激光焊接是使用激光的金屬加工技術(shù)的一個領(lǐng)域，在汽車、精密設(shè)備、電器、航空航天、醫(yī)療等各種工業(yè)領(lǐng)域被廣泛使用。此次我將從眾多的激光焊接用途中，選擇尤其在鈑金加工領(lǐng)域使用的激光焊接，介紹其基本事項。

何謂激光焊接？（特征）

首先“激光”是取英文的“Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation（通過受激釋放輻射光擴(kuò)大）”的含義的術(shù)語的開頭字母而得到的造詞。

剛開始思考含義時，可能會感覺有些復(fù)雜，其實(shí)只要將其理解為“人造光”，就沒錯。與我們?nèi)粘Ｋ�見的太陽光、照明等普通光相比，作為人造光的激光具�?ldquo;波長”、“相位”、“方向”恒定的特點(diǎn)。通過調(diào)整和使用被統(tǒng)稱“相干性”的這三大要素，能夠?qū)⒓す庥糜诟鞣N加工。

激光焊接是將作為人造光的激光進(jìn)行聚光并照射對象物、使金屬局部熔融和凝固來接合金屬的加工方法。在鈑金加工領(lǐng)域引入激光焊接的情況下，相比于以往加工方法的電弧焊，具有容易抑制熱變形、容易管理焊接條件、焊道不明顯等優(yōu)點(diǎn)。

激光焊接的原理

激光焊接中，使用激光振蕩器產(chǎn)生成為熱源的激光，并將其擴(kuò)大，使用光纖進(jìn)行傳輸，首先將光輸送至工件附近。在該階段需要激光加工頭。激光加工頭的內(nèi)部設(shè)置有透鏡，將傳輸來的激光聚光為適合加工的狀態(tài)。通過借助透鏡對光進(jìn)行聚光，能夠使光能集中于較小的面積，從而能夠獲得熔化金屬的較高能量。為了防止熔融金屬的氧化，通常會一邊吹送氬氣、氮?dú)獾缺Ｗo(hù)氣體一邊焊接。

激光焊接的種類

下面讓我們看看適合鈑金加工的手焊的激光焊接的種類。從20世紀(jì)90年代起，在日本率先開始普及的是使用YAG激光器的便攜式激光焊接機(jī)。自此以來，日本的鈑金行業(yè)長期認(rèn)為“激光焊接機(jī)=YAG激光器”，但在21世紀(jì)10年代中期光纖激光焊接機(jī)上市以后，近年來，光纖激光器成為便攜式激光焊接機(jī)的主流。此外還有利用盤式激光器制作的便攜焊接裝置。

使用光纖激光焊接機(jī)的手焊

· YAG激光焊接

YAG是名為釔鋁柘榴石 （Yttrium Aluminum Garnet）的晶體，YAG激光器是向YAG晶體照射強(qiáng)光來產(chǎn)生激光。YAG激光具有金屬易于吸收的1064nm的波長，因此能以較少的能量熔融金屬，這一點(diǎn)適合激光焊接。另一方面，為了產(chǎn)生激光，需要使閃光燈閃爍，且因為發(fā)熱多而需要使用制冷器對振蕩器至焊炬進(jìn)行冷卻，因此耗電量大，與所使用的電力相比，用于加工的能量較少，故而也存在焊不透的情況。冷卻水、燈等易耗品的維護(hù)成本負(fù)擔(dān)也較大，這也可以說是使用上的一大缺點(diǎn)。

· 光纖激光焊接

光纖激光是使用光纖對所生成的勵起光進(jìn)行擴(kuò)大和傳輸?shù)募す�，具有金屬易吸收�?070nm的波長。在眾多激光中，能量密度特別高，具有容易將光束聚集的特點(diǎn)，對金屬能夠?qū)崿F(xiàn)深熔是其一大優(yōu)點(diǎn)。與YAG激光相比，具有深熔、運(yùn)行成本低、幾乎沒有調(diào)整和維護(hù)的麻煩和成本等諸多優(yōu)點(diǎn)，近年來正在加速普及。雖然光纖激光具有高功率、高效率的特點(diǎn)，但在鈑金的手焊中，如果功率過高，會對作業(yè)者造成危險，因此制作產(chǎn)品時通常將功率限制在1kW左右。追求更高功率、更大焊透深度時，可以研究使用機(jī)械焊接、機(jī)器人焊接。

· 盤式激光焊接

盤式激光是使用圓盤狀的YAG晶體放大所生成的勵起光后使用光纖進(jìn)行傳輸?shù)募す�。德國的快通公司成功�?shí)現(xiàn)了高功率化和穩(wěn)定化，因此其作為工業(yè)用激光得到廣泛普及，近年來其可能性被重新審視，新用途的開發(fā)也在積極進(jìn)行。日本沒有能夠使用盤式激光進(jìn)行手焊的單體設(shè)備，但是擁有快通公司的激光切割機(jī)的用戶能可選地引進(jìn)手焊用的焊炬。

激光焊接的優(yōu)缺點(diǎn)

鈑金加工中使用的激光焊接與以往廣泛使用的TIG焊接相比，具有如下特點(diǎn)。

優(yōu)點(diǎn)

· 即使為薄板，熱變形也較小

TIG焊接因為焊透較淺且熱影響層較大，因此對金屬的焊接線能量較多，產(chǎn)品會產(chǎn)生較大熱變形。對所產(chǎn)生的熱變形的處理很大程度上依賴于工匠的技術(shù)，這方面是TIG焊接最難的地方。另一方面，激光焊接中，是聚光激光，將較高的能量集中于較小的焦點(diǎn)來熔融金屬，因此焊透寬度較細(xì)，熱影響層也較小，故而不易產(chǎn)生熱變形。而且在頻繁地反復(fù)進(jìn)行激光的ON/OFF的“脈沖振蕩”中，每秒鐘會重復(fù)進(jìn)行數(shù)次至數(shù)十次的熔融和凝固，因此更能抑制變形。

· 確保焊接部的足夠強(qiáng)度

激光焊接的焊道較細(xì)，有時會擔(dān)心強(qiáng)度不夠，但焊透較深，因此與外觀相比，內(nèi)部具有足夠的強(qiáng)度。激光焊接中暫時熔融、凝固的合金部分較少，不會斷裂，在工業(yè)試驗場實(shí)施的強(qiáng)度試驗中，也確認(rèn)起具有超過TIG焊接的強(qiáng)度。

· 縮短加工工時

激光焊接的焊接線能量較小，不易產(chǎn)生變形，因此能夠大幅減少消除變形的工時。另外，激光焊接基本上都是母材焊接，因此還能省去研磨焊接突起部分的工序。而且只要加工條件具備，就幾乎不會產(chǎn)生焊縫燒傷，因此也有可能能夠減少電解研磨工序�？s減了以往辛苦應(yīng)對的加工工時，促使提高生產(chǎn)效率，降低制造成本。

· 焊接條件易管理易操作

激光焊接機(jī)還有將焊接條件作為方法登記后能夠調(diào)用的機(jī)型，可以說易管理和再現(xiàn)焊接條件是其一大優(yōu)點(diǎn)。此種情況下只要由熟練者給出條件，由此非熟練者很容易再現(xiàn)熟練者的加工條件。由此如果非熟練者也能負(fù)責(zé)薄板焊接，熟練者就能集中于附加價值高的工作，有助于提高焊接工序整體的生產(chǎn)效率。

缺點(diǎn)

· 縫隙處理能力較差

激光焊接具有將激光能量聚集在φ0.1～φ0.6mm左右的極小的焦點(diǎn)來使金屬熔融的性質(zhì)，出于這一性質(zhì)，其具有如果有縫隙就無法焊接的弱點(diǎn)。在光斑直徑為φ0.1mm的機(jī)型的情況下，如果存在0.1mm的縫隙，則激光會從中間走過而無法焊接，因此需要采取提高折彎工序的精度、設(shè)置夾具等措施。

· 不擅長堆焊

激光焊接擅長母材焊接，不擅長堆焊。除了在使焊條熔融之處激光的能量有可能無法全部到達(dá)母材外，焊接點(diǎn)/焊條/焦點(diǎn)全部精準(zhǔn)地會齊在同一線上也很難，有可能無法確保足夠的強(qiáng)度。當(dāng)圖紙中指示堆焊時，需要研究是否應(yīng)該采用激光焊接，相反為了確保強(qiáng)度、美觀而希望使用激光焊接時，最好不要寫入堆焊指示。

· 需要采取安全措施

激光如果使用方法錯誤，可能會導(dǎo)致重大事故，因此全部激光產(chǎn)品都在JIS規(guī)格“激光產(chǎn)品安全標(biāo)準(zhǔn)”中規(guī)定了安全相關(guān)規(guī)格。使用激光的手焊裝置全部劃歸危險度最高的“四級”，制造商也會采取各種安全措施。請注意按照規(guī)格和操作說明書采取正確的使用方法，例如設(shè)定激光管理區(qū)域、使用激光焊接專用的焊接面罩/護(hù)目鏡、使用附帶安全裝置的便攜焊炬、妥善管理設(shè)備的鑰匙等。

激光焊接的加工事例

下面讓我們看看激光焊接的實(shí)際加工事例。

（測試機(jī)型：便攜焊炬型光纖激光焊接機(jī)　OPTICEL FH-450）

首先介紹一下SUS304的板厚0.5mm、板厚1.0mm的對接焊的加工事例。對于激光焊接擅長處理的薄板，能夠?qū)崿F(xiàn)低變形焊接。在焊接后沒有去除變形和燒痕的狀態(tài)下，能夠?qū)崿F(xiàn)漂亮的精加工。

下面在SUS304 板厚1.0mm的板上焊接管。在管下面的里側(cè)能夠看到焊道，不使用焊條，進(jìn)行了母材焊接。為了便于看清焊道，拍攝時傾斜了板材，但SUS板側(cè)幾乎沒有產(chǎn)生變形。里側(cè)也沒有焊接燒痕。

最后是SUS304 板厚1.2mm的箱體焊接的樣本。使用夾具保持工件，使用激光定位焊接后，實(shí)施正式焊接。以較低的變形完成了產(chǎn)品，省去了精加工的麻煩。

激光焊接的訣竅

激光焊接能夠?qū)崿F(xiàn)焊接強(qiáng)度和美觀的一舉兩得，是薄板的低變形焊接、條件管理容易等優(yōu)點(diǎn)較多的接合方法，但另一方面也存在縫隙處理能力較差、不擅長堆焊等缺點(diǎn)。巧妙利用激光焊接的訣竅請注意以下幾點(diǎn)。

·     提高折彎工序的精度，設(shè)置夾具，在創(chuàng)建無縫狀態(tài)后進(jìn)行焊接

·     如果事先問熟練者提供加工條件并登記方法，非熟練者也容易再現(xiàn)加工

·     如果保持以TIG焊接等以往加工方法為前提的圖紙不變，僅將加工方法變更為激光焊接，則很難順利完成加工。有時可以考慮研究變更設(shè)計。

·     如果希望最大限度的發(fā)揮強(qiáng)度、美觀等激光焊接的優(yōu)點(diǎn)，建議從設(shè)計階段起以激光焊接為前提進(jìn)行設(shè)計。

總結(jié)

激光焊接的最大優(yōu)點(diǎn)在于能夠低變形地焊接薄板。而且非熟練者也能焊接，因此有可能極大地改良以往依靠工匠技藝的焊接工藝。只要能正確地了解其缺點(diǎn)并適當(dāng)應(yīng)對，剩下的就只有優(yōu)點(diǎn)了。請最大限度地有效利用激光焊接的優(yōu)點(diǎn)吧。

轉(zhuǎn)自：錦拓達(dá)激光

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