热导焊
出处：按学科分类—工业技术 北京工业大学出版社《特种加工手册》第103页（4775字）
2．8．2．1 热导焊的特点
热导焊是指激光辐射加热工件表面，表面热量通过热传导向内部扩散，通过控制激光脉冲的宽度、能量、峰值功率和重复频率等参数，使工件熔化，形成特定的熔池．由于其独特的优点，热导焊已成功地应用于微、小型零件的精密焊接中．
与其他焊接技术比较，激光热导焊的主要优点如下．
(1)焊接速度快、深度大、变形小．
(2)能在室温或特殊的条件下进行焊接，焊接设备装置简单．
(3)可焊接难熔材料，如钛、石英等，并能对异种材料施焊，效果良好．
(4)可进行微型焊接．激光束经聚焦后可获得很小的光斑，且能精密定位，可应用于大批量自动化生产的微、小型元件的组焊中．焊接时生产效率大大提高，热影响区校焊点无污染，焊接质量好．
(5)可焊接难以接近的部位，施行非接触远距离焊接，具有很大的灵活性．
激光焊接存在以下局限性：
(1)激光器及其相关系统的成本较高，一次性投资较大；
(2)要求焊件装配精度高，且要求光束在工件的位置不能有显着偏移．
2．8．2．2 激光焊接热传导理论
热导焊时，激光辐射能量只作用于材料表面，其下层材料的熔化是靠热传导进行，因而其熔化深度受到材料导热性的限制，激光能量为表层10～100mm的薄层所吸收，激光照射经过一定的时间后，表面达到熔化，这一熔化温度的等温线向材料深处传播，表面温度继续升高，但最高只能达到汽化温度，再升高温度材料将被破坏，因此用这种方法所能达到的熔化深度受到限制．
2．8．2．3 工艺参数的选择
(1)功率密度的选取 在传导型激光焊接时，采用较低的功率密度，表层温度达到沸点需经历数ms，并在表层汽化前，底层到达熔点，易形成良好的熔融焊接．这样，功率密度的范围一般为104～106W／cm2．
(2)激光脉冲波形的选取 由于大多数金属材料对1．06μm波长的激光，初始时刻的反射率都较高，因此常采用带有前置尖峰的激光脉冲波形，如图2-38所示．利用开始出现的尖峰，迅速改变金属表面状态(即使材料表面温度迅速上升至熔点)，从而使主脉冲来临时，表面反射率较低，光脉冲的能量利用率大大提高．
但在缝焊时，这种波形不宜采用，而应采用光强基本不变的平顶波，或较缓衰减的波形，如图2-39所示．
图2-38 带前置尖峰的激光波形
图2-39 光强基本不变的脉冲波形
在许多微、小型精密零件组装技术中，广泛采用脉冲激光点焊，对那些易产生裂纹的材料，应进行预热与保温处理，当加工元件不允许整体温升至高温，以免破坏原材料的某些特性时，可适当改善波形，使整个元件的加温过程具有预热—加热熔化—保温3个阶段的功能，波形如图2-40所示．
图2-40 具有3个阶段的脉冲波形
(3)激光脉冲宽度的选取 脉宽是脉冲激光焊接的重要参数之一，它既是区别于材料去除和材料熔化的重要参数，也是决定加工设备造价及体积的关键参数，在多数情况下，脉宽的选取可按以下原则．
①根据熔深要求，确定脉宽，若需获得较大的熔深，脉宽应较长，对同一种金属而言，焊好同样厚度的材料，脉宽短，所需热功率密度高，激光参数可焊范围窄，热效率高，增加脉宽，所需热功率密度低，激光参数可焊范围宽，热效率低，且设备体积庞大．
②对于热影响区有严格要求的焊接区域，脉宽由热影响区确定，热影响区的大小与脉宽有关，脉宽越长，热影响区越大，因此，在薄片或薄膜焊接中，除应适当拉长脉宽增加焊接的参数范围以及提高焊接质量的稳定性外，尚需考虑热影响区的大校脉宽的选龋应保证在热影响区所允许的情况下适当增宽．
(4)离焦量的选择 激光焊接通常需要一定的离焦量，因为激光焦点处光斑中心的功率密度过高，容易蒸发成孔．离开激光焦点的各平面上，功率密度分布相对均匀．
离焦方式有正离焦和负离焦两种．焦平面位于工件上方为正离焦，反之为负离焦，在实际应用中，当要求熔深较大时，采用负离焦；当焊接薄材料时，宜采用正离焦．
2．8．2．4 异种金属的激光焊接
焊接不同类型的金属要解决可焊性与可焊参数范围．就一般而言，两种金属焊接，熔区可形成合金结构．若两种材料的熔点、沸点相近，则能形成较为牢固的连接，激光焊接的参数范围也较大．然而，若一种金属熔点比另一种金属沸点还高，则这两种金属形成牢固熔焊的范围很窄，甚至不可能．在这种情况下，如需用激光焊接，可用另一种金属作为过渡层．表2-31示出了采用脉冲激光焊已成功地焊接的异种金属的组合．
表2-31 一些异种金属的激光焊
2．8．2．5 激光焊接工艺方法
(1)片与片间的焊接 采用激光焊接可实现片与片间的焊接．
①对焊，两片金属齐缝放置，激光同时直接照射两片金属．被光照射部分熔化流入缝内与两片金属熔化部分同时凝固，形成焊接区，如图2-41(a)所示，
这种焊接方法由于较易实现，因而常被采用，它要求焊缝间隙校高度差小．在焊缝的间隙小于熔深的15%、高度差小于熔深的25%时，焊接效果较好．大于以上数值，易沿焊缝方向产生裂纹．
②端焊，两片金属重叠放置，激光同时照射上片端部和下片搭接处，在金属的交界处形成熔池，如图2-41(b)所示．
这种方法也常被采用，尤其在气密性缝焊中用得较多．与对焊相比，对工件加工尺寸精度要求低些，较易实现，端焊时要求上、下片压紧，其间隙应小于熔深的25%，应将薄片置于上方．若厚片在上，可将上片端部倒角45°～60°．
③中心穿透熔化焊，这种方法如图2-41(c)所示，两片金属重叠放置，激光仅照射上片，通过热传导方式使光能向上片深处与下片金属传递，形成熔池，采用这种方法焊接，多以薄片为上片．
④中心穿孔熔化焊，这种方法如图2-41(d)所示，焊接方式基本同于中心穿透熔化焊，只是脉冲的前期使材料汽化形成小孔，激光脉冲作用的中期与后期，光通过小孔直接照射材料深处．这种焊接方法多用于上层金属较厚的材料，且适用于点焊，但在气密性缝焊中不宜采用．
图2-41 片与片的焊接方式
(a)对焊；(b)端焊；(c)中心穿透熔化焊；(d)中心插式熔化焊
(2)丝与丝的焊接 细丝间的焊接难度较大，尤其是直径为0．01～0．1mm的细丝焊接，采用脉冲激光点焊已取得良好效果．
①丝与丝对焊 细丝对焊中，其间隙要求甚高，丝越细，间隙要求越小．在实际工作中，这样严格的间隙要求难以保证．为此，可根据不同情况分别采用45°截面对焊(增大接触面积)，如图2-42(a)所示，或先用激光使两丝端部先熔成小球后再对焊，如图2-42(b)所示．
细丝对焊中，应尽量使光斑覆盖细丝接头，且光斑上能量分布均匀，对于直径差距大的两丝对焊，要求光斑直径比细丝大得多，中心偏向粗丝侧，以保证粗、细丝同时熔化．
②交叉焊 两金属丝交叉成十字型，激光照射两金属丝交叉点，使两丝同时熔化，如图2-42(c)所示，若两丝直径不同，应将细丝置于上面，此时用较小的能量就能获得良好的焊接效果．
③平行搭接焊 如图242(d)所示，两金属丝平行放置，激光照射搭接部位，使两丝同时熔化．
④T型焊 此焊接方式类似于交叉焊，但更灵活，除可将丝置成T型、Γ型[如图2-42(e)所示]，激光同时照射两丝形成熔融连接区外，还可根据具体情况采取某些措施，使焊接效果更好，如图2-42(f)所示．
图2-42 丝与丝的焊接方式
(a)(b)细丝对焊；(c)细丝交叉焊；(d)细丝搭接焊；(e)细丝T型焊；(f)尺寸悬殊细丝焊接
(3)金属丝与块状元件的焊接 采用激光焊接可成功地实现金属丝与块状元件的连接，块状元件的尺寸可以任意，在焊接中应注意丝状元件的几何尺寸，图2-43示出了几种焊接方式．
图2-43 金属丝和块状零件的几种连接方式
2．8．2．6 激光钎焊
有些元件的连接不宜采用激光熔焊，但可利用激光作为热源，施行软钎焊与硬钎焊，同样具有激光熔焊的优点．采用钎焊的方式有多种，如表2-32所示，其中，激光软钎焊主要用于印刷电路板的焊接，尤其适用于片状元件组装技术(SMT)，激光硬钎焊在有色金属的连接中优越性较大．已经研究出了银、铜、镍、金和铝为基体材料的激光硬钎焊，均获得了良好的效果．
表2-32 钎焊方法
