激光焊接技术工艺特点研究现状及应用领域

激光焊接技术工艺特点研究现状及应用领域

发表时间：2019-08-05T16:19:21.577Z 来源：《基层建设》2019年第15期作者：杨星

[导读] 摘要：20世纪60年代，激光的出现是人类史上最重大的科学成果之一，而在激光工艺技术中，激光焊接技术是目前重点发展的技术。

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摘要：20世纪60年代，激光的出现是人类史上最重大的科学成果之一，而在激光工艺技术中，激光焊接技术是目前重点发展的技术。20世纪末，欧美各国已将激光焊接技术在工业制造过程中充分应用。而我国激光焊接技术刚刚起步，其在工业发展的应用还需根据我国的工业发展特点制定出相应的策略。随着工业制造的快速发展，环保、节能、高效、敏捷的加工技术将成为发展重点，而激光焊接技术正是符合这一发展趋势的加工技术，因此它将会成为21世纪最有发展前景的应用技术之一。

1激光焊接技术的工艺特点

相比于传统的焊接工艺，功率密度高，热输入小且集中是激光焊接最突出的特点。这些特点使得被焊金属熔化快，焊接部位的热变形和热影响区小，焊接速度快，从而实现了焊接性能差的金属以及非金属的焊接，甚至异种材料之间的焊接。相比于同样具有高能量密度的电子束工艺，激光焊接可在大气压中进行，无需真空室，因而省去了真空结构设计成本。通过实践经验可知，在同样质量的激光束条件下，激光焊接也可实现单面焊接双面成形，效果与电子束焊接相似。

2激光技术的研究现状

2.1激光器的研究现状

目前，应用较为广泛且技术较为完善的激光器主要有CO2激光器、Nd∶YAG激光器和半导体激光器等。CO2激光器属气体激光器，其激

光活性介质为碳酸气、氮气、氦气等混合气体，其中CO2为产生辐射的气体，氢气和氦气为辅助性的气体，发射光一般以连续的方式工作，波长为10.6μm，电能转化为光能的效率为10%～30%，其输出功率一般为0.5～50kW；世界上第一台激光器所用工作物质为红宝石。而Nd∶YAG激光器属固体激光器，钇铝石榴石（YAG）晶体中加有一定量钕离子（Nd3+）是它的激光活性介质，发射光的工作方式为连续和脉冲，波长为1.06μm，电能转化为光能的效率为3%～10%，其输出功率一般为0.1～5kW。Nd∶YGA激光器的电光转化效率比CO2激光器的低，材料对其光束吸收率高，对高反射效率的材料有较好的焊接效果，特别是Nd∶YAG激光器可用光纤运输，使得其与机器人加工系统匹配方便，这对自动化生产和远程控制的实现有着重要的意义，因此在激光焊接中占据主要地位。

2.2等离子体控制的研究现状

等离子体是不同于固、液、气的物质第四态，它的出现俨然成为激光技术面临的最大问题。激光的高能量密度使金属汽化，在空气中当汽化后的金属与激光接触，出现电离现象便产生了大量的等离子体。等离子体吸收、散射和折射激光束的特点，使光斑聚焦位置偏离，焊接效果直接受到影响。因此，如何控制等离子体是激光优化的最有效方式。

2.3激光焊接过程自动检测的研究现状

激光焊接过程需要实时监控技术对产品的质量进行控制，这是激光焊接技术实现自动化的研究方向。ShaoJ和YanY系统地阐述了在激光焊接过程中对声信号和光信号的检测，并设计了具有可行性的设计方案。Li和Steen等设计了用来检测等离子体动态电信号的绝缘喷嘴。高向东等利用视觉传感技术和图像处理技术，有效地提取了焊接过程中的各种信号，实现了激光焊接技术的自动化控制。YoungWhanPark等通过UV和IR探测器检测等离子的红外线和紫外线辐射，使得焊接过程的在线监测成为可能。ChangWS和SJNa用数学模型论证了热源控制在焊接过程中的重要作用。SDixon等利用电磁学转换器检测焊接过程中的超声波，通过材料内部的超声波来反映焊接缺陷。

3激光焊接技术的应用领域

3.1制造业应用

激光焊接技术的运用可以给汽车制造业带来巨大的经济效益，可以说汽车制造行业是激光焊接技术在制造业中最成功的应用。据相关数据表明，在21世纪初，全球范围内采用剪裁坯板激光拼焊技术生产的汽车生产链条近100条，年产汽车拼焊构件坯板总数约7000万件。国内引进车型passat，Buick等也运用了激光焊接技术，日本成功将YAG激光焊应用于核反应堆中蒸汽发生器细管的维修。

3.2汽车工业应用

在20世纪80年代初，激光焊接技术被欧洲的volvo、Audi、MercedezBenz等汽车厂首次运用到制作卡车底板、加工柱等，随后激光焊接技术便成为了提高汽车质量，加工市场竞争力的一项新技术。日本丰田等汽车公司将激光焊接技术运用到拼接坯板上后，材料的利用率由原来的40%增长到65%，极大地提高了生产成本。据专家预测，现在50%以上的汽车零件可以直接用激光加工，而其中40%为激光焊接技术。汽车装配线上车身的激光焊接和激光切割也代替了传统的电阻焊和修边模等方法。

3.3航空航天工业应用

由于激光焊接相对于电子束、等离子束和传统的焊接方法具有自己独特的优势，比如热影响小、密封性好、适合在真空等特殊环境下进行加工，因而激光焊接技术便成为激光在航空航天领域应用中最广泛的技术之一。21世纪初期激光焊接技术应用于A380大飞机机身的制作。空中客车公司用激光焊接替代铆接，使得机身减重20%，为激光焊接技术在航空领域的应用作出了重大的贡献。

3.4塑料加工应用

尽管激光焊接技术具有其它焊接技术无法比拟的优势，但其进入塑料焊接加工的进程仍然十分缓慢。传统焊接技术主要为热熔焊接、振动摩擦焊接及高频焊，这些方式对结构复杂及加工要求精密的塑料并不能表现较好的焊接效果，而激光焊接技术可达到理想效果。激光焊接塑料也存在一大难题即塑料对激光有较强的吸收性，这将严重影响到焊接效果。目前，国外常用的解决方案是：上、下层分别采用透射率高的塑料和吸收率高的塑料，激光束便能透过上层塑料直接被下层塑料吸收，形成焊接区域。随着塑料代替金属材料的领域越来越广，高精度、污染小、质量好的激光焊接技术便成了塑料加工业的重点研究方向。

4激光焊接技术的最新发展

4.1新型激光器的研发

固体激光器和CO2激光器是当今市场上应用相对广泛的激光器。CO2激光器的光束质量好、消耗气体少、运行稳定可靠、成本低，而