09.12 2019鄭州機床展｜激光焊接的研究現狀與展望

激光技術在製造業中的應用是目前各國的研究重點， 隨著工業發展對高效、環保、自動化的需要， 激光技術的應用迅速普及製造業的許多領域。在此基礎上， 激光焊接工藝將成為激光應用的重要方面之一。

激光焊接是激光加工技術應用的重要內容， 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分應用到工業生產中， 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， 並在個別領域有了較大的突破。

隨著工業製造的發展， 高效、敏捷、環保的加工技術將倍受青睞。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， 實時在線檢測技術成熟， 使其能夠在大批量生產中實現高度自動化， 目前已有大量的激光焊接生產線投入工業生產。

實踐證明， 激光焊接在加工業的應用範圍十分廣泛， 基本上傳統焊接工藝可以使用的領域， 激光焊接都能勝任，並且焊接質量更高， 加工效率更快。

採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盪， 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， 只在焊縫表面產生熔化現象， 工件內部沒有完全熔透， 基本不產生汽化現象， 多用於低速薄壁材料的焊接；後者不但完全熔透材料， 還使材料汽化， 形成大量等離子體， 由於熱量較大， 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

由於激光器產生的聚焦光斑面積較小， 其作用在焊縫周圍的熱影響區也比普通焊接工藝的小得多， 且激光焊接一般不需填充金屬， 因此焊縫表面連續均勻、成形美觀， 無氣孔、裂紋等表面缺陷， 非常適合於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於母材，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複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， 在於其特有的諸多優點：

① 採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 由於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生產。

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，並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 由於固體材料對激光的吸收率較低， 特別是在出現等離子體後(等離子體對激光具有吸收作用) ， 因此激光焊接的轉化效率普遍較低(通常為5%~30%) 。

③ 由於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產生較大的加工誤差。

隨著激光焊接的普及應用和激光器的商品化生產， 激光設備的價格明顯下降。而大功率激光器的發展和新型複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， 相信不久的將來， 激光焊接將逐步代替傳統焊接工藝(如電弧焊和電阻焊) ，成為工業焊接的主要方式。

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， 由於研發較早， 技術較完善， 在各領域的應用已經相當廣泛。

其中， CO2激光器屬於氣體激光器， 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， 一般以連續方式工作，電-光轉化效率為10%~30%， 其輸出功率一般為0.5~50 kW；Nd： YAG激光器屬於固體激光器， 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， 可以用脈衝和連續2種方式輸出， 電- 光轉化效率為3%~10%， 其輸出功率主要為0.1~5 kW[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， 但由於其發射光波長較短， 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激光器可以採用光纖進行傳輸， 能夠與機器人加工系統很好匹配， 有利於實現遠程控制和自動化生產， 因此在激光焊接中佔有重要的地位。

2 等離子體控制的研究現狀

眾所周知， 等離子體的出現， 是激光焊接所面臨的最大問題。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106 W/cm2時) ，當汽化後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產生。

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Y Arata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後與等離子體出現之前， 避免了等離子體的產生。

3 焊接過程自動檢測的研究現狀

無論採用哪種焊接工藝， 均會產生廢品， 目前，工業製造中對產品質量的控制更多的是採用實時監控技術， 而不是焊後處理技術。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。

J Shao和Y Yan對激光焊接過程聲信號和光信號的檢測進行了系統的闡述， 並給出了檢測系統的設計方案。Li和Steen等人設計了一個絕緣噴嘴來檢測等離子體的動態電信號， 試驗結果表明： 信號的強度隨熔深的增大而增強。

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

Young Whan Park等人採用UV和IR探測器來檢測等離子體的紫外線輻射和紅外線輻射， 併成功地將UV和IR的輻射信號與焊接質量聯繫起來， 實現了焊接過程的在線檢測。

W S Chang和S J Na利用數學模型來研究焊接過程中對熱源控制的重要性， 試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。

S Dixon等人則採用電磁聲學轉換器( EMAT) 來實現激光焊接過程的超聲波檢測， 試驗證明材料內部產生的超聲波能夠反應熔深不足、裂痕的出現、氣孔的產生等焊接缺陷。

目前國內外的研究結果顯示： 可供激光焊接過程實時檢測的信號有聲信號、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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