21 世紀(jì)是現(xiàn)代科技高速發(fā)展的時(shí)代，而激光技術(shù)作為目前時(shí)代發(fā)展中人們所最為矚目焦點(diǎn)之一，在各領(lǐng)域起著極其重要的作用。激光焊接技術(shù)將激光應(yīng)用到焊接中，始于二十世紀(jì)六十年代并被快速應(yīng)用到各個(gè)工業(yè)部門中，成為工業(yè)技術(shù)進(jìn)步的產(chǎn)物，該技術(shù)在焊縫寬度、質(zhì)量，焊接速度、變形、效率、焊接控制度、定位精確度等方面存在著其他熔化焊接技術(shù)無法比擬的優(yōu)勢，被廣泛應(yīng)用到航空航天、汽車、船舶、生物醫(yī)療等領(lǐng)域中。

2、激光焊接技術(shù)

2.1 激光焊接含義

激光焊接是一種材料加工技術(shù)，利用原子受激輻射原理，使工作物質(zhì)（激光材料）受激而產(chǎn)生一種單色性好、方向性強(qiáng)、強(qiáng)度很高的激光束，聚焦后激光束最高能量密度可達(dá)1013 W/cm2，在千分之幾秒甚至更短時(shí)間內(nèi)激光被金屬吸收后再轉(zhuǎn)化成熱能，最終熔化后的金屬經(jīng)冷卻結(jié)晶實(shí)現(xiàn)金屬材料的連接。

2.2 激光焊接分類

按激光器輸出能量方式不同，激光焊接可分為連續(xù)激光焊和脈沖激光焊。連續(xù)激光焊在焊接過程中形成的是連續(xù)的不間斷的焊縫形貌，而脈沖激光焊則由于輸入到焊件表面的能量是間斷不連續(xù)的，因此每個(gè)脈沖光斑作用到焊接工件表面則形成一個(gè)圓形焊點(diǎn)，根據(jù)其激光器參數(shù)的變化可得到不同形貌的焊縫。

按激光聚焦后光斑功率密度的不同，激光焊可分為熱導(dǎo)焊和深熔焊

1）激光熱導(dǎo)焊

激光熱導(dǎo)焊作用在工件表面的光斑功率密度較低，一般小于105W/cm2。激光將能量輸送到焊接工件表面，使得金屬表面加熱到熔點(diǎn)與沸點(diǎn)之間。金屬材料表面將所吸收的光能轉(zhuǎn)化為熱能使其金屬表面溫度不斷升高而熔化，再以熱傳導(dǎo)方式將熱能傳向金屬內(nèi)部，使熔化區(qū)域逐漸擴(kuò)大，冷卻后形成焊點(diǎn)或焊縫，這種焊接原理類似于鎢極氬弧焊（TIG），被稱為熱導(dǎo)焊。

熱導(dǎo)焊工作原理

2）激光深熔焊（小孔焊）

當(dāng)作用到金屬表面的激光功率密度大于105W/cm2時(shí)，高功率的激光束作用到金屬材料表面引起局部熔化并形成“小孔”，激光束通過“小孔”深入到熔池內(nèi)部，而金屬則在小孔前方熔化，熔融金屬繞過小孔流向后方，重新凝固后形成焊縫。

深熔焊工作原理

2.3激光焊接特點(diǎn)

隨著高功率激光器的研制和開發(fā)，激光焊接技術(shù)被廣泛應(yīng)用到多個(gè)領(lǐng)域中，主要是因?yàn)槠渚哂幸韵聨讉€(gè)特點(diǎn)：

1）深度深、速度快、變形小。

采用激光焊接進(jìn)行工件連接時(shí)，被焊接工件的連接間隙幾乎沒有，同時(shí)焊接的深寬比大，焊后變形小，熱影響區(qū)小，精度高。

2）焊接裝置簡單靈活、能在室溫或特殊條件下進(jìn)行焊接，對(duì)焊接環(huán)境要求不高。

3）功率密度大

激光焊接具有相當(dāng)大的熔深，功率密度大，可焊接難熔材料，如鈦合金等。

3、激光焊接激光器

用于焊接的主要有CO2激光器、Nd:YAG激光器、光纖激光器以及半導(dǎo)體激光器。

CO2激光器是一種氣體激光器，光束為遠(yuǎn)紅外光，波長為10.6μm，一般以連續(xù)方式工作，具有較高的輸出功率，廣泛的應(yīng)用在大功率激光焊接中。當(dāng)CO2激光器以10 kW以上大功率進(jìn)行焊接時(shí)，若使用氬氣保護(hù)氣體，常誘發(fā)很強(qiáng)的等離子體，使熔深變淺。因此，CO2激光大功率焊接時(shí)，常使用不產(chǎn)生等離子體的氦氣作為保護(hù)氣體。

光纖激光器主要用于為了保證穩(wěn)定性對(duì)焊點(diǎn)要求很高的厚度較薄材料的搭焊中。采用搭焊焊接可以以較高的速度獲得熔深達(dá)到0.01in甚至高于0.01in的焊縫；200W單模式光纖激光器在高達(dá)50in/s速度下可以獲得0.004in的熔深。

Nd: YAG激光器是一種固體激光器，產(chǎn)生的光束主要是近紅外光，波長為1.06μm，熱導(dǎo)體對(duì)這種波長的光吸收率較高，可以以連續(xù)和脈沖兩種方式輸出，在關(guān)鍵部件焊接領(lǐng)域具有一定的競爭力。

半導(dǎo)體激光器具有質(zhì)量小、轉(zhuǎn)換效率高、運(yùn)行成本低和壽命長的特點(diǎn)，是未來激光器發(fā)展的重要方向之一。國內(nèi)外學(xué)者已開始利用大功率半導(dǎo)體激光器進(jìn)行鋁合金的焊接研究。由于半導(dǎo)體激光器波長較短，金屬對(duì)其的吸收率比CO2激光和Nd: YAG激光要高的多，因此在焊接領(lǐng)域有很好的應(yīng)用前景。但是，半導(dǎo)體激光器照射到材料表面的功率密度低，在進(jìn)行激光焊接時(shí)較適用于薄板焊接及電子元器件焊接等。

4、激光焊接應(yīng)用領(lǐng)域

1）航空航天

激光焊接所具有的優(yōu)點(diǎn)使得激光焊接可用于飛機(jī)大蒙皮的拼接、長桁與蒙皮的連接以及機(jī)身附件（如腹鰭和翼盒）的裝配。近年來，激光焊接技術(shù)被用于取代傳統(tǒng)的鉚釘進(jìn)行鋁合金飛機(jī)機(jī)身的制造，實(shí)現(xiàn)飛機(jī)機(jī)身減重近20%，強(qiáng)度提高近20%。德國宇航公司MBB將激光焊接用于飛機(jī)機(jī)身、機(jī)翼與內(nèi)隔板和加強(qiáng)筋的全部連接，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鉚接工藝。空客公司A340飛機(jī)的全部鋁合金內(nèi)隔板均采用激光焊接，減輕了機(jī)身重量，降低了制造成本，隨后又將該技術(shù)推廣應(yīng)用到A318、A380飛機(jī)。同時(shí)，進(jìn)氣道、波紋管、輸油管道、變截面導(dǎo)管和異形封閉件等薄壁零件的制造中也廣泛采用激光焊接技術(shù)。

激光焊接蒙皮與長桁

2）汽車

汽車制造的規(guī)模化發(fā)展已成為一個(gè)重要趨勢，在汽車制造業(yè)中，激光拼焊技術(shù)是最成功、效益最明顯的一項(xiàng)連接技術(shù)。世界上著名的汽車公司都采用激光拼焊技術(shù)，應(yīng)用在越來越多的汽車結(jié)構(gòu)件中，例如車門內(nèi)板、保險(xiǎn)杠和中立柱，以及前縱梁、減震器支座和橫梁等重要部件。激光焊接技術(shù)的廣泛應(yīng)用，使得焊接環(huán)節(jié)的工作效率大大提高，從而達(dá)到汽車制造過程中優(yōu)化效率的目的。這種焊接技術(shù)的興起在20世紀(jì)80年代，克萊斯勒公司、通用公司、福特公司等最先將激光焊接技術(shù)應(yīng)用到汽車制造中，而激光焊接技術(shù)帶來的高效率、高質(zhì)量、低成本，成為美國汽車制造技術(shù)在世界領(lǐng)先地位的保障。隨著新型鎂、鋁等材料在汽車制造中的應(yīng)用，對(duì)于焊接技術(shù)的要求也越來越高，激光焊接技術(shù)不但可以減少鎂、鋁化合物的產(chǎn)生，延長使用壽命，滿足功能要求，同時(shí)也兼顧了美觀。

 
激光焊接汽車蒙皮及骨架

3）船舶

20世紀(jì)90年代中期，激光以重工業(yè)制造工具的身份被應(yīng)用到造船領(lǐng)域。隨著大型艦船制造工藝變革的逐步深入（從鉚接轉(zhuǎn)變成焊接），焊接工藝、焊接方法、焊接設(shè)備也隨之發(fā)生改變，即傳統(tǒng)的氣焊、電弧焊接已逐步被激光焊接所取代，此外船舶設(shè)計(jì)與造船材料也隨著造船技術(shù)的進(jìn)步而發(fā)生著重大變化。目前歐洲某些大型船廠開始大量引進(jìn)激光加工技術(shù)，其中激光加工技術(shù)是指大功率激光焊接技術(shù)（功率＞10 kW）及激光切割技術(shù)，同時(shí)開發(fā)大量的大功率光纖激光工業(yè)加工設(shè)備。船舶由很多部分組成，適合進(jìn)行激光焊接的部位主要是船舶甲板和艙壁。

激光焊接船舶面板

4）生物醫(yī)學(xué)

在生物組織方面，采用激光焊接技術(shù)將輸卵管與血管的成功連接起來，促使世界范圍內(nèi)各種生物組織的成功焊接與技術(shù)推廣；在神經(jīng)方面，激光波長、計(jì)量、膽總管等部分的成功焊接表明激光焊接技術(shù)在此方面亦發(fā)揮了較大的功效；在激光焊接縫合方面，其具有吻合速度快、愈合無異常反應(yīng)等特點(diǎn)。

5、總結(jié)

激光焊接技術(shù)作為一種實(shí)效性較強(qiáng)的高精尖焊接技術(shù)，以其特有的優(yōu)勢在多個(gè)領(lǐng)域的發(fā)展中均取得了較為矚目的成績，隨著技術(shù)的發(fā)展與研究力度的加大相信其必能作用到更多領(lǐng)域的發(fā)展中，從而推動(dòng)工業(yè)以及社會(huì)的不斷進(jìn)步。

作者：孫茜 王曉南 陳長軍 張敏 胡增榮