激光焊接技术研究

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摘 要：传统的焊接方法一般都有焊接温度高、工艺过程复杂、焊接条件苛刻等特点，激光焊接以激光束为能源，冲击在焊件接头上。激光束可由平面光学元件导引，随后再以反射聚焦镜片或元件将光束投射在焊缝上。激光焊接能量集中使得线能量小、热影响区窄、焊接变形小，可以实现用小功率激光器焊接厚大的零件，同时能够改善焊缝质量，获得硬度和塑性较好的焊接接头，成为许多材料焊接成形的重要手段。

关键词：激光焊接；焊接性能

中图分类号：TB756 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2014）32-0016-03

传统的焊接方法一般都有焊接温度高、工艺过程复杂、焊接条件苛刻等特点，特别是高的焊接温度，容易带来许多问题，如对材料的物理性能（如热膨胀系数）的不匹配更为敏感，或者可能引起工件变形甚至材料的有些性质（如光学性质）丧失或改变。对于非金属材料的连接，传统的方法有钎焊、热压扩散焊等。现在又发展了许多新技术，包括摩擦焊、电子束焊接、超声波焊接、中性原子照射法等。比如对玻璃与金属的封接，传统的方法采用熔接或者胶接。熔接温度高、接头应力高，而胶接连接强度不高、不耐腐蚀、容易老化等。

现代激光焊接技术已经有了较大的发展，激光焊接是一种利用激光束与材料相互作用的原理来实现材料固态连接的一种焊接方法，在某种程度上可以克服一些传统方法存在的问题。

1 激光器

1960年，世界上的第一个激光束利用闪光灯泡激发红宝石晶粒所产生，因受限于晶体的热容量，只能产生很短暂的脉冲光束且频率很低。虽然瞬间脉冲峰值能量可高达10～6瓦，但仍属于低能量输出。使用钕（Nd）为激发元素的钇铝石榴石晶棒（Nd：YAG）可产生1～8 kW的连续单一波长光束。YAG激光波长为1.06 um，可以通过柔性光纤连接到激光加工头，设备布局灵活，适用焊接厚度0.5～6 mm的焊接件。使用CO2为激发物的CO2激光（波长10.6 um），输出能量可达25 kW，可做出2 mm板厚单道全渗透焊接，工业界已广泛用于金属的加工上。

激光焊接属于熔融焊接，以激光束为能源，冲击在焊件接头上。激光束可由平面光学元件（如镜子）导引，随后再以反射聚焦镜片或元件将光束投射在焊缝上。激光焊接属于非接触式焊接，作业过程不需加压，但需使用惰性气体以防止熔池被空气氧化，填料金属偶有使用。激光焊可以与MIG焊组成激光MIG复合焊，实现大熔深焊接，同时热输入量比MIG焊大为减小。

Nd：YAG激光器的结构由全反射镜、工作物质、玻璃套管、部分反射镜、聚光镜、氙灯、电源等组成。当电源打开后，氙灯为工作物质提供光能，玻璃套管滤去氙灯发出的紫外线，聚光镜将氙灯发出的光能聚集在工作物质上。激光在谐振腔内来回反射共振，激光能量得到加强和改善。当激光能量密度达到部分反射镜界限时，透过部分反射镜发射出激光。其中工作物质是激光器的核心，将氙灯中部分光能转换为相干光。固体激光器的结构示意图如图1所示。

2 激光同金属材料间的相互作用

金属材料中存在着大量的自由电子，这些自由电子在受到光频电磁波的作用时，会被强迫振动而产生次波。而这些次波又会形成较弱的透射波和强烈的反射波。透射波部分在很薄的金属表层被吸收，造成激光在金属表面具有较高的反射比。而特别对红外光而言，其光子的能量较相对较低，光频电磁波仅只能对金属中的自由电子起作用。对光子的能量较高的紫外光或可见光来说，由于金属中的束缚电子的固有频率处在紫外光或可见光频段，因而能对金属中的束缚电子发生作用。对束缚电子的作用，使金属的反射能量降低、透射能力加强，增强了金属对激光的吸收，使金属呈现出某非金属的光学性质。

对于波长为10.6 μm的红外波和波长为0.25 μm的紫外波的测量结果表明：光波在各种大多数金属中穿透的深度能达到10 nm的数量级。其吸收系数大约为105～106 cm-1。

在激光光束的作用下，大多数金属的光学性质会发生改变。辐射作用下，可以得到在通常情况下它们的反射系数会相应减小的结果。实质上这是一种热效应，正是这种热效应使的金属对热损耗变得很敏感。在红外波段，当反射系数较大时，热损耗更是如此。一般情况下，材料的吸收特性是通过计算发射率来进行推导的，这是因为材料的发射率？着？姿？姿（T）通常是由下式给出的：

？着？姿（T）=1-R（T）（1）

式（1）中，λ为波长；Rλ为反射率；T指的是材料表面温度数值。一般来说，？着？姿（T）是随λ和T的变化而改变。

假设有一种表面没有氧化金属材料，若将其且置于真空中，则可通过公式计算其发射率。垂直入射时，材料的发射率为：

？着？姿（T）=（2）

式（2）中，K2为消光系数；n1为复发射率的实部。对该金属材料来说，K2和n1均是λ和T的函数。

一般来说，电子与晶格的相互碰撞时间很短。所以，整体上金属的反射系数存在随温度升高而减小规律。另外，热金属相对冷金属较活跃，由于金属表面存在的化学反应（如氧化等），容易发生反射率不可逆的变化规律，但在高真空环境下，除此规律不可应用。

当前，可靠的实验数据相对还比较少见，特别是在热金属的反射系数方面。但在红外波段，我们可以获得如下述描述，即认为金属的总吸收系数可由三大部分组成：自由电子（fe），带间跃迁（ib）和表面效应（surf），亦即：

1-R≈（1-R）（fe）+（1-R）ib+（1-R）（surf）（3）

但是，关于式中后两项同温度间的依赖关系，这里并没有系统而全面地论述，它们赖于能带所处的能态、能带精细结构、表面金属的反应能力。然而，在假设自由电子的密度与温度无关的条件下，我们可以将自由电子项与直流电导率σ0的温度关系联系在一起，而后者常是已知的。

金属材料的发射率与温度、金属电阻率有关，可用下式进行计算：

？着？姿（T）=0.365[r20（1+？酌T）/？姿]1/2-0.0667[r20（1+？酌T）/？姿]1/2+-0.006[r20（1+？酌T）/？姿]1/2（4）

式（4）中，r20为20 ℃时的电阻率；？酌为电阻率随温度变化的系数；T为温度。

工件对激光束能量的利用率决定于吸收率，金属对光束的吸收率越大，激光钎焊越易进行。材料对激光束的吸收主要取决于激光的波长、材料电阻系数和材料的表面状态。

研究表明，在金属熔化以前，吸收率随温度的增加而增加；当温度达到熔点时，吸收率急剧增加。多数金属在熔化时其导电率急剧减小，减小到常温时的1/2～1/3，这必然会导致反射率与导热率的突变。

3 激光同非金属材料间的相互作用

3.1 非金属材料吸收激光时的反应

非金属与金属大为不同，它对激光有较低的反射比，相反对应的吸收比相对较高。对应不同结构特征非金属，对不同波长激光具有强烈的选择性。

在没有收到激发时，半导体与绝缘体仅存在束缚电子，其中束缚电子不仅具有一定的固有频率v0，同时其值由电子跃迁时的能量变化E决定，且有：

v0=E/h，

其中h为普朗克常量。但是当材料内束缚电子的固有频率等于或约等于入射光波频率时，内部束缚电子会发生强烈谐振，辐射出次波，形成较强的透射波和较弱的反射波。但在该谐振频率周围，材料的反射比和吸收系数都是增加的，出现反射峰值和吸收值峰；而在其它频率下，如果是均匀的半导体或绝缘体，按其本性应该是透明的，且具有较低的反射比，较小的吸收系数。

一般情况下，半导体具有多个谐振频率，并以其中价带电子向导带跃迁产生的谐振最为重要。这种跃迁常叫做本征吸收或本征电离，又称为电子的带间跃迁。受激光照射时的半导体中，处于价带的电离会因吸收光子而受激跃迁到导带。电子跃迁时，根据有无声子的带间跃迁，可将跃迁分为间接跃迁和直接跃迁。这两种要求最小光子能量应均等于禁带宽度的能量。然而，当带间跃迁产生足够多的载流子对时，他们会反过来影响被照射材料物质对激光的吸收。其中，半导体的的禁带宽度应对于可见光或红外光光谱，而绝缘体的禁带宽度应于对紫外光光谱。此外，在热或光的作用下，浓度较高的半导体自由载流子，会呈现出某种金属的光学性质。

除电子跃迁外，大多数非金属当然也可以通过有机物分子间的相对振动或者晶体点阵来进行能量耦合。

3.2 激光与透明固体的作用

光束能够引起得固体光学的性质的所有变化，可以将其归结为三种，可从按照辐照度增大的排列顺度。它们分别是：

①热的产生导致材料的电子性质或密度发生改变，其中有关的效应是：透明介质中间的热自聚焦，以及金属和半导体中的“热逃逸”现象。

②绝缘体和半导体中发生的自由载流的光学现象，是由碰撞电离或带间跃迁引起的，导致明显增大吸收系数，甚至会有可能引起严重的爆炸性的材料损伤。

③强光束的电场使整个分子或电子轨道发生非线性畸变自聚焦和多光子吸收等许多非线性光学现象，都是由电场效应而引起的自聚焦。而仅只有滞后部分的脉冲能经历自聚焦，能有效地抑制短脉冲自聚焦出现的方法是驰豫效应。

另外，自聚焦并不仅只局限于窄的高斯光束，如果能够调制足够好的光束横截面，则任意一种直径的高斯光束都会产生自聚焦，使众多够强的峰值功率，可以彼此独立地产生自聚焦而导致宽的强光束，并会在非线性介质中，形成许许多多细小的丝状路径。

在激光同材料相互间作用时，激光引起的冲击力和吸收能量的材料都将使受作用的材料部分向外膨胀。若每一部分材料都能够自由膨胀，则虽有变形，材料也不会出现破坏或应力。若各个部分的材料都不能自由膨胀，则各部分之间会产生应力或爆炸破坏，因为他们之间相互制约。

激光同透明固体材料间相互作用的过程，是部分材料受激光辐射的过程，而本身材料是连续体，因而激光的作用将使材料内部产生力学效应，诸如应力波、自聚焦或爆炸破坏等。

4 激光参数对焊接性能的影响

影响激光焊接过程中焊接性能的因素，主要有激光功率密度、激光光速直径、材料本性、焊接速度等。

激光的功率密度必须在104～106 W/cm2范围内方能进行激光焊接。

激光的光束直径应根据焊缝的宽度进行调整，选择同钎料宽度相差不大的光斑直径，以尽量减小焊接热影响区的大小。

材料对光能量的吸收决定了激光深熔焊的效率，影响材料对激光吸收的因素有两个方面：一是材料的电阻系数。研究发现，激光对材料的吸收率与电阻系数的平方根成正比。二是材料的表面状态。有时材料对激光的吸收率较低，可采用表面处理的方法改变材料表面性能，提升对材料的吸收率。

在一定的激光功率下，提高焊接速度，激光的线能量下降，激光对材料作用的热量就相对减少；反之，激光对材料作用的热量增加。

5 结 语

激光焊接可将入热量降到最低的需要量，热影响区金相变化范围小，且因热传导所导致的变形亦最低。激光焊接焊接速度快，可降低厚板焊接所需的时间甚至可省掉填料金属的使用。激光焊接不需使用电极，没有电极污染或受损的顾虑，且因不属于接触式焊接制程，机具的耗损及变形接可降至最低。激光束易于聚焦、对准及受光学仪器所导引，可放置在离工件适当之距离，且可在工件周围的机具或障碍间再导引，其他焊接法则因受到上述的空间限制而无法发挥。激光束可聚焦在很小的区域，可焊接小型且间隔相近的部件。激光焊接可焊材质种类范围大，可焊接不同物性（如不同电阻）的两种金属，亦可相互接合各种异质材料。

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