激光技術(shù)在制造業(yè)中的應(yīng)用是目前各國(guó)的研究重點(diǎn)，隨著工業(yè)發(fā)展對(duì)高效、環(huán)保、自動(dòng)化的要，激光技術(shù)的應(yīng)用迅速普及制造業(yè)的許多領(lǐng)域。在此基礎(chǔ)上，激光焊接工藝將成為激光應(yīng)用的重要方面之一。

激光焊接是激光加工技術(shù)應(yīng)用的重要內(nèi)容，更是21世紀(jì)最受矚目、最有發(fā)展前景的焊接技術(shù)。

早在上世紀(jì)末，歐美各國(guó)就已把激光焊接充分應(yīng)用到工業(yè)生產(chǎn)中，我國(guó)在加快對(duì)激光焊接技術(shù)的研究與開(kāi)發(fā)的同時(shí)，逐步建立起一個(gè)產(chǎn)、學(xué)、研相結(jié)合的發(fā)展體制，并在個(gè)別領(lǐng)域有了較大的突破。

隨著工業(yè)制造的發(fā)展，高效、敏捷、環(huán)保的加工技術(shù)將倍受青睞。激光焊接以其高能束的聚焦方式，在焊接過(guò)程中能實(shí)現(xiàn)深熔焊、快速焊等其他焊接工藝較難實(shí)現(xiàn)的形式，特別是激光焊接設(shè)備搭配靈活，實(shí)時(shí)在線檢測(cè)技術(shù)成熟，使其能夠在大批量生產(chǎn)中實(shí)現(xiàn)高度自動(dòng)化，目前已有大量的激光焊接生產(chǎn)線投入工業(yè)生產(chǎn)。

實(shí)踐證明，激光焊接在加工業(yè)的應(yīng)用范圍十分廣泛，基本上傳統(tǒng)焊接工藝可以使用的領(lǐng)域，激光焊接都能勝任，并且焊接質(zhì)量更高，加工效率更快。

采用激光技術(shù)的焊接工藝

激光焊接是利用激光的輻射能量來(lái)實(shí)現(xiàn)有效焊接的工藝，其工作原理是：通過(guò)特定的方式來(lái)激勵(lì)激光活性介質(zhì)(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(fù)振蕩，從而形成受激輻射光束，當(dāng)光束與工件接觸時(shí)，其能量被工件吸收，在溫度達(dá)到材料熔點(diǎn)時(shí)便可進(jìn)行焊接。

1激光焊接的模式

激光焊接可分為熱傳導(dǎo)焊和深熔焊，前者的熱量通過(guò)熱傳遞向工件內(nèi)部擴(kuò)散，只在焊縫表面出現(xiàn)熔化現(xiàn)象，工件內(nèi)部沒(méi)有完全熔透，基本不出現(xiàn)汽化現(xiàn)象，多用于低速薄壁材料的焊接；后者不但完全熔透材料，還使材料汽化，形成大量等離子體，由于熱量較大，熔池前端會(huì)出現(xiàn)匙孔現(xiàn)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

由于激光器出現(xiàn)的聚焦光斑面積較小，其用途在焊縫周?chē)臒嵊绊憛^(qū)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，因此焊縫表面持續(xù)均勻、成形美觀，無(wú)氣孔、裂紋等表面缺陷，非常適合于對(duì)焊縫外形要求嚴(yán)格的場(chǎng)合。雖然聚焦的面積比較小，但激光束的能量密度大(普遍達(dá)103~108W/cm2)。

焊接過(guò)程中，金屬被加熱和冷卻的速度非?？?，熔池周?chē)鷾囟忍荻缺容^大，使其接頭強(qiáng)度往往高于母材，相反地接頭塑性則相對(duì)較低。目前，已經(jīng)可以通過(guò)雙焦點(diǎn)技術(shù)或復(fù)合焊接技術(shù)來(lái)改善接頭質(zhì)量。

3激光焊接的優(yōu)缺點(diǎn)

激光焊接之所以受到如此高的重視，在于其特有的諸多優(yōu)點(diǎn)：

①采用激光焊接可以獲得高質(zhì)量的接頭強(qiáng)度和較大的深寬比，且焊接速度比較快。

②由于激光焊接不需真空環(huán)境，因此通過(guò)透鏡及光纖，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制與自動(dòng)化生產(chǎn)。

③激光具有較大的功率密度，對(duì)難焊材料如鈦、石英等有較好的焊接效果，并能對(duì)不同性能材料施焊。

當(dāng)然，激光焊接也存在不足之處：

①激光器及焊接系統(tǒng)各配件的價(jià)格較為昂貴，因此初期投資及維護(hù)成本比傳統(tǒng)焊接工藝高，經(jīng)濟(jì)效益較差。

②由于固體材料對(duì)激光的吸收率較低，特別是在出現(xiàn)等離子體后(等離子體對(duì)激光具有吸收用途)，因此激光焊接的轉(zhuǎn)化效率普遍較低(通常為5%~30%)。

③由于激光焊接的聚焦光斑較小，對(duì)工件接頭的裝備精度要求較高，很小的裝備偏差就會(huì)出現(xiàn)較大的加工誤差。

隨著激光焊接的普及應(yīng)用和激光器的商品化生產(chǎn)，激光設(shè)備的價(jià)格明顯下降。而大功率激光器的發(fā)展和新型復(fù)合焊接方式的研發(fā)與運(yùn)用，使激光焊接轉(zhuǎn)化效率低的缺點(diǎn)也得到改善，相信不久的將來(lái)，激光焊接將逐步代替?zhèn)鹘y(tǒng)焊接工藝(如電弧焊和電阻焊)，成為工業(yè)焊接的重要方式。

國(guó)內(nèi)外激光焊接的研究現(xiàn)狀

1激光器的研究現(xiàn)狀

現(xiàn)有的激光器多以CO2激光器、YAG激光器和半導(dǎo)體激光器為主，特別是CO2激光器和Nd：YAG激光器，由于研發(fā)較早，技術(shù)較完善，在各領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)相當(dāng)廣泛。

其中，CO2激光器屬于氣體激光器，其激光活性介質(zhì)是碳酸氣、氮?dú)?、氦氣等的混合氣體，發(fā)射光的波長(zhǎng)為10.6μm，一般以持續(xù)方式工作，電-光轉(zhuǎn)化效率為10%~30%，其輸出功率一般為0.5~50kW；Nd：YAG激光器屬于固體激光器，其激光活性介質(zhì)是摻有釹(Nd)的釔-鋁-石榴石(YAG)晶體，發(fā)射光的波長(zhǎng)為1.06μm，可以用脈沖和持續(xù)2種方式輸出，電-光轉(zhuǎn)化效率為3%~10%，其輸出功率重要為0.1~5kW[1]。

雖然Nd：YAG激光器的輸出功率和電-光轉(zhuǎn)化效率比CO2激光器低得多，但由于其發(fā)射光波長(zhǎng)較短，材料對(duì)其光束的吸收率較高，對(duì)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激光器可以采用光纖進(jìn)行傳輸，能夠與機(jī)器人加工系統(tǒng)很好匹配，有利于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制和自動(dòng)化生產(chǎn)，因此在激光焊接中占有重要的地位。

2等離子體控制的研究現(xiàn)狀

眾所周知，等離子體的出現(xiàn)，是激光焊接所面對(duì)的最大問(wèn)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(guò)106W/cm2時(shí))，當(dāng)汽化后的金屬在空氣中與激光束接觸時(shí)，會(huì)出現(xiàn)電離現(xiàn)象，大量等離子體便由此出現(xiàn)。

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(xiàn)偏離，嚴(yán)重影響激光的焊接效果。因此，減少等離子體的出現(xiàn)，是優(yōu)化激光焊接的最有效方式。

日本的YArata發(fā)明了LSSW(激光擺動(dòng)法)[8]，即光束沿焊接方向迅速地來(lái)回?cái)[動(dòng)，時(shí)間控制在匙孔出現(xiàn)后與等離子體出現(xiàn)之前，防止了等離子體的出現(xiàn)。

3焊接過(guò)程自動(dòng)檢測(cè)的研究現(xiàn)狀

無(wú)論采用哪種焊接工藝，均會(huì)出現(xiàn)廢品，目前，工業(yè)制造中對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的控制更多的是采用實(shí)時(shí)監(jiān)控技術(shù)，而不是焊后處理技術(shù)。因此焊接過(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)控，便成了激光焊接實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的研究重點(diǎn)。

JShao和YYan對(duì)激光焊接過(guò)程聲信號(hào)和光信號(hào)的檢測(cè)進(jìn)行了系統(tǒng)的闡述，并給出了檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。Li和Steen等人設(shè)計(jì)了一個(gè)絕緣噴嘴來(lái)檢測(cè)等離子體的動(dòng)態(tài)電信號(hào)，試驗(yàn)結(jié)果表明：信號(hào)的強(qiáng)度隨熔深的增大而增強(qiáng)。

國(guó)內(nèi)高向東等人采用視覺(jué)傳感技術(shù)，通過(guò)計(jì)算機(jī)圖像處理，有效地提取焊接過(guò)程的各種信息，并最終實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制。

YoungWhanPark等人采用UV和IR探測(cè)器來(lái)檢測(cè)等離子體的紫外線輻射和紅外線輻射，并成功地將UV和IR的輻射信號(hào)與焊接質(zhì)量聯(lián)系起來(lái)，實(shí)現(xiàn)了焊接過(guò)程的在線檢測(cè)。

WSChang和SJNa利用數(shù)學(xué)模型來(lái)研究焊接過(guò)程中對(duì)熱源控制的重要性，試驗(yàn)證明通過(guò)對(duì)熱源的控制(如聚焦位置、激光功率)能夠有效地評(píng)估焊接質(zhì)量。

SDixon等人則采用電磁聲學(xué)轉(zhuǎn)換器(EMAT)來(lái)實(shí)現(xiàn)激光焊接過(guò)程的超聲波檢測(cè)，試驗(yàn)證明材料內(nèi)部出現(xiàn)的超聲波能夠反應(yīng)熔深不足、裂痕的出現(xiàn)、氣孔的出現(xiàn)等焊接缺陷。

目前國(guó)內(nèi)外的研究結(jié)果顯示：可供激光焊接過(guò)程實(shí)時(shí)檢測(cè)的信號(hào)有聲信號(hào)、光信號(hào)、電信號(hào)、紫外/紅外輻射信號(hào)和超聲波信號(hào)等。