激光焊接的基础知识与技巧

激光焊接是利用激光进行金属加工的一种技术方法，广泛应用于汽车、精密仪器、电器、航空航天、医疗等工业领域。本文我们将介绍激光焊接的基本知识，激光焊接应用广泛，尤其是在金属板材加工领域。

 

刚开始思考其含义时，可能会感觉有些复杂，但关键要理解它是一种 “人造光”就可以了。与我们日常所见的阳光和灯光等普通光相比，作为人造光的激光具有“波长”、“相位”、“方向”恒定不变的特点。通过调整和利用这三个被称为“相干性”的要素，激光可以用于各种加工工艺。激光焊接是一种将激光束（人造光）聚焦到物体上，使金属局部熔化・凝固，从而将金属连接在一起的加工方法。激光焊接在钣金件加工领域的应用中，与传统的电弧焊接方法相比，它有几个优点，如能都更好地控制热变形、更好地控制焊接条件、可见焊珠更少。

 

在激光焊接中，作为热源的激光束由激光振荡器产生，经放大后通过光纤传输，首先将光束送至工件附近。在这个阶段需要的是激光加工头。激光加工头内置一个透镜，用于将传输过来的激光束聚焦到适合加工的状态。 通过透镜聚焦光束，光能可以集中在一个很小的区域，从而获得较高功率，甚至可以熔化金属。为了防止熔融金属氧化，焊接时一般会喷射氩气和氮气等保护气体。

下面我们就来看看适用于钣金件手工焊接的激光焊接类型。从1990年开始，日本最早开始普及使用YAG激光器的便携式激光焊接机。从那时起，日本钣金行业长期认为“激光焊接机=YAG激光器”，但自 2010 年代中期推出光纤激光焊接机以来，光纤激光器近年来已取代手持式激光焊接机成为主流。此外，还有利用碟片激光器的便携焊接设备。

（使用光纤激光焊接机的手焊作业）

・YAG激光器焊接
YAG是一种名为钇铝石榴石（Yttrium Aluminum Garnet）的晶体，YAG激光器通过向YAG晶体照射强光来产生激光。YAG激光波长为1064nm，容易被金属吸收，只需少量能量就能熔化金属，因此适用于激光焊接。另一方面，由于需要闪光灯产生激光束，且发热量大，从振荡器到焊炬都需要用冷却器冷却，用于冷却的耗电量较大，与整体功率相比，可用于加工的能量较小，故而也存在焊不透的情况。另一个缺点是冷却水和灯具等消耗品的维护成本较高。
・光纤激光器焊接
光纤激光器是利用光纤来放大和传输产生的励起光，其波长为1070nm，容易被金属吸收。在众多激光器中，光纤激光器的能量密度特别高，其特点是光束易于聚焦，并对金属能够实现深熔。与 YAG 激光器相比，光纤激光器具有许多优点，如焊接深度更深、运行成本更低、几乎不会发生调整和维护等工作及成本，近年来正在加速普及。尽管光纤激光器具有高输出和高效率的特点，但由于在手工焊接金属板材时过高的输出可能会对操作者造成危险，因此一般商业化的光纤激光器输出功率都限制在 1 kW 左右。 如果需要更高的输出功率和焊接深度，则应考虑使用机械或机器人焊接。
・碟片激光器焊接
碟片激光器是用圆盘状YAG晶体放大产生励起光，然后通过光纤传输。由于德国通快公司成功实现了高功率化和稳定化，因此其作为工业用激光器得到了广泛的普及，近年来，对其潜力进行了重新评估，并正在开发新的应用领域。日本还没有可以用盘式激光器进行手工焊接的单体设备，但拥有快通公司激光切割机的用户可选配割炬，用于手工焊接。

 

与广泛使用的TIG焊接相比，用于钣金件加工的激光焊接具有以下特点。

（激光焊接和TIG焊接截面画像）

优点
・薄板的热变形少
TIG焊接的熔深较浅，热影响层较宽，这就增加了热量对金属的影响，使产品产生明显的热变形。如何处理产生的热变形在很大程度上是一个工艺问题，这也是TIG焊接最困难的部分。而激光焊接则是将激光束聚焦，将高能量集中在一个小焦点上熔化金属，从而使焊缝宽度更窄，热影响层更小，因此不易产生热变形。而且在频繁地反复进行激光开/关的“脉冲振荡”中，每秒钟会重复进行数次至数十次的熔融和凝固，由此也可以进一步抑制变形。
・确保足够的焊接强度
有时有人会担心激光焊接的焊缝较窄，强度不够，但实际上由于熔深较深，因此与外观比较而言，内部确保具有足够的强度。通过激光焊接熔化・凝固后的合金部件很少断裂，工业研究院进行的强度测试证实，激光焊接的强度高于TIG焊接。

（光纤激光焊接深熔横截面（图片来源：laserx株式会社）
・减少精整工时
激光焊接的热量影响小，不易引起变形，从而大大减少了去除应变所需的工时。此外，由于激光焊接以母材焊接为基础，可以省去打磨堆焊区域的工序。此外，如果加工条件恰当，几乎不会出现焊缝烧伤，这意味着电抛光工序也可以省略。如果能够减少一直以来难以应对的精整工时，就可以提高生产率并降低制造成本。
・易于控制和再现焊接条件
有些激光焊接机可以将焊接条件以数字化的形式记录保存下来，便于以后调用，从而便于管理和复制焊接条件，这是其一大优势。这种情况下只要熟练者以往设定过的条件，非熟练人员就可以非常容易地复制熟练人员的加工条件。如果能让非熟练操作人员负责板材焊接，熟练者就能集中精力对应附加价值高的工作，从而有助于提高焊接工序整体的生产效率。

 

缺点
・间隙部无法焊接
激光焊接的缺点是无法在有间隙的情况下进行焊接，这是因为激光焊接过程的本质是将激光束的功率集中在一个非常小的焦点（φ0.1～φ0.6mm）上并熔化该范围金属。对于光斑直径为φ 0.1 mm的机型，如果有0.1 毫米的间隙，就会导致无法焊接，出现脱焊的情况，因此需要通过提高折弯精度和调整夹具等措施来避免这个问题的发生。
・不擅长堆焊
激光焊接擅长母材焊接，而不擅长堆焊。这是因为焊条熔化时，激光的功率可能不足以实现焊条和母材的熔接，而且很难将焊接点/焊条/焦点都精确定位在同一条线上，这样可能无法确保足够的强度。如果图纸上有堆焊的指示，我们则需要考虑是否真的应该采用激光焊接的方法；相反为了确保强度、美观而希望使用激光焊接时，则不应该标注堆焊指示。
・需要安全措施
如果激光使用不当会导致严重事故，因此所有激光产品都必须遵守 JIS “激光产品安全标准 “中的安全标准。所有基于激光的手工焊接设备都被归类为 “四级”，即最危险的设备，制造商已采取了各种安全措施。必须根据标准和说明书，正确设置激光管理区域，使用专用的激光焊接面罩/护目镜，使用带安全装置的便携焊炬，妥善管理设备的钥匙等。

（激光管理区示例）

 

下面让我们来看看激光焊接的一些实际加工事例吧。（测试机型：便携焊炬型光纤激光焊接机OPTICEL FH-450）
首先介绍一下厚度分别为0.5mm和1.0mm SUS304板材的对焊加工实例。激光焊接擅长薄板加工，可以实现低变形焊接。焊接后无需消除变形及去除烧结处理，即可实现漂亮的表面效果。

（厚0.5mm（图左面）和1.0 mm（图右面）的SUS304板材对焊）
接下来，在厚度1.0 mm的SUS304板材上焊接管道。可以看见焊缝在管道与板材的连接部，在不使用焊条的情况下将母材焊接在一起。为了便于观察焊缝，我们将SUS板材倾斜拍摄，可以看到SUS板材几乎没有发生变形，焊接部位也没有烧结的现象。

（管道与SUS304板材焊接）
最后是厚度1.2mm SUS304板材的箱体焊接的样品。工件通过夹具固定，用激光进行临时连接后，进行焊接。完成的产品变形小，减少了精整工作时间。

（SUS304 箱体焊接）

激光焊接是一种可以兼顾焊接强度和美观性，可实现薄板的低变形焊接和焊接条件易于管理等诸多优点，但也存在间隙部无法焊接和不擅长堆焊等缺点。以下几点可作为正确使用激光焊接的技巧。
・提高折弯工序的精度并正确的使用夹具，形成无间隙状态后进行焊接
・如果熟练操作者已设定并记录加工条件，非熟练人员就可以非常容易地复制加工
・如果图纸是以TIG焊接等传统工艺为前提设计出来的，仅将工艺改为激光焊接，则很难顺利进行作业。建议根据具体情况判断是否有必要进行设计变更。
・如果想最大限度地发挥激光焊接在强度、美观性等方面的优势，建议从设计阶段就以激光焊接为前提进行设计。

激光焊接最大的优势在于焊接薄板变形小。而且不熟练的人也能进行焊接作业，因此有可能极大地改善以往依靠工匠技能水平的焊接工艺。如果能正确了解其缺点并妥善处理，那么就只剩下优点了。请充分利用激光焊接的优势吧。
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(样品・图片提供：laserx株式会社）「非焊接钣金的接合方法」请参考此资料