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、自动化的需要， 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， 只在焊缝表面产生熔化现象， 工件内部没有完全熔透， 基本不产生汽化现象， 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 

 

      由于激光器产生的聚焦光斑面积较小， 其作用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， 因此焊缝表面连续均匀、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作用) ， 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产生较大的加工误差。 

 

       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) ，成为工业焊接的主要方式。 

 

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， 一般以连续方式工作，电-光转化效率为10%~30%， 其输出功率一般为0.5~50 kW；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， 可以用脉冲和连续2种方式输出， 电- 光转化效率为3%~10%， 其输出功率主要为0.1~5 kW[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， 是激光焊接所面临的最大问题。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106 W/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产生。

 

       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Y Arata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， 避免了等离子体的产生。 

 

3 焊接过程自动检测的研究现状 

 

       无论采用哪种焊接工艺， 均会产生废品， 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。

 

       J Shao和Y Yan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案。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。

 

      Young Whan Park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。

 

      W S Chang和S J Na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。

 

      S Dixon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， 试验证明材料内部产生的超声波能够反应熔深不足、裂痕的出现、气孔的产生等焊接缺陷。

 

      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。