊縫，持續時間更長。
調整焊接速度	調整雷射光束沿接頭移動的速度。	材料類型、厚度和所需的焊接特性。	較慢的速度可實現更深、更寬的焊接；較淺和較窄的焊接速度較快。
設定焦點位置	調整雷射光束聚焦到材料上的位置。	材料類型、厚度和所需的焊接特性。	較淺焊縫高於表面；中等深度焊縫的表面；低於表面以進行更深的焊接。
設定保護氣體	選擇合適的保護氣體。	焊接材料、焊接速度、周圍環境。	氬氣、氦氣或氬氣和氦氣的混合。根據焊接速度和周圍環境調整流量。

 

完善精度：對準雷射光束

雷射光束的對準

雷射光束的對準是雷射焊接過程中的關鍵步驟。正確的對準可確保雷射光束精確聚焦到待焊接的接頭上，從而產生高品質的焊接。雷射光束未對準會導致熔合不完全、飛濺過多，甚至損壞工件或雷射焊接機。

對準雷射光束的過程涉及幾個關鍵步驟：

1. 調整擴束鏡：擴束鏡是放大雷射光束直徑的透鏡系統。調整擴束鏡可以控制焦點處雷射光束的直徑。較大的光束直徑會導致較淺的焊縫，而較小的光束直徑會導致較深的焊接。理想的光束直徑取決於材料厚度和所需的焊接特性。
2. 設定焦點：焦點是雷射光束最集中的點。應調整焦點位置，使焦點位於材料表面或略低於材料表面。這將產生具有所需深度和寬度的焊接。如果焦點太淺，可能會導致熔合不完全或飛濺過多。如果焦點太深，可能會導致過度穿透或燒穿。
3. 對準光束：雷射光束應對準，使其位於待焊接接頭的中心。這可以透過調整雷射頭的位置來手動完成，也可以使用電腦控制系統自動完成。一些雷射焊接機內建攝影機或感測器，可以偵測接頭的位置並相應地自動調整雷射頭。

 

卓越執行：執行雷射焊接

執行雷射焊接的機械手臂

執行焊接是雷射焊接過程中最關鍵的步驟。這是所有先前準備和設置最終進入材料實際焊接的地方。執行焊接涉及幾個基本步驟和注意事項，以確保高品質的焊接。

表：執行雷射焊接涉及的關鍵步驟

步驟	任務	目的	如果操作不當則有風險
定位工件	用雷射光束對準接頭	確保正確熔合併最大限度地減少焊接缺陷	未熔合、飛濺過多、其他焊接缺陷
啟動雷射	逐漸增加雷射功率	防止熱衝擊並最大限度地降低材料破裂或其他缺陷的風險	開裂或其他缺陷
進行焊接	沿著關節移動雷射光束	確保足夠的熱量輸入以實現完全融合	熱量輸入過多導致燒穿或過度滲透，或熱量輸入不足導致不完全熔合
監控焊接	視覺或使用感測器	確保熔池正確形成並偵測過度飛濺、裂縫或其他缺陷的跡象	形成過多的飛濺、裂痕或其他缺陷
停止雷射	逐漸降低雷射功率	防止熱衝擊並最大限度地降低材料破裂或其他缺陷的風險	開裂或其他缺陷
檢查焊縫	目視或使用無損檢測方法	確保焊縫無缺陷且結構完好	品質妥協

 

確保最佳焊接品質和後處理

焊接完成後，這還不是路的盡頭。雷射焊接過程中的最後一步也是最關鍵的步驟之一是評估焊接品質並進行任何必要的焊接後處理。此階段可確保焊接接頭具有最高品質並適合其預期應用。

鋼材上的雷射焊接

評估焊接質量

焊接過程結束後，必須評估焊接質量，以確保其符合所需的標準和規範。這涉及目視檢查和無損檢測（NDT）。

• 視力檢查： 這是最基本的檢查形式，涉及用肉眼觀察焊接或使用放大工具檢查表面缺陷，例如裂縫、孔隙或不完全熔合。
• 無損檢測 (NDT)： 這涉及使用各種方法來檢查焊接處而不會對材料造成任何損壞。常見的無損檢測方法包括X射線探傷、超音波探傷、磁粉探傷等。這些方法可以揭示肉眼不可見的表面下缺陷。

每種檢測方法都有其優點和局限性，方法的選擇取決於材料、應用和所需的品質標準。

焊後處理

焊縫經過檢查和批准後，可能需要進行焊後處理，以提高其機械性能或美觀外觀。這可能涉及幾個不同的過程：

• 減輕壓力： 焊接會給材料帶來殘餘應力，隨著時間的推移可能會導致變形或開裂。消除應力包括將焊接接頭加熱到特定溫度，然後緩慢冷卻以減少這些殘餘應力。
• 熱處理： 這涉及將材料加熱到特定溫度，然後以受控速率冷卻以改變其機械性能。這可以提高焊接接頭的強度、硬度或延展性。
• 表面處理： 這涉及去除任何表面不規則之處，例如粗糙點或變色，以改善焊接的美觀。這可以使用多種方法來完成，例如研磨、拋光或施加表面塗層。

 

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結論

總之，雷射焊接是一項關鍵技術，與傳統焊接方法相比具有多種優勢，包括精度、速度以及焊接異種材料或薄壁截面的能力。了解雷射焊接的基礎知識，從傳導模式焊接和鎖孔模式焊接等不同類型，到準備材料、設定機器、對準光束、執行焊接以及評估品質和後期處理的詳細步驟。工程領域的人來說都是不可或缺的。

 

常見問題

什麼是激光焊接？

雷射焊接是一種使用集中雷射光束作為熱源將材料熔合在一起的工藝。

雷射焊接有哪些類型？

雷射焊接的兩種主要類型是傳導模式焊接和小孔模式焊接。

雷射焊接的主要應用有哪些？

雷射焊接廣泛應用於汽車、航空航太、電子和醫療器材產業。

雷射焊接需要考慮哪些關鍵參數？

雷射焊接需要考慮的關鍵參數包括雷射功率、光束直徑、焊接速度和焦點位置。

激光焊接有哪些優點？

雷射焊接具有多種優勢，包括精度高、加工速度快以及能夠焊接具有挑戰性的材料。