試論激光焊接技術的研究現狀及發展前景

摘?要：文章從激光焊接技術的技術內涵和工藝特點出發就激光焊接技術在激光器、等離子體控制和自動檢測技術三個方面系統地進行分析，并對激光焊接技術的應用領域進行概括。根據激光焊接技術的特點，對其未來發展方向做出了預測。

關鍵詞：激光焊接;研究現狀;應用;發展

一、 激光技術的研究現狀

（一）激光器的研究現狀

目前，應用較為廣泛且技術較為完善的激光器主要有CO2激光器、Nd∶YAG激光器和半導體激光器等。CO2激光器屬氣體激光器，其激光活性介質為碳酸氣、氮氣、氦氣等混合氣體，其中CO2為產生輻射的氣體，氫氣和氦氣為輔助性的氣體，發射光一般以連續的方式工作，波長為10.6μm，電能轉化為光能的效率為10%～30%，其輸出功率一般為0.5～50kW;世界上第一臺激光器所用工作物質為紅寶石。而Nd∶YAG激光器屬固體激光器，釔鋁石榴石（YAG）晶體中加有一定量釹離子（Nd3+是它的激光活性介質，發射光的工作方式為連續和脈沖，波長為1.06μm，電能轉化為光能的效率為3%～10%，其輸出功率一般為0.1～5kW。Nd∶YGA激光器的電-光轉化效率比CO2激光器的低，材料對其光束吸收率高，對高反射效率的材料有較好的焊接效果，特別是Nd∶YAG激光器可用光纖運輸，使得其與機器人加工系統匹配方便，這對自動化生產和遠程控制的實現有著重要的意義，因此在激光焊接中占據主要地位。雖然集中開發研制設備仍然是CO2激光器，但提高最大輸出功率已不在其中，而光束質量及其聚焦性能的提高才是其核心。

（二）等離子體控制的研究現狀

等離子體是不同于固、液、氣的物質第四態，它的出現儼然成為激光技術面臨的最大問題。激光的高能量密度使金屬汽化，在空氣中當汽化后的金屬與激光接觸，出現電離現象便產生了大量的等離子體。等離子體吸收、散射和折射激光束的特點，使光斑聚焦位置偏離，焊接效果直接受到影響。因此，如何控制等離子體是激光優化的最有效方式。

二、 激光焊接技術的應用領域

（一）制造業應用

激光焊接技術的運用可以給汽車制造業帶來巨大的經濟效益，可以說汽車制造行業是激光焊接技術在制造業中最成功的應用。據相關數據表明，在21世紀初，全球范圍內采用剪裁坯板激光拼焊技術生產的汽車生產鏈條近100條，年產汽車拼焊構件坯板總數約7000萬件。國內引進車型passat，Buick等也運用了激光焊接技術，日本成功將YAG激光焊應用于核反應堆中蒸汽發生器細管的維修。

（二）汽車工業應用

在20世紀80年代初，激光焊接技術被歐洲的volvo、Audi、MercedezBenz等汽車廠首次運用到制作卡車底板、加工柱等，隨后激光焊接技術便成為提高汽車質量，加工市場競爭力的一項新技術。日本豐田等汽車公司將激光焊接技術運用到拼接坯板上后，材料的利用率由原來的40%增長到65%，極大地提高了生產成本。

（三）航空航天工業應用

由于激光焊接相對于電子束、等離子束和傳統的焊接方法具有自己獨特的優勢，比如熱影響小、密封性好、適合在真空等特殊環境下進行加工，因而激光焊接技術便成為激光在航空航天領域應用中最廣泛的技術之一。21世紀初期激光焊接技術應用于A380大飛機機身的制作。空中客車公司用激光焊接替代鉚接，使得機身減重20%，為激光焊接技術在航空領域的應用做出了重大的貢獻。

三、 激光焊接技術的最新發展

（一）新型激光器的研發

固體激光器和CO2激光器是當今市場上應用相對廣泛的激光器。CO2激光器的光束質量好、消耗氣體少、運行穩定可靠、成本低，而固體激光器的使用壽命長，但成本高。新研發激光器有準分子激光器，其單光分子能量更好，并且能夠深入材料內部微觀組織中進行加工，在非放熱效應下，材料的變形率小，這使得激光焊接水平可以大大提高。

（二）雙焦點激光焊接技術

在激光雙焦點焊接中，通過聚焦頭的激光束聚焦到工件表面。獲得高質量焊縫的關鍵是較好的激光聚集性。雙焦點激光焊接技術可在被焊材料上形成兩個間距很小的焦點，兩個焦點的疊加即可提高激光的聚集性和穩定性。雙焦點激光焊接技術不僅能使焊縫的深度提高，也可使焊接的速度加快，因而避免溶洞的出現等問題，現在已成為一種新的激光焊接技術。

（三）復合激光焊接技術

復合激光焊接技術是傳統的焊接技術與激光技術的結合，這種技術具備了二者的雙重優點。發展較為顯著的復合激光焊接技術有激光—電弧焊接技術，激光—電弧復合焊接技術既能充分表現出激光焊和電弧焊各自的優點又能有效地避免各自的不足。它的特點：電弧的加入延長了焊縫凝固時間，稀釋了等離子，有效減少氣孔、裂紋等缺陷，激光與MIG電弧焊復合有效減少焊接裂紋傾向和提高焊縫的力學性能。復合激光焊接技術可實現較大焊縫的焊接，并且使焊縫的韌性進一步提升。

四、 結語

激光焊接技術有很多獨特優勢，如，能量密度高、焊縫窄、不需真空環境和不受導電材料制約等。激光焊接技術不僅廣泛應用于農業、服務業等基礎領域，而且還應用于航天航空、生物醫學等高端領域。目前，激光焊接使用中已出現智能化，極大地推動了高精尖焊接工藝在各個領域的發展?，F在激光焊接技術已成功運用到生物醫學上，未來很可能用到臨床檢測、手術等特殊行業中。激光器的研發、雙焦點激光焊接技術和復合激光技術是激光焊接新的發展方向。

參考文獻：

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作者簡介：趙勁松，男，河北保定人，研究方向：焊接工程。