激光焊接技术原理

能量转换

激光焊接是利用高能量密度的激光束作为热源的焊接方法。激光发生器产生激光束，通过光学聚焦系统将激光束聚焦到工件的焊接部位。激光束的能量被工件表面吸收后转化为热能，使焊接部位的材料迅速熔化乃至汽化，从而实现材料的连接。

激光与材料的相互作用

当激光束照射到金属材料表面时，光子与金属中的电子相互作用，使电子获得能量而跃迁到高能级。这些高能级电子通过与晶格的碰撞将能量传递给晶格，使材料温度升高。对于不同的材料，其对激光的吸收率不同，这取决于材料的种类、表面状态（如粗糙度、氧化膜等）和激光的波长等因素。

激光焊接技术的特点

优点

高能量密度：激光束具有极高的能量密度，能够在很小的区域内产生大量的热量，因此可以实现极小的热影响区。例如，在焊接精密电子元件时，热影响区可以控制在几十微米以内，减少对周围元件的影响。

高焊接速度：由于能量集中，焊接速度较快。与传统的电弧焊相比，激光焊接速度可提高数倍乃至数十倍。在汽车制造中，采用激光焊接车身部件可以大大提高生产效率。

深熔焊能力：能够进行深熔焊，对于较厚的材料（如几毫米到十几毫米厚的钢板），可以一次性穿透焊接，减少焊接层数和焊接时间。

焊接质量高：激光焊接可获得高质量的焊缝，焊缝外观均匀、平整，内部缺陷（如气孔、夹渣等）少。在航空航天领域，对焊接质量要求极高，激光焊接技术能很好地满足需求。

灵活性强：通过计算机控制激光束的运动路径，可以实现复杂形状工件的焊接。例如，在三维曲面上进行精确焊接。

缺点

设备成本高：激光焊接设备价格昂贵，包括激光发生器、光学聚焦系统、冷却系统等部件，这使得初始投资较大。

对工件装配要求高：激光束聚焦点很小，所以对工件的装配精度要求较高。如果工件之间的间隙过大或对接面不平整，会影响焊接质量。

材料限制：虽然可焊接多种材料，但对于一些高反射率的材料（如铝、铜等），激光焊接相对困难，需要特殊的工艺措施来提高材料对激光的吸收率。

激光焊接技术的应用领域

汽车制造

在汽车车身制造中，用于焊接车身框架、车门、车顶等部件。例如，激光焊接可以实现车身不同厚度板材的拼接，提高车身结构强度的同时减轻重量。

航空航天

用于焊接飞机发动机部件、机身结构件等。由于航空航天材料多为高强度、轻质的合金材料，激光焊接能够在保证焊接质量的前提下满足严格的性能要求。

电子工业

焊接电子芯片、电路板等精密部件。其微小的热影响区和高焊接质量能够确保电子元件的正常工作。

医疗器械

用于焊接不锈钢、钛合金等医用材料，制造医疗器械如手术器械、植入式医疗器械等，满足医疗器械对卫生、精度和可靠性的要求。

激光焊接的主要工艺类型

脉冲激光焊接

采用脉冲激光器，激光能量以脉冲形式输出。适用于小尺寸、薄壁材料的焊接，如焊接微小的电子元件。脉冲的能量、频率等参数可根据焊接需求进行调整。

连续激光焊接

使用连续输出激光束的激光器。主要用于较大尺寸、较厚材料的焊接，如焊接汽车车身部件和大型机械结构件。连续激光焊接能够提供稳定的能量输入，保证焊接过程的连续性。