试论激光焊接技术的研究现状及发展前景

摘 要：文章从激光焊接技术的技术内涵和工艺特点出发就激光焊接技术在激光器、等离子体控制和自动检测技术三个方面系统地进行分析，并对激光焊接技术的应用领域进行概括。根据激光焊接技术的特点，对其未来发展方向做出了预测。

关键词：激光焊接;研究现状;应用;发展

一、 激光技术的研究现状

（一）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。虽然集中开发研制设备仍然是CO2激光器，但提高最大输出功率已不在其中，而光束质量及其聚焦性能的提高才是其核心。

（二）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。

二、 激光焊接技术的应用领域

（一）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。

（二）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等汽車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。

（三）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做出了重大的贡献。

三、 激光焊接技术的最新发展

（一）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，而固体激光器的使用寿命长，但成本高。新研发激光器有准分子激光器，其单光分子能量更好，并且能够深入材料内部微观组织中进行加工，在非放热效应下，材料的变形率小，这使得激光焊接水平可以大大提高。

（二）双焦点激光焊接技术

在激光双焦点焊接中，通过聚焦头的激光束聚焦到工件表面。获得高质量焊缝的关键是较好的激光聚集性。双焦点激光焊接技术可在被焊材料上形成两个间距很小的焦点，两个焦点的叠加即可提高激光的聚集性和稳定性。双焦点激光焊接技术不仅能使焊缝的深度提高，也可使焊接的速度加快，因而避免溶洞的出现等问题，现在已成为一种新的激光焊接技术。

（三）复合激光焊接技术

复合激光焊接技术是传统的焊接技术与激光技术的结合，这种技术具备了二者的双重优点。发展较为显著的复合激光焊接技术有激光—电弧焊接技术，激光—电弧复合焊接技术既能充分表现出激光焊和电弧焊各自的优点又能有效地避免各自的不足。它的特点：电弧的加入延长了焊缝凝固时间，稀释了等离子，有效减少气孔、裂纹等缺陷，激光与MIG电弧焊复合有效减少焊接裂纹倾向和提高焊缝的力学性能。复合激光焊接技术可实现较大焊缝的焊接，并且使焊缝的韧性进一步提升。

四、 结语

激光焊接技术有很多独特优势，如，能量密度高、焊缝窄、不需真空环境和不受导电材料制约等。激光焊接技术不仅广泛应用于农业、服务业等基础领域，而且还应用于航天航空、生物医学等高端领域。目前，激光焊接使用中已出现智能化，极大地推动了高精尖焊接工艺在各个领域的发展。现在激光焊接技术已成功运用到生物医学上，未来很可能用到临床检测、手术等特殊行业中。激光器的研发、双焦点激光焊接技术和复合激光技术是激光焊接新的发展方向。

参考文献：

[1]潘际銮，郑军，屈岳波，等.激光焊接技术的发展[C]//第五届全国计算机在焊接中的应用学术与技术交流会论文集.南宁：中国焊接学会计算机应用技术专业委员会，2008：1-4.

[2]张文举.浅析激光焊接技术的工艺与方法[J].黑龙江科技信息，2011（6）：65.

作者简介：赵劲松，男，河北保定人，研究方向：焊接工程。