與其他技術相比，雷射焊接是一種相對較新的工藝，它使用雷射作為熱源執行連接任務，並使用雷射切割進行拆卸。由於電子、汽車等行業對雷射切割精度的要求激增，該技術在雷射技術領域迅速獲得認可。在醫學上，雷射焊接用於治療心血管疾病。我們將回顧雷射焊接的基本原理；分析流程為製造業帶來的獨特特徵、優勢和經濟意義；並討論一些未來可能的進步、限制和問題。本書主要針對那些希望將業務拓展到新領域的管理階層和投資者，也針對那些不熟悉現代生產系統所使用的技術的讀者。
雷射焊接的工作原理
雷射焊接：基本原理
雷射焊接使用高功率雷射來熔化並連接您想要焊接的材料。它可以實現非常精細和精確的焊接，具有高強度，並且對周圍材料的變形、損壞或變化很小。雷射聚焦在材料的特定部分，其過熱能量會形成熔池，冷卻後變成焊接。該技術可用於各種金屬和合金，對汽車、航空航天和電子工業有用。
雷射光束在焊接過程中的重要性
光束雷射對於雷射焊接過程的有效性和精度至關重要。一般來說，雷射可以在 1 至 10 微米的範圍內運行，產生高水平的聚焦能量和驚人的穿透深度。由於這種光束的特性，加熱區域可以非常小，這將使焊接材料的變形和殘餘應力急劇下降。
高功率光纖雷射的發明可以實現大於10kW的輸出功率，從而可以比以前更快、更準確地焊接更厚的材料。研究表明，與 TIG 或 MIG 焊接等傳統方法相比，雷射焊接可實現每分鐘 50 至 100 英吋的焊接速度。速度的提高加上自動化提供的精度使得雷射焊接成為大批量製造環境的理想選擇。
焊接品質受雷射光束參數的影響，例如功率密度、光束焦點和行進速度。上述參數可調整以適應材料厚度、類型、接頭配置的特定組合，甚至單一部件內和部件之間的差異。在適當的條件下，航空航天和汽車應用中使用的加工級不銹鋼和鋁合金可以實現近乎完美的焊接，具有強大的強度和耐用性。雷射光束的多功能性和精確性使其成為現代工業中不可或缺的一部分。
雷射焊接與其他焊接方法的對比
與其他焊接方法不同，雷射焊接具有幾個獨特的特徵。一個區別是，雷射焊接比其他技術更精確，因為它可以產生精細的切口和乾淨的、幾乎完美的焊縫，並且幾乎不會造成變形；採用其他方法消除凸起表面和其他痕蹟的效果會更好。另一個區別是，雷射焊接以較高的速率處理工件，與相對較慢的電弧或 TIG 焊接相比，有利於大規模生產。此外，由於精度高，雷射焊接不需要大量的精加工工作，而其他方法則需要大量的後處理工作。由於這些因素，雷射焊接非常適合航空航天或電子等設計複雜的領域以及醫療設備等高品質製造。
雷射焊接的優點
使用專家級雷射焊接機的好處
- 標記時格外小心：由於採用了先進的雷射技術，與使用任何其他設備相比，焊接時發生扭曲和不準確的可能性更小。
- 速度： 與傳統方法相比，許多其他流程速度較慢，導致生產時間更長。
- 多功能性： 雷射焊接具有廣泛的應用範圍，因為它適用於多種不同類型和厚度的材料。
- 最小熱量輸入： 集中的熱量最大限度地減少了對周圍部件的熱影響，有效地保護了易碎部件。
- 減少後製工作： 由於雷射焊接的精確度，工作流程透過優化的生產流程得到簡化，因此很少需要進行精加工工作。
優質雷射焊接的好處
雷射焊接由於其極高的精度，提高了焊接質量，因而越來越受歡迎。接縫強度和一致性的增強歸功於雷射光束由於其可靠的能量傳輸而提供的細緻控制。此外，諸如孔隙率或裂紋等可能損害焊縫完整性、降低其精度的關鍵構造特徵也顯著減少。此外，與其他焊接方法相比，雷射焊接可產生光滑且邊界清晰的焊縫，且沒有過多的飛濺，因此無需進行焊後精加工。光滑度和清潔度使雷射焊接成為一種可靠且有目的的方法，可在多樣化和敏感的工程任務中獲得高品質的焊接。
高功率雷射焊接效率
高功率雷射系統旨在提高焊接方法的速度和有效性，因為它們提高了效率，這對於工業任務至關重要。根據焊接的厚度和材料，先進的系統甚至可以以每分鐘 10 公尺的速度進行焊接。憑藉此能力，生產週期時間可大幅縮短，總產量可提高，進而降低營運成本。
高功率雷射增強的能量密度確保即使是鋼和鋁合金等厚材料也可以在一次焊接中完成，而無需過度預熱或多次迭代。例如，大多數額定功率超過 4 kW 的雷射焊接系統可以熟練地焊接 10 毫米厚的板材，並且具有高精度和低變形的特性。
專注於雷射控制的尖端技術允許即時調整某些參數，即使在極快的速度下也是如此。在工業領域，有人估計效率等級可達 90% 以上，這意味著製程中的能量損失相對較小。這種轉變提高了電力利用率並降低了營運費用，透過整合更多環保資源加強了向永續製造的轉型。
雷射焊接系統使用哪些類型的雷射？
光纖雷射和 CO2 雷射技術概述
雷射焊接系統高度依賴光纖雷射和二氧化碳雷射技術，因為它們具有多功能性和高效性，這在工作量要求高的工業應用中是不可或缺的。例如，光纖雷射利用光纖作為增益介質，適用於精細焊接任務、可焊接反射材料，並且由於其高功率密度精度而適用於高功率雷射。 CO2 雷射使用混合氣體，由於其波長較長，更適合切割和焊接較厚的材料。每種類型都有其優點，取決於應用；然而，光纖雷射在速度和維護效率方面更勝一籌，而二氧化碳雷射器更適用於堅固的金屬和非金屬。
選擇適合任務的雷射焊接機
在選擇雷射焊接機時，最重要的三個考慮因素是材料的類型、厚度和生產規模。光纖雷射器因其精確度和快速的處理能力而非常適合薄且高反射的材料。同時，二氧化碳雷射對於較厚或非金屬材料更有效，因為它們在較長波長下性能更可靠。此外，考慮維護和能源消耗，因為光纖雷射通常比二氧化碳雷射更能降低其成本。根據具體應用選擇適當類型的雷射即可獲得最佳效率和結果。
雷射焊接系統的關鍵要素是什麼？
關於光束品質的重要性
光束的品質是決定一系列操作的有效性和準確性的關鍵因素。光束品質和BPP（光束參數積）定義了雷射分割的可分配比率及其聚焦方式。因此，更好的 BPP 表示更好的光束品質和更好的材料加工，而更低的 BPP 意味著失去一切，這不能確保更精細的控制和準確的材料加工。
7B，一年級時這門課強化了我的認識，低光束品質意味著在切割、微焊接、雷射雕刻等精密功能中能量損失較高。在雷射焊接中，高光束品質有助於以更低的熱變形實現更深的穿透，從而提高焊接強度和光潔度。如今，雷射系統的發展已導致光束 M² 因子（光束品質的衡量標準）顯著增加。許多專注於超精密切割的行業（例如電子行業）面臨著超越的需求，這並不奇怪。
此外，光束品質越好通常意味著目標材料的能量吸收效率越高，從而降低整體功率需求。這反過來又降低了營運成本，並使處理銅和鋁等高反射率的材料變得更加容易。例如，數據顯示，光束品質優異的高功率光纖雷射的加工效率可達40%左右，遠高於傳統的CO2雷射。
在優化雷射時，光束品質有助於拓寬材料加工能力，使系統更加靈活。這些結果證明，投資精度將帶來更高的測量和結果可靠性。
隨著先進的工業應用，如上所述，優化開拓了 CO2 雷射器，巨大範圍的預味多反射實現了高效的體積，複雜形狀的精確處理透過體積反射器的 CO2 雷射器實現了多光束雷射。
所有這些都證明了對精確光束品質的需求，以實現複雜的精密雷射製造方法。
焊接機與雷射焊接技術的融合
焊接機與雷射焊接技術的結合，尤其在精度和效率方面具有顯著的優勢。現代雷射焊接系統可以輕鬆地與現有的生產線結合，從而提高加工速度並最大限度地減少材料翹曲。高標準的雷射焊接保證了出色的焊接強度一致性，這對於汽車、航空航天和電子等眾多行業至關重要。為了成功集成，需要評估雷射和焊接機的兼容性，同時考慮功率輸出、材料光束焦點和金屬成分等因素。最大限度地減少停機時間需要適當的校準和培訓，以最大限度地提高效率。
雷射光束焊接有哪些不同的焊接技術？
鎖孔焊接和傳導焊接
雷射光束焊接技術包括兩種不同的熱傳導方法，即傳導焊接和鎖孔焊接。
傳導焊接：在這種類型中，焊接是透過雷射對工件表面進行的。雷射能量聚焦到工件表面，並將熱量傳導至更大體積的工件材料。該技術可以形成寬而淺的焊縫，因此非常適合不希望過度滲透並且需要光滑焊接的情況。
鎖孔焊接：利用強雷射能量，部分材料汽化，產生小腔或「鎖孔」。透過此技術可實現焊接處窄而深，但結合力強，滲透度高。它最適合需要強度和高變形的地方，例如航空航天或高性能工程。
了解深熔焊接及其用途
深熔焊接是一種有用的製造工藝，用於在橋樑、船舶和高端車輛等需要盡量減少熱變形的結構中兩個接頭之間建立牢固的結合。這種焊接方法利用高功率雷射或電子束，使深度與寬度的比達到約 10:1，這對於雷射焊接技術來說是極其強大的。重型建築等行業需要這種穿透能力。
光纖雷射的 10 千瓦極限功率和其他最新改進有助於提高雷射焊接的效率和速度。研究表明，先進的雷射焊接能夠以高速在鋼材中實現超過 20 毫米的熔深，而且不會降低焊接品質。窄束雷射可產生非常密集的熱量，從而最大限度地減少熱影響區 (HAZ)，從而減少材料變形和後處理要求。
在最少的人為幹擾下，現代系統配備了自動控制和感測器，可確保每次焊接的品質始終一致。這些特性增加了其在建造核反應器和製造可靠性至關重要的醫療器材方面的應用。使用電子束進行深熔焊接可提供無與倫比的精度，同時保持材料的強度。這種特性使它們成為航空航太領域的必需品，這就是它們需求量如此之高的原因。
特別是雷射和光束技術的發展不斷完善深熔焊接。舉例來說，該過程說明了現代製造系統中精密焊接技術必須滿足的效率、強度和準確性的要求。
遠程雷射和混合焊接的進展
混合焊接透過整合雷射和電弧焊接等幾種不同的技術來獲得最佳效果。它克服了接頭間隙彌合和時間效率低下等挑戰，使其成為汽車和航空航天工業的理想選擇。
遠端雷射焊接使用可遠距離操作的雷射系統。這使得過程快速、非接觸。此技術對於狹小空間內的複雜焊接非常有用，可提供更大的操作空間並減少停機時間。這些技術共同構成了未來自動化、高性能焊接系統的基石。
常見問題
Q：目前主要有哪些類型的雷射焊接服務？
答：市面上有多種雷射焊接服務可供選擇。最受歡迎的是傳導焊接，焊接處由雷射光束產生，但並未完全穿透；鎖孔焊接可以使較厚的材料獲得更大的穿透力；以及熱傳導焊接，適合對薄材料進行更精細的工作。還有雷射焊接服務，使用掃描系統將光束移動到更大的區域，從而實現更快的焊接速度。此外，脈衝焊接服務允許在敏感應用時控制精確的能量爆發，而連續波焊接用於需要恆定能量供應的低需求重複任務。每種焊接類型均根據當前項目的材料、厚度和品質標準提供特定的優勢。
Q：雷射焊接與傳統焊接的對比
答：與其他焊接技術相比，雷射焊接有許多明顯的優勢。它實現了更高水平的焊接精度，顯示受熱影響的材料區域更少，並且最大限度地減少了變形。雷射焊接以更高的速度完成；它比其他技術快5到10倍。與傳統的熱焊接不同，雷射焊接不需要添加填料，從而使接頭更清潔。透過使用雷射光束，可以進入一些難以到達的區域，從而可以創建小至 0.2 毫米的焊縫，這是傳統焊接無法實現的。除此之外，雷射焊接還能提供更牢固的連接，只需要極少的精加工，而且這些精加工通常磨損性更小，並能增強零件的外觀。儘管有這些優點，但購置設備的費用比購買傳統焊接工具高得多。但由於效率和品質的提高，這項投資通常是合理的。
Q：使用雷射焊接服務可以焊接哪些材料？
答：雷射焊接在材料連接方面有廣泛的應用。廣泛應用於碳鋼、不銹鋼、鋁、鈦、鎳合金等金屬的焊接。最突出的特點之一是可以連接使用傳統焊接非常困難甚至不可能連接的異質材料，例如銅與鋁、鋼與鈦。此外，一些熱塑性塑膠和先進陶瓷也可以用雷射焊接。該技術特別適用於薄至 0.01 毫米的材料，但只要使用正確的雷射光源和技術，也可以處理其他較厚的部分。最重要的是工件材料吸收足夠的雷射光束能量的能力，以確保焊接成功。
Q：哪些產業通常使用雷射焊接服務？
答：雷射焊接無與倫比的精確度和適應性使其能夠應用於眾多產業。它在汽車工業中被廣泛用於焊接車身部件、變速箱甚至電池內的連接。在醫療領域，雷射焊接非常適合密封起搏器和手術器械。航空航太領域廣泛採用雷射焊接來製造高強度、輕重量的引擎和結構部件以及其他對該行業至關重要的元件。電子工業使用雷射焊接對設備易碎零件以及電池連接進行微焊接。其他值得關注的用戶包括珠寶業（由於成品的美觀而專注於雷射焊接）、能源行業（將其用於管道組件）以及生產從廚房用具到手機等各種產品的消費品行業。由於許多不同領域都需要精確、堅固且外觀優美的焊接，因此可以肯定地說，雷射焊接具有廣泛的應用。
Q：為什麼要考慮使用雷射焊接服務？
答：與其他焊接工藝相比，雷射焊接服務具有廣泛的優勢。由於雷射光束的功率集中度高，導致熱影響區較窄，因此使用雷射焊接可大幅減少焊接變形，並維持基材的物理特性。與傳統焊接技術相比，雷射焊接的生產率明顯更高，因為焊接速度快，而且焊接過程易於自動化。這確保了大批量生產過程中品質的高度可重複性和一致性。其他優點包括光滑的表面光潔度和更好的焊接質量，並且需要更少的焊接後處理量。此外，使用雷射焊接可以輕鬆地將不同的材料焊接在一起，即使材料極薄（小於 0.01 毫米），也不會損壞基材。由於產生的煙霧和廢物以及操作過程中的能量消耗相對較低，雷射焊接機對環境的影響也超過了大多數傳統焊接機。
Q：實施雷射焊接服務時哪些安全考量很重要？
答：在切割和焊接等操作中使用雷射都會對使用者的身體健康造成嚴重影響。應特別注意保護雷射焊接工人。暴露的雷射光束可能會導致嚴重燒傷和皮膚損傷，因此工人應受到包括護目鏡和全身服在內的全套個人防護裝備的保護。其他要求包括最大程度地封閉雷射光束、明確界定隔離焊工的屏障以及皮膚保護。還需要提供適當波長的合適眼鏡，以強化「安全第一」的原則。外圍機械應配備關閉控制裝置，並透過結合預防措施和無所不在的警告通知的安全協議強制執行。在雷射焊接過程中，焊接後會產生極度危險的煙霧，拆除後會分解出元素蒸汽，吸入後會造成傷害，因此需要配備抽吸系統。在沒有任何補充資料的情況下，防火安全至關重要，因為存在可燃物在能量聚焦的雷射光束下燃燒的風險。透過與自願性 ANSI 標準 Z136.1 的相關性，這些控制措施的定期驗證、發布和培訓以及可認證的治理可確保負責人獲得最佳的系統依賴性，從而使這些標準對美國人來說具有包容性。
Q：我如何才能知道雷射焊接是否適合我的製造要求？
答：要評估雷射焊接是否適合您的要求，首先要考慮幾個關鍵因素。需要考慮材料的類型及其厚度；雷射焊接最適合薄材料和某些金屬組合。確定您的精度要求；對於窄、低變形、高精度焊縫，雷射焊接是最佳選擇。檢查生產量的大小；大多數情況下，雷射設備的投資成本在大量生產的情況下更容易證明。評估關節的複雜性；如果有複雜或難以到達的焊接，聚焦雷射光束會很有用。由於雷射焊接後的加工時間很短，因此也需要考慮表面光潔度要求。隨著時間的推移，權衡預算限制與設備和生產力的費用。最後，與服務提供者交談。雷射焊接服務提供者可以在您的特定材料上進行樣品焊接，並在預先進行過程之前向您展示結果。
答：由於焊接速度和深度相對增加，隨著高功率光纖和盤式雷射的引入，雷射焊接技術的功能最近得到了擴展。多光束雷射系統可以從多個角度同時焊接複雜的接頭。先進的掃描器系統無需移動工件即可實現極其快速的光束定位，徹底改變了遠端焊接。攝影機和感測器確保製程品質控制，從而降低缺陷率，而先進的監控系統則提供品質保證。混合雷射電弧焊接和盤式雷射的使用可以提高較厚材料的焊接效率。透過應用人工智慧和機器學習來自動配置焊接參數，上述任務變得更加容易，而數位孿生技術可以在實際實施之前模擬焊接。所有這些改進都拓寬了雷射焊接應用的範圍。
參考資料
- 鋁和銅異種金屬雷射焊接綜述
- 作者： B. Ma、高向東、黃一傑、高佩里、張彥西
- 發布日期： 2023
- 日誌： 光學與雷射技術
- 主要發現：
- 本綜述探討了雷射焊接在連接不同類型金屬（即銅和鋁）方面的策略和用途。
- 本文也指出了與金屬間化合物的產生以及需要更多關注的特定焊接條件有關的問題。
- 強調了雷射焊接的優點，包括準確性、低熱輸入以及連接具有不同熱性能的材料的能力。
- 方法：
- 作者採用雷射焊接技術對不同合金金屬進行焊接，並結合各種研究成果進行了文獻綜述，對雷射焊接技術及其在連接不同金屬方面的實踐形成了統一的印象(Ma等，2023).
- 非光學接觸鈉鈣玻璃的多掃描皮秒雷射焊接
- 作者： 賈賢世、李凱躍、週力、王聰、陳炯、崔鎖超
- 發布日期： 2023
- 日誌： 光學與雷射技術
- 主要發現：
- 本研究範圍著眼於多掃描皮秒雷射焊接在鈉鈣玻璃中的應用，同時重點關注在鈉鈣玻璃結構內實現高精度焊接，這在先前的工作中已被證明是一個挑戰。
- 這項研究的結果清楚地表明，應用皮秒雷射焊接技術可以充分地結合材料，而對相鄰材料的破壞性影響非常小。
- 方法：
- 作者對各種雷射參數進行了實驗研究，並通過機械測試和顯微鏡評估了焊接質量(賈等，2023).
- 基於聲發射時頻表徵和CNN-LSTM混合網路的雷射焊接熔深監測
- 作者： 羅忠義、吳迪、雷培章、葉欣、施海川、蔡小、田英濤
- 發布日期： 2023
- 日誌： 材料種類
- 主要發現：
- 本研究利用聲發射訊號和混合深度學習模型，開發了一種追蹤雷射焊接熔深監測的新方法。
- 研究證實，所開發的方法可以準確評估穿透深度，這對於維持焊接品質標準非常重要。
- 方法：
- 作者在進行雷射焊接實驗並收集相關數據後，採用CNN-LSTM組合方法對雷射焊接實驗的聲發射數據進行分析(羅等人，2023).
- 高強度鋁合金遠程雷射焊接光束振盪數值研究及其對凝固參數和晶粒形貌的影響
- 作者： A. Mohan、D. Ceglarek、P. Franciosa、M. Auinger
- 發布日期： 2023
- 日誌： 焊接與連接科學與技術
- 主要發現：
- 本研究探討了光束振盪對高強度鋁合金雷射焊接凝固行為和微觀結構變化的影響。
- 研究結果表明，振動是有益的，因為它對抗拉強度和晶粒形狀變化有積極的影響，從而改善機械性能。
- 方法：
- 創建了一個先進的有限元素模型，透過模擬焊接操作過程中的溫度和熱流體流場以及焊接後冷卻，可以評估凝固參數的範圍(Mohan 等人，2023 年，第 362-371 頁).
- 焊接
- 激光束焊接
