探討激光焊接技術

摘 要：隨著現代技術的不斷發展，焊接技術也隨之得到不斷的加強與創新，激光焊接作為一種新型的焊接技術在汽車制造業、電子工業、生物醫學、造船、航天等各個領域都被廣泛的應用。本文就激光焊接技術的現狀及應用領域進行分析，以供同行參考。

關鍵詞：激光焊接 現狀 應用領域

中圖分類號：TG44文獻標識碼：A文章編號：1674-098X（2012）09（b）-0069-02

1 激光技術焊接工藝及工作原理

激光焊接是通過利用激光的輻射能量的方式實現高效焊接的一種工藝，其工作原理是：通過特定的方法來激發起激光活性介質，令其在諧振腔中往返振蕩，進而轉化成受激輻射光束，當光束和工件相互接觸時，其能量則被工件全部吸收，當在溫度高達材料的熔點時即可進行焊接[1]。

2 激光焊接的焊縫形狀與組織性能

由于激光器形成的聚焦光斑的面積都比較小，其作用在焊縫四周的熱影響區比較小，無法與普通焊接工藝相比，而且激光焊接通常不用填充金屬，因此焊縫表面均勻、美觀，沒有氣孔、裂紋等缺陷，對于焊接外形嚴格的場合來說，激光焊接十分適用。盡管聚焦的面積相對較小，但是激光束的能量密度非常大，一般都能達到103～108W/cm2。在焊接過程中，金屬可迅速被加熱或者冷卻，熔池周邊的溫度梯度也比較大，促使其接頭強度通常會比母材高，反之接頭的塑性則比較低。目前來說已經研制出新的技術改善接頭質量，例如通過雙焦點技術或者復合焊接技術來實現。

3 激光焊接技術的優缺點

激光焊接受到高度重視的原因是本身具備眾多優點：（1）激光焊接可以確保高質量的接頭強度以及較大的深寬比，而且焊接速度非常快。（2）由于激光焊接不用在真空環境中進行，因此可以利用透鏡與光纖方式實現遠程控制以及自動化生產。（3）激光的功率密度很大，對焊接難度大的鈦、石英等具有很好的效果，而且可以對不同性能的材料進行焊接。當然，激光焊接也有一些缺點：（1）激光器與焊接系統相關配件比較昂貴，導致初期投資與維護成本則相對較高。（2）固體材料吸收激光的效率比較低，因此激光焊接的轉化效率都偏低，一般是5%—30%。3激光焊接的聚焦光斑比較小，對于工件接頭的裝備精度就比較高，焊接時可能會出現偏差，導致加工誤差[2]。隨著激光焊接的不斷普及應用，激光設備的價格也會不斷下降，而激光焊接轉化效率偏低的缺點也會得到更好的改善，不久的將來，激光焊接則會逐漸取代傳統的焊接工藝，成為工業焊接的主要方式。

4 國內激光焊接技術的現狀

目前，我國的激光設備和生產單位大都是生產kW級別的CO2激光設備1kW以下的固體YAG激光設備。激光焊接主要研究方向是激光焊接等離子體產生的機理、特性分析與檢測、深熔激光焊接的模擬、激光電弧復合熱源的應用、激光堆焊接、超級鋼焊接等等。清華大學彭云等詳細研究超細晶粒鋼的焊接性以及激光焊接的相關特點，同時實施了兩種超細晶粒鋼的激光焊接試驗：400MPa與800MPa，同時和等離子弧、MAG焊接進行了比較。

無論是碳鋼或者經過合金強化的高強度鋼，亦或經過特殊冶金加工的高強度鋼，在加熱與冷卻速度非常迅速的激光焊條件下，接頭的硬度遠遠高于母材，導致接頭容易出現裂紋；同時激光的再熱作用也會導致HAZ形成軟化區。目前，高強度鋼激光焊接性能的研究依然缺乏，其應用數據明顯不足，需要進行更深的研究。

5 激光焊接技術的應用

5.1 制造行業的應用

目前，激光焊接的應用領域非常廣，例如制造業、粉末冶金領域、汽車工業、電子工業、生物醫學、造船工業等等。

5.2 粉末冶金領域的應用

由于粉末冶金材料的性能相對特殊，而且制造優點比較突出，在一些領域上例如汽車制造、航空以及工具刃具制造業中，正在逐漸取代傳統的冶金材料。隨著粉末冶金材料的不斷發展，其與其他零件之間的連接問題不斷凸顯，導致粉末冶金材料在這些領域的應用受到很大的限制。在20世紀80年代初期，激光焊接的獨特優勢受到粉末冶金材料加工領域的廣泛關注與應用，較好地解決了上述問題，為粉末冶金材料的應用打開了新的方向，通過激光焊接顯著提高了焊接強度與耐高溫性能[3]。

5.3 汽車工業的應用

激光焊接廣泛地應用于汽車領域，例如德國的奧迪、奔馳、大眾，瑞典的沃爾沃等國外的汽車制造廠早已在20世紀80年代就率先使用這一技術，將激光焊接引用到車頂、車身以及側框等鈑金的焊接；到了20世紀90年代，美國的通用、福特以及克萊斯勒汽車公司也相繼引入激光焊接，雖然起步稍晚，但是其發展速度非常快。日本的本田、豐田等汽車公司也相繼在車身上運用了激光焊接與切割工藝。高強鋼激光焊接裝配件由于性能十分優良，因此被廣泛應用于汽車車身制造，隨后激光焊接則被快速應用到汽車部件的制造當中，例如變速箱齒輪、半軸、傳動軸、散熱器等等，并且逐漸成為汽車零部件制造的標準工藝[4]。而我國科研院所在某些特色領域上也獲得優異的成績。隨著我國汽車工業的蓬勃發展，激光焊接技術必定在將來的汽車制造領域中獲得更加優異的成果。

5.4 電子工業的應用

激光焊接在電子工業中也被廣泛的應用，尤其是微電子工業，在集成電路以及半導體器件殼體的封裝中，表現出巨大的、獨特的優越性。激光焊接也被引用到了真空器件的研發當中，例如鉬聚焦極和不銹鋼支持環、快熱陰極燈絲組件等等。例如傳感器或者溫控器中的彈性薄壁波紋片的厚度在0.05～0.1mm范圍之內，傳統焊接方法很難實現，采取TIG焊極易焊穿，而且等離子的穩定性比較差，影響因素又很多，因而選擇激光焊接的效果比較好，可以有效解決上訴問題。

5.5 生物醫學的應用

激光焊接開始應用于生物組織的時間是20世紀70年代，Klink等采用激光焊接輸卵管與血管的成功，展現出了激光焊接巨大的優越性，促使更多研究人員開始嘗試焊接各類生物組織，并且將其引用到其他組織的焊接。而激光焊接神經方面是目前國內外生物醫學研究的主要方向，并且集中于激光波長、劑量、功能的恢復等這些方面進行研究。激光焊接是一種新型的焊接牙科合金的技術，經過多年的設備研究與改進，技術得以不斷更新，在口腔修復領域的應用日益增多，逐漸走向成熟。

5.6 造船工業的應用

造船業是激光焊接應用當中另一個重要的領域，造船最主要的工藝就是焊接，采用激光焊接可以獲得高強度的焊件，進而在設計上可以大大縮減所用材料的厚度，實現輕重量、高強度的要求。美國經過計算得出這樣的結論，航空母艦如果采用激光焊接技術制造可以大大地減輕重量200t。實際上，目前歐洲的大型游輪的建造當中，激光焊接的應用已經達到了20%，而近期的目標更是高達50%左右。另外，海洋平臺、潛艇的結構件也已經廣泛應用了激光焊接[5]。隨著現代焊接工藝以及技術的進一步發展，激光焊接技術發展潛力十分巨大，其前景必然非常廣闊，國內外技術研究部門必須堅持不懈地研究與探索，才能不斷地促進激光焊接技術的進一步發展。

6 結語

激光焊接技術是一項綜合性比較強的技術，集中了激光技術、焊接技術、自動化技術、材料技術、機械制造技術以及產品設計。汽車工業對于焊接質量的要求非常高，而激光焊接本身具有高能量密度、深穿透力、精度高、適應性強等等優勢，使其在汽車工業中發揮著巨大的優勢，不僅其生產率遠遠高于傳統焊接，而且焊接質量也十分顯著。激光焊接技術必將逐漸取代電弧焊、電阻焊等傳統焊接方式。因此，今后激光焊接技術將會得到更加廣泛地應用，必將在材料連接領域起到越來越重要的作用。

參考文獻

[1]陸斌鋒，蘆鳳桂，唐新華，等.激光焊接工藝的現狀與進展.焊接，2008（4）：53.

[2]馬濤，黃升.激光焊接技術.柳鋼科技，2011（6）：57.

[3]張文舉.淺析激光焊接技術的工藝與方法.黑龍江科技信息，2011（2）：67.

[4]游德勇，高向東.激光焊接技術的研究現狀與展望.焊接技術，2008（8）：8.

[5]張文毓.激光焊接技術的研究現狀與應用.新技術新工藝，2009（1）：50.