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深度了解雷射焊接：什麼使這個技術如此精確和高效？
雷射焊接（Laser Beam Welding，簡稱LBW）是一種使用雷射來焊接金屬或熱塑性材料的技術。與傳統焊接方法相比，這種方法的關鍵在於其能夠提供集中且強大的熱源，進而達成窄而深的焊接效果，焊接速度也相對較快。LBW通常用於高需求的精密應用，並在汽車和航空業中受到廣泛應用。它主要依賴於關鍵孔模式或穿透模式焊接。
作業原理
雷射焊接和電子束焊接（EBW）都具備高功率密度，達到1 MW/cm²的等級，因此熱影響區域小，且加熱和冷卻速度快。雷射的焦點大小範圍介於0.2 mm至13 mm之間，不過焊接時只會使用較小的大小。焊接深度與供應的功率量成正比，但也依賴於焦點的位置：當焦點稍微位於工件表面下方時，穿透力達到最大。根據應用需求，可以使用連續或脈衝雷射。毫秒級的脈衝適合用於焊接薄材料，如剃須刀，而連續雷射系統則用于深焊接。
LBW是一種多功能的過程，能夠焊接碳鋼、高強度低合金鋼、不鏽鋼、鋁和鈦材料。
由於冷卻速率極快，在焊接高碳鋼時可能會出現裂紋。LBW的焊接品質高，與電子束焊接的品質相當。焊接速度除了取決於供應的功率量外，也與工件的種類和厚度有關。由於氣體雷射的高功率能力，使得LBW特別適合於大批量的應用。尤其在汽車產業中，LBW的應用尤為突出。
設備及自動化
雷射焊接系統雖然可以手工操作，但大多數系統都是自動化，並依賴於基於計算機輔助設計（CAD）所構建的計算機輔助製造（CAM）系統。雷射焊接還可以與銑削聯合使用以形成成品。在2016年，RepRap項目擴展至開發開源的雷射焊接系統，這些系統已被充分表徵，並可以在廣泛的應用中使用，同時降低傳統製造成本。
雷射技術
雷射焊接中常用的兩種雷射類型是固態雷射（尤其是紅寶石雷射和Nd:YAG雷射）及氣體雷射。固態雷射使用多種固態媒介，包括合成紅寶石（含鋁氧化物中的鉻）、玻璃中的釹（Nd:glass）及最常用的釹鋯鈦石（Nd:YAG）。氣體雷射則使用如氦、氮及二氧化碳（CO2雷射）等氣體混合物作為媒介。當媒介被激發時，會發射光子並形成雷射束。
雷射束的傳遞方式
現代雷射焊接機器可分為兩種類型。傳統型是將雷射輸出移動以跟隨焊接接縫，通常由機器人達成。在許多現代應用中，則使用遠程雷射束焊接。這一方法使用雷射掃描器沿接縫移動雷射束，這樣機器人臂不再需要跟隨接縫，從而提高了焊接過程的速度和精度。
熱建模與焊接過程
脈衝雷射焊接比連續波雷射焊接具有一些優勢，例如更低的孔隙率和較少的飛濺，但也存在引發鋁合金熱裂紋等缺點。對於脈衝雷射焊接過程的熱分析可以協助預測焊接參數，如熔融深度、冷卻速率及殘余應力。由於脈衝雷射過程的複雜性，必須採用包括數學模型構建、熱循環計算及驗證在內的開發周期。
理解吸收效率是計算熱效應的關鍵。
未來的展望
隨著技術的進步，雷射焊接在各種行業的應用將會越來越普遍。這不僅改變了傳統焊接方式的面貌，也推動了製造業向更高效、更精確的方向發展。在凸顯工業自動化進程的當下，雷射焊接技術的持續改進無疑是未來製造業的重要趨勢之一。你是否已經考慮到這項技術可能為你的行業帶來的變革？
