試論激光焊接技術(shù)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展前景

摘?要：文章從激光焊接技術(shù)的技術(shù)內(nèi)涵和工藝特點(diǎn)出發(fā)就激光焊接技術(shù)在激光器、等離子體控制和自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)三個(gè)方面系統(tǒng)地進(jìn)行分析，并對(duì)激光焊接技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行概括。根據(jù)激光焊接技術(shù)的特點(diǎn)，對(duì)其未來發(fā)展方向做出了預(yù)測(cè)。

關(guān)鍵詞：激光焊接;研究現(xiàn)狀;應(yīng)用;發(fā)展

一、 激光技術(shù)的研究現(xiàn)狀

（一）激光器的研究現(xiàn)狀

目前，應(yīng)用較為廣泛且技術(shù)較為完善的激光器主要有CO2激光器、Nd∶YAG激光器和半導(dǎo)體激光器等。CO2激光器屬氣體激光器，其激光活性介質(zhì)為碳酸氣、氮?dú)狻⒑獾然旌蠚怏w，其中CO2為產(chǎn)生輻射的氣體，氫氣和氦氣為輔助性的氣體，發(fā)射光一般以連續(xù)的方式工作，波長為10.6μm，電能轉(zhuǎn)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(tái)激光器所用工作物質(zhì)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(zhì)，發(fā)射光的工作方式為連續(xù)和脈沖，波長為1.06μm，電能轉(zhuǎn)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(zhuǎn)化效率比CO2激光器的低，材料對(duì)其光束吸收率高，對(duì)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(yùn)輸，使得其與機(jī)器人加工系統(tǒng)匹配方便，這對(duì)自動(dòng)化生產(chǎn)和遠(yuǎn)程控制的實(shí)現(xiàn)有著重要的意義，因此在激光焊接中占據(jù)主要地位。雖然集中開發(fā)研制設(shè)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(zhì)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(xiàn)狀

等離子體是不同于固、液、氣的物質(zhì)第四態(tài)，它的出現(xiàn)儼然成為激光技術(shù)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(dāng)汽化后的金屬與激光接觸，出現(xiàn)電離現(xiàn)象便產(chǎn)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(diǎn)，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(yōu)化的最有效方式。

二、 激光焊接技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域

（一）制造業(yè)應(yīng)用

激光焊接技術(shù)的運(yùn)用可以給汽車制造業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益，可以說汽車制造行業(yè)是激光焊接技術(shù)在制造業(yè)中最成功的應(yīng)用。據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)表明，在21世紀(jì)初，全球范圍內(nèi)采用剪裁坯板激光拼焊技術(shù)生產(chǎn)的汽車生產(chǎn)鏈條近100條，年產(chǎn)汽車拼焊構(gòu)件坯板總數(shù)約7000萬件。國內(nèi)引進(jìn)車型passat，Buick等也運(yùn)用了激光焊接技術(shù)，日本成功將YAG激光焊應(yīng)用于核反應(yīng)堆中蒸汽發(fā)生器細(xì)管的維修。

（二）汽車工業(yè)應(yīng)用

在20世紀(jì)80年代初，激光焊接技術(shù)被歐洲的volvo、Audi、MercedezBenz等汽車廠首次運(yùn)用到制作卡車底板、加工柱等，隨后激光焊接技術(shù)便成為提高汽車質(zhì)量，加工市場(chǎng)競爭力的一項(xiàng)新技術(shù)。日本豐田等汽車公司將激光焊接技術(shù)運(yùn)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(chǎn)成本。

（三）航空航天工業(yè)應(yīng)用

由于激光焊接相對(duì)于電子束、等離子束和傳統(tǒng)的焊接方法具有自己獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，比如熱影響小、密封性好、適合在真空等特殊環(huán)境下進(jìn)行加工，因而激光焊接技術(shù)便成為激光在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用中最廣泛的技術(shù)之一。21世紀(jì)初期激光焊接技術(shù)應(yīng)用于A380大飛機(jī)機(jī)身的制作?？罩锌蛙嚬居眉す夂附犹娲T接，使得機(jī)身減重20%，為激光焊接技術(shù)在航空領(lǐng)域的應(yīng)用做出了重大的貢獻(xiàn)。

三、 激光焊接技術(shù)的最新發(fā)展

（一）新型激光器的研發(fā)

固體激光器和CO2激光器是當(dāng)今市場(chǎng)上應(yīng)用相對(duì)廣泛的激光器。CO2激光器的光束質(zhì)量好、消耗氣體少、運(yùn)行穩(wěn)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(fā)激光器有準(zhǔn)分子激光器，其單光分子能量更好，并且能夠深入材料內(nèi)部微觀組織中進(jìn)行加工，在非放熱效應(yīng)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(diǎn)激光焊接技術(shù)

在激光雙焦點(diǎn)焊接中，通過聚焦頭的激光束聚焦到工件表面。獲得高質(zhì)量焊縫的關(guān)鍵是較好的激光聚集性。雙焦點(diǎn)激光焊接技術(shù)可在被焊材料上形成兩個(gè)間距很小的焦點(diǎn)，兩個(gè)焦點(diǎn)的疊加即可提高激光的聚集性和穩(wěn)定性。雙焦點(diǎn)激光焊接技術(shù)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(xiàn)等問題，現(xiàn)在已成為一種新的激光焊接技術(shù)。

（三）復(fù)合激光焊接技術(shù)

復(fù)合激光焊接技術(shù)是傳統(tǒng)的焊接技術(shù)與激光技術(shù)的結(jié)合，這種技術(shù)具備了二者的雙重優(yōu)點(diǎn)。發(fā)展較為顯著的復(fù)合激光焊接技術(shù)有激光—電弧焊接技術(shù)，激光—電弧復(fù)合焊接技術(shù)既能充分表現(xiàn)出激光焊和電弧焊各自的優(yōu)點(diǎn)又能有效地避免各自的不足。它的特點(diǎn)：電弧的加入延長了焊縫凝固時(shí)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(fù)合有效減少焊接裂紋傾向和提高焊縫的力學(xué)性能。復(fù)合激光焊接技術(shù)可實(shí)現(xiàn)較大焊縫的焊接，并且使焊縫的韌性進(jìn)一步提升。

四、 結(jié)語

激光焊接技術(shù)有很多獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，如，能量密度高、焊縫窄、不需真空環(huán)境和不受導(dǎo)電材料制約等。激光焊接技術(shù)不僅廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、服務(wù)業(yè)等基礎(chǔ)領(lǐng)域，而且還應(yīng)用于航天航空、生物醫(yī)學(xué)等高端領(lǐng)域。目前，激光焊接使用中已出現(xiàn)智能化，極大地推動(dòng)了高精尖焊接工藝在各個(gè)領(lǐng)域的發(fā)展?，F(xiàn)在激光焊接技術(shù)已成功運(yùn)用到生物醫(yī)學(xué)上，未來很可能用到臨床檢測(cè)、手術(shù)等特殊行業(yè)中。激光器的研發(fā)、雙焦點(diǎn)激光焊接技術(shù)和復(fù)合激光技術(shù)是激光焊接新的發(fā)展方向。

參考文獻(xiàn)：

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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。