激光焊接技术的应用与发展

激光焊接技术的应用与发展

作者：孙超

来源：《环球市场》2018年第27期

摘要：随着我国各类产业的蓬勃发展，传统焊接方法已经无法完全适应各行业的需求，而激光焊接作为一种现代化技术，其自身带有的特点恰好迎合了这种需求，因此在制造业、电子产业、医学行业等都有广泛应用。概括介绍了激光焊接技术及其相关研究的现状，并指出了其中还仍待解决的难题，最后对国际上激光焊接技术做出展望。 关键词：激光焊接技术；应用；发展

激光焊接是利用高能量密度激光束作为热源来实现同种以及异种材料间冶金结合的一种高效、优质连接工艺。按照工艺过程中母材是否熔化，可分为钎焊、熔焊两大类。其中，在激光钎焊过程中，两侧母材不发生熔化，仅依靠液态钎料与母材间的浸润、扩散与凝固作用实现连接。对于激光熔焊而言，按照工艺过程中是否添加焊丝，又可分为填丝熔焊、自熔焊两大类。焊丝的添加与否及种类选择是基于对母材焊接性的准确、合理评判之上。 一、激光焊接技术应用 （一）电子工业

激光在微小范围内快速加热的特性恰好满足集成电路和电路板等微小电子器件的焊接需求。同时，在进行激光脉冲焊接时，可以通过控制脉冲时间和脉冲峰值等参数使每个脉冲周期只在被焊件上形成一个焊点，保证了加工精度。基于以上两个优势，激光焊接被广泛应用在微电子工业中。在EdwardJ.Rapoza的研究当中，通过激光熔焊的方法，实现密封连接器主体（kovar合金）和第一金属组合物（铝合金）的密封连接。与传统焊接方法相比，利用激光进行密封连接，不仅能增强连接部位的强度和气密性，更有助于实现焊接过程的自动化。由此可见，激光焊接技术对微电子制造产业的发展有巨大的推进作用。 （二）激光焊接在车身零部件制造中的应用

在汽车轻量化快速发展的大背景下，传统钢制车身下一步的发展方向将是结合车身结构的自身特性、承载与受力情况，进行“量体裁衣”式设计，将不同厚度、强度、类别的钢板用在最合适、恰当的位置，以实现最优的轻量化效果。这一思想恰好与激光拼接焊的理念相吻合。从本质上讲，激光拼接焊是一种采用对接方式将所需板材进行连接的自熔焊工艺，板材拼接后再经过冲压工艺制成所需的零件形状，与先冲压后拼焊相比，可减少模具制造的数量与加工成本，同时还有力于制造工艺的简化、材料利用率的提高以及零件制造精度的保证。

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（三）生物医学

生物组织激光焊接技术是利用组织对激光的吸收，加热组织伤口周围的组织，并促进组织伤口周围组织中存在的天然组织蛋白的结合，从而实现组织修复。早在20世纪70年代末，Jain等就已报道了用激光焊接血管和输卵管的研究。他对兔颈动脉进行切断后的激光焊接手术，发现术后血管的通畅率高达92.5%。1983年，他又尝试完成了鼠颈动脉的端侧激光焊接，血管焊接处能承受200mmHg血压，这使他相信激光焊接生物组织的效果可靠性。1984年，他又将该技术用于5例脑血管供血不足的临床病例，进行了颞浅动脉与大脑中动脉的端侧激光焊接手术，均取得了成功。Jain对血管焊接手术的成功及显示出來的可靠性和优越性，吸引了更多研究者尝试其他生物组织的焊接，如输卵管、输精管、输尿管、皮肤等。刘铜军关于大白鼠胆总管的焊接研究表明：激光焊接方法相较于传统的缝合方法，具有更快的愈合速度且愈合过程中没有异物反应，被修复的组织按照其原先的生物力学性状生长。 二、新型激光焊接工艺的快速兴起

近年来，随着技术的不断革新，涌现出了激光螺旋焊、双光斑激光钎焊以及双波长复合激光焊等多种新型连接工艺。其中，激光螺旋焊是通过在焊接头上加以特制的震动模块，使聚焦光斑在激光头移动的情况下形成螺旋式的焊缝。该工艺可使焊缝根据要求进行适度加宽，并具有极高的加工重复性，工艺稳定且焊缝表面平整。双光斑激光钎焊是在激光头中加入双光斑模块并形成一大、一小两个光斑，焊接时大光斑负责整形，小光斑负责焊丝熔化连接。与常规钎焊工艺相比，其焊接速度更快、表面质量更好、工艺更稳定，特别适合镀锌钢板、铝板的钎焊。双波长激光焊是将光纤激光和半导体激光同轴、同时作用于零部件进行焊接的新技术，其中光线激光作为主热源对材料进行熔化连接，半导体激光作为辅助热源对材料进行同步预热并增加材料熔融状态持续时间，改善焊缝组织，提升焊缝强韧性。该工艺还可提升材料表面对激光的吸收率，降低等离子云产生的概率，并缓解焊接热应力，因而非常适合铝合金等有色金属的连接。 三、展望

近年来激光焊的研究取得巨大进展，其应用领域也不断扩展，也使我们相应地对激光焊接技术提出了更高的要求。目前国内的研究方向主要集中在两方面：一是对焊接过程进行有效的动态监测和调控，二是降低激光焊接的成本。任何一项技术的普及都绕不开成本问题。想要降低应用成本，一方面可以从降低设备费用上下手，另一方面可以考虑改进现有的激光焊接技术，使激光焊接的能量利用率得到较大提升。国内现有的仪器制造能力还不足以使激光焊接设备的成本在未来较短时间内达到普及化的程度，所以最可行的措施就是改进现有的激光焊接技术。目前，很多学者尝试将激光焊接与其他焊接方法相结合，如相对成熟的激光-电弧复合焊接，两者实现优势互补，提高了焊接质量和激光能量的利用率。相信随着激光的复合焊接技术相关机理的深入研究，将使其应用取得突破性进展。

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四、结束语

从上个世纪八十年代到现在，激光焊接技术已经伴随汽车行业走过近40个年头。随着汽车轻量化设计水平的进一步提升，具有高强特征的先进、轻质材料以及薄壁、空心零部件将逐渐被广泛应用于在未来的汽车制造中，相应的对其连接技术也带来了更大的挑战和更高的要求。伴随着一些新型优质激光焊接工艺的不断兴起，这些技术难题也将逐渐迎刃而解，可以预言激光焊接在未来的汽车制造中将发挥不可替代的作用。