雷射焊接:技術與效益詳解

01.08最後更新 01.12

雷射焊接:技術與優勢詳解

簡介 - 雷射焊接技術的興起及其優勢

雷射焊接已迅速成為製造和加工業中的一項變革性技術。這項先進的焊接技術利用高度集中的雷射光束,以精確、快速且最小的熱變形來連接材料。近年來,由於雷射焊接系統能夠提供卓越的焊接品質、縮短生產時間並實現自動化,其採用率已顯著擴大。雷射焊接的優勢遍及各個領域,包括汽車製造、航空航太、電子產品和醫療設備生產。隨著雷射技術和控制方法的持續改進,雷射焊接代表了現代製造流程中的一項關鍵進展,為企業帶來更高的生產力和產品一致性。
雷射焊接的一項顯著優勢是其與多種材料的相容性,包括金屬、異種金屬組合,甚至可透過雷射蝕刻和焊接技術處理塑膠。此外,雷射混合焊接將雷射光束與傳統電弧焊接結合,以發揮兩種方法的優勢,從而提高焊道強度和效率。這些技術創新突顯了雷射焊接的多功能性及其解決複雜製造挑戰的潛力。

什麼是雷射焊接及其工作原理?

雷射焊接是一種熔焊過程,利用聚焦的雷射光束熔化並連接材料。雷射的能量集中在一個小點上,產生強烈的熱量,快速熔化工件。冷卻後,會形成牢固的金屬結合。雷射焊接主要有兩種模式:傳導焊接和匙孔焊接。
傳導焊接發生於雷射能量加熱材料表面,使其熔化,但未產生汽化空腔。此模式最適合薄材料,可產生熔深淺、穿透力小的焊縫。相對地,鍵孔焊接涉及更高的功率密度,會使金屬汽化,形成一個稱為鍵孔的深窄空腔。鍵孔焊縫可提供更深的穿透力,適合較厚的材料。
雷射焊接對於焊接異種金屬尤其有利,因為聚焦且可控的熱輸入可最大限度地減少可能削弱接頭的金屬間化合物形成。雷射系統中可調的環形模式允許操作員修改光束形狀和焦點,針對不同材料和厚度優化焊縫品質。這種靈活性擴大了雷射焊接在各種工業應用中的適用性。

雷射焊接歷史

激光焊接的發展可以追溯到20世紀初,重要的里程碑塑造了其演變。1960年激光的發明標誌著一個關鍵時刻,使得工業上能夠利用相干的單色光。到了1960年代末,研究人員開始實驗使用激光進行材料加工,包括焊接。
在1970年代,第一套商業激光焊接系統出現,主要使用二氧化碳激光,因為其高功率和效率。1980年代和1990年代,光纖激光和Nd:YAG激光得到了改進,提供了更好的光束質量和多功能性。這些進步促進了更廣泛的工業應用,特別是在電子和汽車行業的精密焊接。
到了2000年代和2010年代,激光焊接技術融入了自動化和機器人技術,提高了生產速度和一致性。3D激光焊接的引入進一步增強了能力,允許複雜幾何形狀無縫焊接。今天,激光焊接繼續隨著藍色/綠色激光和二極體激光等創新而發展,這些技術提供了更好的吸收率和能量效率。

焊接用激光類型

幾種類型的激光被用於焊接,每種激光都有其獨特的特性,適合特定的應用。二氧化碳激光在10.6微米的波長下運行,以其高功率輸出而聞名,使其非常適合厚材料和高速焊接。然而,由於其不可見的光束,它們需要更多的維護和安全預防措施。
光纖激光因其優秀的光束質量、能量效率和緊湊設計而受到歡迎。它們在近紅外光譜中運行,具有高度的靈活性,便於輕鬆整合到自動化激光焊接系統中。Nd:YAG激光以1.06微米的波長發射,適用於精密焊接和微焊接任務,常用於醫療設備製造。
新興的藍光和綠光雷射能增強銅和金等金屬的吸收率,這些金屬傳統雷射難以焊接。二極體雷射雖然功率通常較低,但成本效益高,可用於表面處理和塑膠焊接,包括用於品牌標識和標記的塑膠雷射蝕刻。每種雷射類型都提供獨特的優勢,選擇合適的雷射取決於材料、厚度和所需的焊接特性。

雷射焊接的優勢

雷射焊接提供了許多優於傳統焊接方法的優勢。一個主要的好處是熱影響區 (HAZ) 明顯縮小,這減少了焊接周圍的熱變形和材料降解。這種精確度可以保留材料的機械性能和外觀,這在高強度應用中至關重要。
另一個優勢是雷射焊接過程的速度和效率。高度聚焦的能量輸入可實現更快的焊接速度,縮短週期時間並提高產量。自動化和與機器人焊接機整合的便利性進一步增強了這種效率,從而能夠以最少的操作員干預實現一致且可重複的焊接品質。
雷射焊接系統亦支援複雜幾何形狀及異質材料的焊接,為製造商擴展設計可能性。此外,執行 3D 雷射焊接的能力為製造具有卓越強度和耐用性的精密組件開闢了新領域。像江蘇宏瑞光電科技有限公司這類公司,便利用這些先進的焊接技術生產精密光學元件和鏡頭,確保為各行各業提供高品質且可靠的產品。

雷射焊接的缺點

儘管雷射焊接具有其優勢,但它確實也帶來了一些挑戰。一個顯著的缺點是購買雷射焊接系統所需的初始資本投資,這可能相當可觀。高品質的光纖雷射器或二氧化碳雷射機涉及顯著的成本,包括維護和安全設備,這對企業來說是一筆相當大的前期支出。
由於高功率雷射束,也存在安全問題,這需要嚴格的安全協議和保護措施,以防止事故和傷害。操作員需要接受專業培訓,以安全地操作雷射焊接設備並遵守監管標準。
此外,雷射焊接可能不適用於所有材料或厚度,某些高反射率或高導熱性的金屬需要專門的設置或替代焊接方法。精確的接頭配合和表面準備的需求也可能增加製造的複雜性和成本。

雷射焊接機範例

市場上提供多種雷射焊接機,以滿足不同的工業需求。電池焊接機是緊湊、便攜的系統,專為現場維修和組裝而設計,在電子和電池製造領域尤其有用。手持式雷射焊接系統提供靈活性和移動性,能夠在難以觸及或複雜的區域進行焊接。
機器人雷射焊接機將雷射技術與自動化手臂和視覺系統整合,為汽車裝配線等大規模生產環境提供高速、高精度的焊接。這些系統在焊接汽車框架和車身零件方面表現出色,可提高結構完整性並縮短製造時間。
激光混合焊接機將激光束與傳統弧焊結合,以優化滲透和焊接質量。這種混合方法非常適合厚材料和關鍵結構應用,因為速度和強度都是至關重要的。

結論 - 擁抱激光焊接技術的未來

總結來說,激光焊接代表了一種尖端技術,為現代製造提供無與倫比的精確度、速度和多功能性。它的優勢包括較小的熱影響區、卓越的機械性能和自動化的便利性,使其成為各行各業不可或缺的工具。雖然初始投資和安全考量需要關注,但長期的好處和創新的潛力是不可否認的。
有興趣探索激光焊接技術的公司應考慮諮詢專家,以選擇合適的系統並優化流程。江蘇宏瑞光電科技有限公司展示了如何整合先進的激光焊接和製造技術來提升產品質量和運營效率。
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