激光焊接的研究现状与展望

激光技术在制造业中的应用是目前各国的研究重点，随着工业发展对高效、环保、自动化的要，激光技术的应用迅速普及制造业的许多领域。在此基础上，激光焊接工艺将成为激光应用的重要方面之一。

激光焊接是激光加工技术应用的重要内容，更是21世纪最受瞩目、最有发展前景的焊接技术。

早在上世纪末，欧美各国就已把激光焊接充分应用到工业生产中，我国在加快对激光焊接技术的研究与开发的同时，逐步建立起一个产、学、研相结合的发展体制，并在个别领域有了较大的突破。

随着工业制造的发展，高效、敏捷、环保的加工技术将倍受青睐。激光焊接以其高能束的聚焦方式，在焊接过程中能实现深熔焊、快速焊等其他焊接工艺较难实现的形式，特别是激光焊接设备搭配灵活，实时在线检测技术成熟，使其能够在大批量生产中实现高度自动化，目前已有大量的激光焊接生产线投入工业生产。

实践证明，激光焊接在加工业的应用范围十分广泛，基本上传统焊接工艺可以使用的领域，激光焊接都能胜任，并且焊接质量更高，加工效率更快。

采用激光技术的焊接工艺

激光焊接是利用激光的辐射能量来实现有效焊接的工艺，其工作原理是：通过特定的方式来激励激光活性介质(如CO2和其他气体的混合气体、YAG钇铝石榴石晶体等)，使其在谐振腔中往复振荡，从而形成受激辐射光束，当光束与工件接触时，其能量被工件吸收，在温度达到材料熔点时便可进行焊接。

1激光焊接的模式

激光焊接可分为热传导焊和深熔焊，前者的热量通过热传递向工件内部扩散，只在焊缝表面出现熔化现象，工件内部没有完全熔透，基本不出现汽化现象，多用于低速薄壁材料的焊接；后者不但完全熔透材料，还使材料汽化，形成大量等离子体，由于热量较大，熔池前端会出现匙孔现象。

深熔焊能够彻底焊透工件，且输入能量大、焊接速度快，是目前使用最广泛的激光焊接模式。

2激光焊接的焊缝形状及组织性能

由于激光器出现的聚焦光斑面积较小，其用途在焊缝周围的热影响区也比普通焊接工艺的小得多，且激光焊接一般不需填充金属，因此焊缝表面持续均匀、成形美观，无气孔、裂纹等表面缺陷，非常适合于对焊缝外形要求严格的场合。虽然聚焦的面积比较小，但激光束的能量密度大(普遍达103~108W/cm2)。

焊接过程中，金属被加热和冷却的速度非常快，熔池周围温度梯度比较大，使其接头强度往往高于母材，相反地接头塑性则相对较低。目前，已经可以通过双焦点技术或复合焊接技术来改善接头质量。

3激光焊接的优缺点

激光焊接之所以受到如此高的重视，在于其特有的诸多优点：

①采用激光焊接可以获得高质量的接头强度和较大的深宽比，且焊接速度比较快。

②由于激光焊接不需真空环境，因此通过透镜及光纤，可以实现远程控制与自动化生产。

③激光具有较大的功率密度，对难焊材料如钛、石英等有较好的焊接效果，并能对不同性能材料施焊。

当然，激光焊接也存在不足之处：

①激光器及焊接系统各配件的价格较为昂贵，因此初期投资及维护成本比传统焊接工艺高，经济效益较差。

②由于固体材料对激光的吸收率较低，特别是在出现等离子体后(等离子体对激光具有吸收用途)，因此激光焊接的转化效率普遍较低(通常为5%~30%)。

③由于激光焊接的聚焦光斑较小，对工件接头的装备精度要求较高，很小的装备偏差就会出现较大的加工误差。

随着激光焊接的普及应用和激光器的商品化生产，激光设备的价格明显下降。而大功率激光器的发展和新型复合焊接方式的研发与运用，使激光焊接转化效率低的缺点也得到改善，相信不久的将来，激光焊接将逐步代替传统焊接工艺(如电弧焊和电阻焊)，成为工业焊接的重要方式。

国内外激光焊接的研究现状

1激光器的研究现状

现有的激光器多以CO2激光器、YAG激光器和半导体激光器为主，特别是CO2激光器和Nd：YAG激光器，由于研发较早，技术较完善，在各领域的应用已经相当广泛。

其中，CO2激光器属于气体激光器，其激光活性介质是碳酸气、氮气、氦气等的混合气体，发射光的波长为10.6μm，一般以持续方式工作，电-光转化效率为10%~30%，其输出功率一般为0.5~50kW；Nd：YAG激光器属于固体激光器，其激光活性介质是掺有钕(Nd)的钇-铝-石榴石(YAG)晶体，发射光的波长为1.06μm，可以用脉冲和持续2种方式输出，电-光转化效率为3%~10%，其输出功率重要为0.1~5kW[1]。

虽然Nd：YAG激光器的输出功率和电-光转化效率比CO2激光器低得多，但由于其发射光波长较短，材料对其光束的吸收率较高，对高反射率的材料(如铝合金与铜合金等)具有较好的焊接效果，特别是Nd：YAG激光器可以采用光纤进行传输，能够与机器人加工系统很好匹配，有利于实现远程控制和自动化生产，因此在激光焊接中占有重要的地位。

2等离子体控制的研究现状

众所周知，等离子体的出现，是激光焊接所面对的最大问题。激光的高能量密度，不但能使金属熔化，还能使金属汽化(能量密度超过106W/cm2时)，当汽化后的金属在空气中与激光束接触时，会出现电离现象，大量等离子体便由此出现。

等离子体不但能够吸收和散射激光束，还能折射激光，使光斑聚焦的位置出现偏离，严重影响激光的焊接效果。因此，减少等离子体的出现，是优化激光焊接的最有效方式。

日本的YArata发明了LSSW(激光摆动法)[8]，即光束沿焊接方向迅速地来回摆动，时间控制在匙孔出现后与等离子体出现之前，防止了等离子体的出现。

3焊接过程自动检测的研究现状

无论采用哪种焊接工艺，均会出现废品，目前，工业制造中对产品质量的控制更多的是采用实时监控技术，而不是焊后处理技术。因此焊接过程的实时监控，便成了激光焊接实现自动化的研究重点。

JShao和YYan对激光焊接过程声信号和光信号的检测进行了系统的阐述，并给出了检测系统的设计方法。Li和Steen等人设计了一个绝缘喷嘴来检测等离子体的动态电信号，试验结果表明：信号的强度随熔深的增大而增强。

国内高向东等人采用视觉传感技术，通过计算机图像处理，有效地提取焊接过程的各种信息，并最终实现自动化控制。

YoungWhanPark等人采用UV和IR探测器来检测等离子体的紫外线辐射和红外线辐射，并成功地将UV和IR的辐射信号与焊接质量联系起来，实现了焊接过程的在线检测。

WSChang和SJNa利用数学模型来研究焊接过程中对热源控制的重要性，试验证明通过对热源的控制(如聚焦位置、激光功率)能够有效地评估焊接质量。

SDixon等人则采用电磁声学转换器(EMAT)来实现激光焊接过程的超声波检测，试验证明材料内部出现的超声波能够反应熔深不足、裂痕的出现、气孔的出现等焊接缺陷。

目前国内外的研究结果显示：可供激光焊接过程实时检测的信号有声信号、光信号、电信号、紫外/红外辐射信号和超声波信号等。