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第 3 章 雷射焊接技術. 3.1 概 述 3.2 雷射焊接原理 3.3 雷射焊接技術參數的作用與實驗選擇 3.4 雷射焊接實用舉例 3.5 雷射焊接技術的發展前景. 3.1 概 述. 雷射焊接是一種無接觸加工方式，對焊接零件沒有外力作用。雷射能量高度集中，對金屬快速加熱後快速冷卻，對許多零件來講，熱影響可以忽略不計，可認為不產生熱變形或者說熱變形極小。能夠焊接高熔點、難熔、難焊的金屬，如鈦合金、鋁合金等。雷射焊接過程對環境沒有污染，在空氣中可以直接焊接，與需在真空室中焊接的電子束焊接方法比較，雷射焊接技術簡便。
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第 3 章雷射焊接技術 3.1 概 述 3.2 雷射焊接原理 3.3 雷射焊接技術參數的作用與實驗選擇 3.4 雷射焊接實用舉例 3.5 雷射焊接技術的發展前景
3.1 概 述 • 雷射焊接是一種無接觸加工方式，對焊接零件沒有外力作用。雷射能量高度集中，對金屬快速加熱後快速冷卻，對許多零件來講，熱影響可以忽略不計，可認為不產生熱變形或者說熱變形極小。能夠焊接高熔點、難熔、難焊的金屬，如鈦合金、鋁合金等。雷射焊接過程對環境沒有污染，在空氣中可以直接焊接，與需在真空室中焊接的電子束焊接方法比較，雷射焊接技術簡便。 • 雷射焊接在電子工業、國防工業、儀表工業、電池工業、醫療儀器以及許多行業中均得到了廣泛的應用。
3.2 雷射焊接原理 • 雷射焊接常用的雷射光源是氣體CO2雷射器和固體YAG雷射器，依雷射器輸出功率的大小和工作狀態，雷射器工作的方式有連續輸出方式和脈衝輸出方式。被聚焦的雷射光束照射到焊件表面的功率密度，一般在104～107W/cm2。其焊接的機制也因功率密度的大小，區分為雷射熱傳導焊接和雷射深熔焊接。
3.2.1 雷射熱傳導焊接 • 焊件結合部位被雷射照射，金屬表面吸收光能而使溫度升高，熱量依照固體材料的熱傳導理論向金屬內部傳播擴散。雷射參數不同時，擴散時間、深度也有區別，這與雷射脈衝寬度、脈衝能量、重複頻率等參數有關。 • 被焊工件結合部位的兩部份金屬，因升溫達到熔點而熔化成液體，很快凝固後，兩部份金屬熔接焊在一起。
熱傳導型雷射焊接，需控制雷射功率和功率密度，金屬吸收光能後，不產生非線性效應和小孔效應。雷射直接穿透深度只在微米量級，金屬內部升溫靠熱傳導方式進行。雷射功率密度一般在104～105W/cm2，使被焊接金屬表面既能熔化又不會汽化，而使焊件熔接在一起。熱傳導型雷射焊接，需控制雷射功率和功率密度，金屬吸收光能後，不產生非線性效應和小孔效應。雷射直接穿透深度只在微米量級，金屬內部升溫靠熱傳導方式進行。雷射功率密度一般在104～105W/cm2，使被焊接金屬表面既能熔化又不會汽化，而使焊件熔接在一起。
3.2.2 雷射深熔焊接 • 與雷射熱傳導焊接相比，雷射深熔焊接需要更高的雷射功率密度，一般需用連續輸出的CO2雷射器，雷射功率在200～3000W的範圍。雷射深熔焊接的機制與電子束焊接的機制相近，功率密度在106～107W/cm2的雷射光束連續照射金屬焊縫表面，由於雷射功率熱密度足夠高，使金屬材料熔化、蒸發，並在雷射光束照射點處形成一個小孔。這個小孔繼續吸收雷射光束的光能，使小孔周圍形成一個熔融金屬的熔池，熱能由熔池向周圍傳播，雷射功率越大，熔池越深，當雷射光束相對於焊件移動時，小孔的中心也隨之移動，並處於相對穩定狀態。小孔的移動就形成了焊縫，這種焊接的原理不同於脈衝雷射的熱傳導焊接。
雷射深熔焊接依靠小孔效應，使雷射光束的光能傳向材料深部，雷射功率足夠大時，小孔深度加大，隨著雷射光束相對於焊件的移動，金屬液體凝固形成焊縫，焊縫窄而深，其深寬比可達到12：1。雷射深熔焊接需要足夠高的雷射功率，但幾百瓦的CO2雷射器，當雷射模式好時，也能產生小孔效應，這是因為基模光束聚焦後能夠獲得高功率密度。雷射深熔焊接依靠小孔效應，使雷射光束的光能傳向材料深部，雷射功率足夠大時，小孔深度加大，隨著雷射光束相對於焊件的移動，金屬液體凝固形成焊縫，焊縫窄而深，其深寬比可達到12：1。雷射深熔焊接需要足夠高的雷射功率，但幾百瓦的CO2雷射器，當雷射模式好時，也能產生小孔效應，這是因為基模光束聚焦後能夠獲得高功率密度。
雷射深熔焊接的焊接速度與雷射功率成正比，熔深與速度成反比，欲使熔接速度增加、熔深加大，就必須選用大功率雷射器。為獲得高速度、高品質的焊接效果，常用1500～3500W之間的連續CO2雷射器進行焊接。雷射深熔焊接的焊接速度與雷射功率成正比，熔深與速度成反比，欲使熔接速度增加、熔深加大，就必須選用大功率雷射器。為獲得高速度、高品質的焊接效果，常用1500～3500W之間的連續CO2雷射器進行焊接。
3.3 雷射焊接技術參數的作用與實驗 選擇 • 3.3.1 雷射焊接技術的主要參數 • 對脈衝雷射器來講就是平均雷射功率的大小，保證了足夠的雷射功率，在熱傳導焊接中，雷射器工作於脈衝狀態，因而脈衝能量、脈衝寬度和雷射重複頻率就是很重要的參數。當然，雷射外光路的設計、聚焦系統、焊接時離焦量大小的影響也是必須注意的，焊接的速度或者說光斑的重疊率，雷射脈衝的重複頻率，也要有適當的配合。為了防止焊接過程中工件材料的氧化，需要選用適當的保護氣體，而且保護氣體的流量大小、吹氣方式，或者說是吹氣噴嘴形狀的設計都是很有關係的。
3.3.2 雷射焊接主要參數的選擇 • 一、雷射功率 • 雷射功率的大小是雷射焊接技術的首選參數，只有保證了足夠的雷射功率，才能得到好的焊接效果。 • 雷射功率較小時，雖然也能產生小孔效應，但有時焊接效果不好，焊縫內有氣孔，雷射功率加大時，焊縫內氣孔消失，因此雷射深熔焊接時，不要採用勉強能夠產生小孔效應的最小功率。適當加大雷射功率，可以提高焊接速度和熔深，只有在功率過大時，才會引起材料過分吸收，使小孔內氣體噴濺，或焊縫產生疤痕，甚至使工件焊穿。
為使焊縫平整光滑，實際焊接時，雷射功率在開始和結束時都設計有漸變過程，啟動時雷射功率由小變大到預定值，結束焊接時雷射功率由大變小，焊縫才沒有凹坑或斑痕。為使焊縫平整光滑，實際焊接時，雷射功率在開始和結束時都設計有漸變過程，啟動時雷射功率由小變大到預定值，結束焊接時雷射功率由大變小，焊縫才沒有凹坑或斑痕。
二、雷射脈衝寬度 • 雷射熱傳導焊接中，雷射脈衝寬度與焊縫深度有直接關係，也就是說脈衝寬度決定了材料熔化的深度和焊縫的寬度。據文獻記載，熔深的大小隨脈寬的1/2次方增加 • 。如果單純增加脈衝寬度，只會使焊縫變寬、過熔，引起焊縫附近的金屬氧化、變色甚至變形。因此，特殊要求較大熔深時，可使聚焦鏡的焦點深入材料內部，使焊縫處發生輕微打孔，部份熔化金屬有汽化飛濺現象，焊縫深度變大，此時焊縫表面平整度可能稍差。必要時，改變離焦量重複焊接一遍，可使焊縫表面光滑美觀。
三、雷射脈衝波形 • 熱傳導型雷射焊接使用重複脈衝雷射焊接材料，為了焊接效果好，就要對雷射脈衝波形有一定要求。 • 借用電子電路技術中仿真線的概念，由電感電容網絡組成仿真線，通過仿真線放電形成特定形狀的雷射脈衝，一般通過L-C仿真線網絡可以將脈衝展寬，得到一個平頂寬脈衝。根據需要可以使脈寬在3～5ms，最大可做到30ms。
金屬在常溫下對雷射反射率較高，如鋼鐵類金屬表面對1064nm波長的YAG雷射的反射率達60%，但金屬表面溫度升高以後，反射率迅速下降，金屬對雷射能量的吸收率很快增加。簡單的方波脈衝使焊斑熔化不好，流動性差，甚至出現裂紋，焊接效果不理想。這就需要對仿真線參數進行修正。金屬在常溫下對雷射反射率較高，如鋼鐵類金屬表面對1064nm波長的YAG雷射的反射率達60%，但金屬表面溫度升高以後，反射率迅速下降，金屬對雷射能量的吸收率很快增加。簡單的方波脈衝使焊斑熔化不好，流動性差，甚至出現裂紋，焊接效果不理想。這就需要對仿真線參數進行修正。 • 為了使雷射光波形前緣出現高幅值尖峰，將仿真線第一網孔L1C1組合中的電感L1減小或去掉，C1用低感或無感電容，使雷射光波形前緣陡峭，有利於迅速降低反射率，加強對光能的吸收。同時對仿真線最後一組或兩組的電感L4或L5的電感量適當增大，延緩放電速度，使雷射波形有個拖尾，在焊接過程中，對於熔融部份的金屬得到減緩凝固的作用，對於鋁合金等材料的焊接，有很明顯的改進作用。
當焊接工件以一定速度移動時，雷射熔斑相互重疊，重疊率由工件移動速度和雷射重複頻率來決定。這種焊接狀態與單脈衝點焊不同，當一個雷射脈衝聚焦的光斑照射到焊縫處時，前一個雷射脈衝已將該處金屬材料加熱，且前一個光斑照射的部份金屬已呈熔融狀態，尚未來得及凝固或者說未能完全凝固。因而這個雷射脈衝到來時，焊縫處的溫度升高，金屬的反射率降低，並不需要前置尖峰脈衝的雷射波形。一般可以通過重複的熔斑對工件實現密封焊接，這是國內外目前使用最多的雷射脈衝波形。當焊接工件以一定速度移動時，雷射熔斑相互重疊，重疊率由工件移動速度和雷射重複頻率來決定。這種焊接狀態與單脈衝點焊不同，當一個雷射脈衝聚焦的光斑照射到焊縫處時，前一個雷射脈衝已將該處金屬材料加熱，且前一個光斑照射的部份金屬已呈熔融狀態，尚未來得及凝固或者說未能完全凝固。因而這個雷射脈衝到來時，焊縫處的溫度升高，金屬的反射率降低，並不需要前置尖峰脈衝的雷射波形。一般可以通過重複的熔斑對工件實現密封焊接，這是國內外目前使用最多的雷射脈衝波形。
四、雷射脈衝重複頻率 • 熱傳導焊接中，雷射器發出重複頻率雷射脈衝，每個雷射脈衝形成一個熔斑，焊件與雷射光束相對移動速度決定了熔斑的重疊率，一系列的熔斑形成魚鱗紋似的漂亮焊縫。如儀器、儀表、電池、繼電器外殼的密封，板材、管件或需要連接的電子零件、機械零件的焊接等大都使用這種方法。 • 為了實現雷射密封焊接，對於雷射光斑的重複頻率有一定要求，一般要重疊70%以上，因為每一個熔斑都是材料表面吸收了雷射的能量通過熱傳導向四周擴散的，所以熔斑斷面形狀為半球形，如圖3.14所示，為了達到一定厚度的熔深，只有在高重複頻率下才能達到密封焊接。
航空儀表外殼雷射密封焊接後，要求漏氣率小於10-8～10-10Pa．L/s，這是很高的指標，只有用氦質譜儀才能檢測。航空儀表外殼雷射密封焊接後，要求漏氣率小於10-8～10-10Pa．L/s，這是很高的指標，只有用氦質譜儀才能檢測。
五、離焦量的選擇 • 對於能夠正常焊接的雷射功率（或是脈衝能量），在焦平面處的雷射功率密度往往已經超過雷射焊接所需的功率密度，在焦點位置焊接，可能會出現金屬汽化、熔渣飛濺或是打孔現象。正確焊接技術是使焦平面離開工件表面一小段距離，這個距離稱為離焦量。如圖3.15所示，以工件表面為準，焦平面深入工件內部稱為負離焦，焦平面在工件之外稱為正離焦。
一般對熔深要求不高時最好用正離焦，這樣很容易獲得牢固美觀的焊縫。實際焊接過程中經常是雷射器各項參數設置完畢後，最後經由微調離焦量，來達到完美的焊接效果。一般對熔深要求不高時最好用正離焦，這樣很容易獲得牢固美觀的焊縫。實際焊接過程中經常是雷射器各項參數設置完畢後，最後經由微調離焦量，來達到完美的焊接效果。 • 離焦量的選擇和聚焦鏡的焦距數值大小有關，焦平面處的光斑尺寸D與聚焦鏡的焦距F和雷射光束的發散角θ有關，即 • D＝Fθ • 焊接0.5～1mm厚鋼板時，聚焦鏡焦距通常是100～200mm，對光斑尺寸要求並非十分嚴格，因而離焦量的選取也有較大的範圍。雷射焊接金屬膜片時，要求熔斑直徑小，聚焦鏡的焦距也小，在這種情況下離焦量的選擇要謹慎，離焦量不宜太大。
六、保護氣體 • 在一些對焊接技術要求嚴格的場合，如要求焊縫美觀、密封、無氧化痕跡的產品，或是易於氧化難於焊接的鋁合金材料，在焊接過程中就必須施加保護氣體。 • 氮氣室上部有透光平板玻璃，允許波長為1064nm的雷射光束射入到焊件的焊縫上，氮氣室內充滿氮氣，這樣被焊接金屬零件在加熱熔化過程中就不會氧化，如焊接鋼類零件或不銹鋼類零件時，得到的焊縫是閃亮的，密封效果也好。
在要求高度密封、漏氣率很低的工件焊接時，最好使用氬氣，焊接效果會更好，一次焊接密封成功率高，而且焊縫美觀。在要求高度密封、漏氣率很低的工件焊接時，最好使用氬氣，焊接效果會更好，一次焊接密封成功率高，而且焊縫美觀。 • 保護氣體除防止熔化金屬被氧化之外，還有一個作用就是吹掉焊接過程中產生的電漿火焰，電漿火焰本身對雷射能量有吸收、散射作用，影響焊接效果，減少熔接深度。 • 雷射深熔時，在一定壓力流速下的保護氣體能夠迅速清除熔化區的空氣，避免金屬氧化，同時保護氣體能夠將電漿火焰保持在熔池小孔內部，熔池內部熱量增多，使焊縫的熔深加大。
3.4 雷射焊接實用舉例 • 3.4.1 新型電池的雷射焊接 • 航空飛行器上改用鋰離子電池後，比能量是鎘鎳電池的2～3倍，是氫鎳電池的1.5～2倍。用在攝錄影機上，用在行動電話上，用在筆記本電腦上，都使這些移動電子產品體積大為縮小，待機時間倍增。鋰離子電池一經問世，產銷量便迅速增加。2000年年產量達4.5億支以上，近年來產量還在不斷增加，而且又將成為正在研製的電動汽車的首選電源。 • 鋰離子電池，有幾道程序如極耳焊接、安全閥焊接、負極焊接、外殼密封焊接等，均以雷射焊接為最佳技術。
一、極耳安全閥的自動焊接 • 新型電池內部裝有防爆裝置，稱為安全閥，鋰離子電池有內部膨脹爆炸危險，因而電池必須裝有安全閥，作為安全保障。安全閥結構巧妙，為用雷射焊接牢固的、一定形狀的兩個鋁質金屬片，由雷射熔斑形成的抗拉強度，需在設計值範圍之內，即通過雷射熔斑使電池內部形成通路，但當內部壓力升高到一定值時，雷射熔斑被撕開，起到保護作用。
極耳的雷射焊接技術比較複雜，由於是大量生產，焊接過程必須自動化、高生產率才能滿足市場需求。圖3.20是雷射自動焊接極耳的裝置示意，作為電池正極片的極耳與安全閥的孔板焊在一起，圖示裝置的核心結構是一個有36個V形槽的圓形轉盤，V形槽用來確定電池的位置，在電池極耳下面有放置安全閥的圓坑，安全閥與電池主體可以依圖示裝置自動上料，也可以手工上料。極耳的雷射焊接技術比較複雜，由於是大量生產，焊接過程必須自動化、高生產率才能滿足市場需求。圖3.20是雷射自動焊接極耳的裝置示意，作為電池正極片的極耳與安全閥的孔板焊在一起，圖示裝置的核心結構是一個有36個V形槽的圓形轉盤，V形槽用來確定電池的位置，在電池極耳下面有放置安全閥的圓坑，安全閥與電池主體可以依圖示裝置自動上料，也可以手工上料。
二、方形電池外殼的雷射頂焊密封技術 • 手機電池外形尺寸希望越小越好，現在流行的長方形截面的手機電池，也稱口香糖電池。其封口一般是在電池頂部有一個長方形蓋板，板上帶有正極引出端，將蓋板塞入外殼與口平齊，然後用雷射將蓋板與外殼之間的長方形縫隙，以重複脈衝方式焊好密封即可。
三、方形電池外殼的雷射側焊密封技術 • 1.方形電池中心旋轉式雷射自動焊接機 • 脈衝YAG雷射焊接機的雷射平均功率多為300～700W，脈衝重複頻率1～100Hz，雷射脈衝寬度1～10ms，單脈衝最大能量約30J，石英光纖傳輸，光纖長度10～50m。在光纖出口，由聚焦系統組成雷射焊接頭，焊接頭和被焊接電池之間的相對運動由微處理機控制，雷射焊接過程自動進行，更換電池的動作是人工操作。
雷射焊接過程中焊縫熔化階段會產生電漿火焰，該火焰對於入射雷射光束有遮擋作用，對雷射光束產生吸收和散射，使焊接品質下降。圖3.25表示的方法，使雷射光束傾斜一個角度入射，這樣產生的電漿火焰就會反射到另一個方向，不再遮擋入射雷射光束。雷射焊接過程中焊縫熔化階段會產生電漿火焰，該火焰對於入射雷射光束有遮擋作用，對雷射光束產生吸收和散射，使焊接品質下降。圖3.25表示的方法，使雷射光束傾斜一個角度入射，這樣產生的電漿火焰就會反射到另一個方向，不再遮擋入射雷射光束。
