浅谈激光焊接技术的发展

2020-05-05

中国新技术新产品 2020年4期

（中国飞行试验研究院，陕西西安 710089）

0 前言

近年来，科学技术作为第一生产力，实现了生产领域的变革。激光技术是科学技术发展的产物，其与焊接技术的融合，使得工业与制造业突破了传统技术的局限，提升了焊接的整体质量。传统的焊接技术主要以人工焊接为主，其在焊接过程中极易受到人员素质、操作行为的影响，无法保证焊接的效率与质量。而激光焊接技术作为一种新型的焊接技术，具有技术优势，可以保证焊接的精确性，在未来必将有广阔的发展与应用空间。

1 激光焊接技术

1.1 具体内涵

激光焊接技术主要是传统焊接技术与激光技术结合所形成的一种新型技术，其在应用的过程中，集合了2 种技术的优势，突破了传统焊接技术的局限性。在实际的激光焊接技术的应用过程中，高能量密度的激光束可以产生热源，以激光为介质，激光本身的聚焦功能使其可以在短时间内快速形成强烈脉冲，并以此来完成相应的加工、切割等工序，如图1 所示。因此，综合来看，激光焊接技术具有高效性与精密性特征。

图1 激光焊接示意图

1.2 激光焊接技术分类

根据激光焊接实际作用在工件上的功率密度或者焊缝特点，可以将其分为以下2 种类型。1）热传导焊接。热传导焊接主要是在加工的过程中，利用激光的辐射作用，金属材料表面的部分激光被反射出去，而部分激光被金属材料所吸收，这种激光的反射与吸收过程实现了光能向热能的转化，金属材料发生熔化反应，外层热以传导形式向内层传递，这种热传递有效实现了各个元件的连接。热传导焊接具有加热速度快、焊点小、焊缝窄、热影响区小的特征，焊接精度与质量都较高。2）激光深熔焊。激光深熔焊主要是在辐射功率与密度较高的情况下使用，当激光辐射到金属材料外层时，金属材料会实现光能向热能的转化，金属材料发生热熔反应。在热熔的过程中，金属材料会发散一定量的金属蒸汽，而在蒸汽的形成过程中，反作用力会逐步出现，这种反作用力会使金属液体被挤压，形成凹槽，在激光辐射的作用下，凹槽深度逐渐变大，当辐射结束以后，凹槽周边的液体逐渐回溯，在冷却以后可以得到良好的连接效果，具有高深度比、最小热输入、高致密性、墙固焊缝、精确控制的特点[1]。

1.3 激光焊接技术的特点

与传统的焊接技术相比激光焊接技术具有明显的优势，主要体现在以下4 个方面。1）热影响区域相对较小。激光焊接技术下，其焊接过程主要是将激光束直接打到被焊接部位，再加上激光束本身具有较强的方向性，且其热源相对集中，使得激光束被焊接区域内的热影响范围相对较小。因此，基于激光焊接技术的这种特点，该技术可以被应用于很多精密化零部件的加工与制造中，可以有效避免在高精密零部件焊接过程中出现收缩、变形情况。2）焊接质量较高。激光束焊接过程中，由于激光束本身可以聚集大量的热量，且焊接过程中基本不会对周边区域产生较大影响，这样就有效保证了焊接的整体质量。3）灵活性较高。在隐蔽性部位的焊接处理上，激光焊接技术同样可以取得理想的焊接效果，通过对激光束方向的控制与调整，就可以进行焊接位置的精准定位。4）适应性。传统的焊接技术在进行金属间的焊接处理时，具有明显的焊接优势，在进行异种合金焊接时则不具有优势，而激光焊接技术可以有效实现金属与非金属焊接的处理[2]。

2 激光焊接技术的发展现状

2.1 激光填丝焊

在激光填丝焊工艺的应用过程中，其技术特点主要体现在以下3 个方面。1）有效解决了工件装夹、拼装要求严的问题。2）可以应用小功率激光器实现厚板多道焊。3）通过焊丝成分的调节，能够有效实现焊缝区域的组织性能。在实际应用过程中，其送丝示意图如图2 所示。

图2 激光填丝焊的送丝位置

在激光填丝焊进行焊接处理时，激光束与填充金属之间存在着相互作用。填丝焊焊接处理时，激光作用于焊丝，当焊丝熔化以后，填充拼缝间隙，在激光的继续作用下，基体金属熔化形成匙孔。激光束照射到焊丝以后，能量逐渐被吸收，一部分用于熔化焊丝，一部分用于填充金属汽化，一部分从焊丝表面反射出去。

2.2 激光-电弧复合焊

该种工艺的应用优势明显，具有较好的经济性与节能性，有效增加了熔深，可以最大程度地减少焊接的质量缺陷，改善了微观组织。焊缝的成形质量更好，焊接适应性更高，避免了焊接变形现象的出现。激光与电弧的复合方式主要包括了双光束与TIG 电弧同轴复合、多电极TIG 电弧与激光同轴复合。

2.3 双光束激光焊接

在双光束激光焊接技术的应用过程中，能够有效提高激光焊接对装配精度的适应性，提高焊接过程的稳定性，保证焊接的整体质量。对于常规激光焊接难以焊接的材料与接头，能够取得理想的工艺应用效果。

2.4 激光点焊

激光点焊主要是由激光点焊机来完成的，其主要是利用高能量的激光脉冲对材料进行微小区域内的局部加热，激光辐射的能量通过热传导向材料的内部扩散，将材料熔化后形成特定熔池。作为一种新型的焊接方式，激光焊接主要针对薄壁材料、精密零件的焊接，可实现点焊、对接焊、叠焊、密封焊等操作，深宽比高，焊缝宽度小，热影响区小、变形小，焊接速度快，焊缝平整、美观，焊后无需处理或只需简单处理，焊缝质量高，无气孔，可精确控制，聚焦光点小，定位精度高，易实现自动化。

3 激光焊接技术的应用

3.1 制造业领域

在20 世纪80 年代，激光器的发展使得激光焊接技术逐渐被应用于工业生产中，激光焊接技术的应用改变了工业行业的发展模式，加快了工业的现代化发展进程。比如，汽车行业作为新兴产业，在汽车制造领域，激光焊接技术发挥着重要的作用。由于在汽车制造过程中，包含了各种精密化的零部件，而激光焊接技术的应用为汽车生产与制造提供了重要的技术支持，其被应用于汽车的多个零部件加工中。美国与日本是激光焊接技术发展相对成熟的国家，在通用、福特、克莱斯汽车制造企业，率先采用了激光焊接技术，取得了理想的技术应用效果。日本的本田、丰田都应用了激光焊接技术，其加工与制造的零部件具有良好的质量，满足了汽车装配的高精度要求，推动了汽车制造行业的长远发展[3]。

3.2 航天航空领域

对航空航天而言，其在制造过程中，涉及了多种焊接技术，例如电子束焊、激光焊。激光焊接技术基于其技术优势，在航空航天领域发挥着更为重要的作用，例如在武器装备、飞行器的制造、飞机蒙皮的拼接、蒙皮的焊接处理上，激光焊接技术都有着广泛应用。美国是最早将激光焊接技术应用于飞机零件与材料制造中的国家，欧洲的一些国家也逐渐将激光焊接技术应用于航空航天领域，经由激光焊接技术所制造的产品，优化了飞机的整体结构性能，提高了飞机的安全性。

3.3 船舶制造领域

当前，在经济社会快速发展的过程中，船舶制造逐渐朝着轻量化的方向迈进，激光焊接技术在船舶制造中的应用，有效保证了焊接的整体质量，该技术的应用能够适应当前船舶行业现代化发展的趋势，比如，在甲板与舱壁中的应用，取得了良好的焊接处理效果。欧洲国家在船舶制造中应用激光焊接技术最为成熟，激光焊接技术具有先进性，取代了传统的焊接技术，在船舶甲板、舱壁上的应用，保证了船舶制造质量。

4 激光焊接技术的未来展望

激光焊接技术突破了传统焊接技术的局限，随着当前科学技术的进步，激光焊接技术的应用有效保证了焊接效率，提升了焊接的精确度。在未来，技术的进步必将带动激光焊接技术的快速发展，使得激光可以有更高的功率密度并且更快地释放能量。当前，在激光焊接技术的应用过程中，由于其聚焦点相对较小，焊接材料可以在该技术条件下呈现出良好的黏连效果，避免了焊接过程中对材料的损伤。未来，技术的进步必将使得激光焊接技术的聚焦点更小，使得其黏连效果更佳，可以从根本上消除材料的变形与损伤，因此，激光焊接技术将朝着更为精湛的方向发展，并能够在技术的应用过程中实现良好的成本控制，实现激光焊接技术的进一步推广。