激光焊接的研究現狀與展望

激光技術在制造業中的使用是目前各國的研究重點，隨著工業發展對高效、環保、自動化的要，激光技術的使用迅速普及制造業的許多范疇。在此基礎上，激光焊接工藝將成為激光使用的緊要方面之一。

激光焊接是激光出產技術使用的緊要內容，更是21世紀最受矚目、最有發展前景的焊接技術。

早在上世紀末，歐美各國就已把激光焊接充足使用到工業加工中，我國在加快對激光焊接技術的研究與開發的同時，逐步建立起一個產、學、研相結合的發展體制，并在個別范疇有了較大的沖破。

隨著工業制造的發展，高效、敏捷、環保的出產技術將倍受酷愛。激光焊接以其高能束的聚焦方式，在焊接過程中能實現深熔焊、快速焊等其他焊接工藝較難實現的形式，特別是激光焊接設備搭配靈活，實時在線測試技術成熟，使其能夠在大批量加工中實現高度自動化，目前已有大量的激光焊接加工線投入工業加工。

踐行證明，激光焊接在出產業的使用范圍十分廣泛，基本上傳統焊接工藝可以使用的范疇，激光焊接都能勝任，并且焊接質量更高，出產效率更快。

采用激光技術的焊接工藝

激光焊接是利用激光的輻射能量來實現有效焊接的工藝，其工作原理是：通過特定的方式來激勵激光活性介質(如CO2和其他氣體的混合氣體、YAG釔鋁石榴石晶體等)，使其在諧振腔中往復振蕩，從而形成受激輻射光束，當光束與工件接觸時，其能量被工件吸收，在溫度達到材料熔點時便可進行焊接。

1激光焊接的模式

激光焊接可分為熱傳導焊和深熔焊，前者的熱量通過熱傳遞向工件內部擴散，只在焊縫表面出現熔化現象，工件內部沒有完全熔透，基本不出現汽化現象，多用于低速薄壁材料的焊接；后者不但完全熔透材料，還使材料汽化，形成大量等離子體，由于熱量較大，熔池前端會出現匙孔現象。

深熔焊能夠徹底焊透工件，且輸入能量大、焊接速度快，是目前使用最廣泛的激光焊接模式。

2激光焊接的焊縫形狀及組織性能

由于激光器出現的聚焦光斑面積較小，其用途在焊縫周圍的熱影響區也比一般焊接工藝的小得多，且激光焊接一般不需填充金屬，因此焊縫表面繼續平均、成形美觀，無氣孔、裂紋等表面缺陷，非常適合于對焊縫外形要求嚴格的場合。雖然聚焦的面積比較小，但激光束的能量密度大(普遍達103~108W/cm2)。

焊接過程中，金屬被加熱和冷卻的速度非常快，熔池周圍溫度梯度比較大，使其接頭強度往往高于母材，相反地接頭塑性則相對較低。目前，已經可以通過雙焦點技術或復合焊接技術來改善接頭質量。

3激光焊接的優缺點

激光焊接之所以受到如此高的重視，在于其特有的諸多優勢：

①采用激光焊接可以獲得高質量的接頭強度和較大的深寬比，且焊接速度比較快。

②由于激光焊接不需真空環境，因此通過透鏡及光纖，可以實現遠程控制與自動化加工。

③激光具有較大的功率密度，對難焊材料如鈦、石英等有較好的焊接效果，并能對不同性能材料施焊。

當然，激光焊接也存在不足之處：

①激光器及焊接系統各配件的價格較為昂貴，因此初期投資及維護成本比傳統焊接工藝高，經濟效益較差。

②由于固體材料對激光的吸收率較低，特別是在出現等離子體后(等離子體對激光具有吸收用途)，因此激光焊接的轉化效率普遍較低(通常為5%~30%)。

③由于激光焊接的聚焦光斑較小，對工件接頭的裝備精度要求較高，很小的裝備偏差就會出現較大的出產誤差。

隨著激光焊接的普及使用和激光器的商品化加工，激光設備的價格分明下降。而大功率激光器的發展和新型復合焊接方式的研發與運用，使激光焊接轉化效率低的缺點也得到改善，相信不久的未來，激光焊接將逐步代替傳統焊接工藝(如電弧焊和電阻焊)，成為工業焊接的緊要方式。

國內外激光焊接的研究現狀

1激光器的研究現狀

現有的激光器多以CO2激光器、YAG激光器和半導體激光器為主，特別是CO2激光器和Nd：YAG激光器，由于研發較早，技術較完善，在各范疇的使用已經相當廣泛。

其中，CO2激光器屬于氣體激光器，其激光活性介質是碳酸氣、氮氣、氦氣等的混合氣體，發射光的波長為10.6μm，一般以繼續方式工作，電-光轉化效率為10%~30%，其輸出功率一般為0.5~50kW；Nd：YAG激光器屬于固體激光器，其激光活性介質是摻有釹(Nd)的釔-鋁-石榴石(YAG)晶體，發射光的波長為1.06μm，可以用脈沖和繼續2種方式輸出，電-光轉化效率為3%~10%，其輸出功率緊要為0.1~5kW[1]。

雖然Nd：YAG激光器的輸出功率和電-光轉化效率比CO2激光器低得多，但由于其發射光波長較短，材料對其光束的吸收率較高，對高反射率的材料(如鋁合金與銅合金等)具有較好的焊接效果，特別是Nd：YAG激光器可以采用光纖進行傳輸，能夠與機器人出產系統很好匹配，有利于實現遠程控制和自動化加工，因此在激光焊接中占有緊要的地位。

2等離子體控制的研究現狀

眾所周知，等離子體的出現，是激光焊接所面對的最大問題。激光的高能量密度，不但能使金屬熔化，還能使金屬汽化(能量密度超過106W/cm2時)，當汽化后的金屬在空氣中與激光束接觸時，會出現電離現象，大量等離子體便由此出現。

等離子體不但能夠吸收和散射激光束，還能折射激光，使光斑聚焦的位置出現偏離，嚴重影響激光的焊接效果。因此，減少等離子體的出現，是優化激光焊接的最有效方式。

日本的YArata發明了LSSW(激光擺動法)[8]，即光束沿焊接方向迅速地來回擺動，時間控制在匙孔出現后與等離子體出現之前，戒備了等離子體的出現。

3焊接過程自動測試的研究現狀

無論采用哪種焊接工藝，均會出現廢品，目前，工業制造中對產品質量的控制更多的是采用實時監控技術，而不是焊后解決技術。因此焊接過程的實時監控，便成了激光焊接實現自動化的研究重點。

JShao和YYan對激光焊接過程聲信號和光信號的測試進行了系統的闡述，并給出了測試系統的設計辦法。Li和Steen等人設計了一個絕緣噴嘴來測試等離子體的動態電信號，實驗結果聲明：信號的強度隨熔深的增大而加強。

國內高向東等人采用視覺傳感技術，通過計算機圖像解決，有效地提取焊接過程的各種信息，并最終實現自動化控制。

YoungWhanPark等人采用UV和IR檢測器來測試等離子體的紫外線輻射和紅外線輻射，并成功地將UV和IR的輻射信號與焊接質量聯系起來，實現了焊接過程的在線測試。

WSChang和SJNa利用數學模型來研究焊接過程中對熱源控制的緊要性，實驗證明通過對熱源的控制(如聚焦位置、激光功率)能夠有效地評估焊接質量。

SDixon等人則采用電磁聲學轉換器(EMAT)來實現激光焊接過程的超聲波測試，實驗證明材料內部出現的超聲波能夠反應熔深不足、裂痕的出現、氣孔的出現等焊接缺陷。

目前國內外的研究結果顯示：可供激光焊接過程實時測試的信號有聲信號、光信號、電信號、紫外/紅外輻射信號和超聲波信號等。

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