激光焊接技术最新研究进展及应用现状

汪健坤，李强，黄磊，陈希章

1.温州大学机电工程学院 浙江温州 325035

2.温州大学激光与光电智能制造研究院 浙江温州 325035

1 序言

与传统焊接技术相比，激光焊接（见图1）具有能量密度集中并可调控，不与焊接的工件产生接触，焊接效率高，焊后焊缝窄且强度高等优点，被积极应用于汽车、船舶、航空航天等装备制造业领域中，并不断向更多材料加工终端领域扩展。

图1 激光焊接原理[1]

世界各制造业大国为更好应对未来制造业竞争，相继提出本国制造业升级换代的国家战略，比较著名的为德国工业制造4.0和美国的工业互联网，其积极地推出制造业产业升级的新政策，鼓励制造业的技术创新并给予重点资助，其中激光焊接作为高端装备技术重要的一部分而备受关注。在激烈的技术研发竞争的同时，中国顺应时代潮流，抓住历史机会，不失时机的提出了“中国制造2025”，激光焊接技术作为战略新兴技术，其引领制造业产业升级被提上日程。但是，激光焊接“产、学、研”并不能很好地对接，存在一定局限性和不足，如在某些应用场合其不能很好地解决气孔和飞溅等缺陷，单焦点激光焊接作为热源无法控制温度循环等不足。根据焊接的现实需求，激光焊接通过解决实际难题而提出了多种新的技术，如Imperial College London的 W. Steen 教授[2]提出了激光-电弧复合焊接的思想。激光-电弧复合焊接技术的发展在某种程度上弥补了单一激光焊接的不足，扩大了激光焊接的应用范围。激光与电弧的相互作用，发挥两者的优点，降低了焊接间隙尺寸的要求，减少焊接时出现的裂纹和气孔，有利于提高焊接部位的性能。

迄今为止，激光焊接技术已发展为多种种类，如热传导激光焊、激光深熔焊、激光填丝焊、激光-电弧复合焊、远程激光扫描焊以及激光钎焊等多种类型，其发展出激光焊接焊缝追踪和高速摄像机对焊缝过程进行实时监测等中间过程控制，以及激光焊接缺陷处理，其共同解决激光焊的相关局限性和不足。

2 国内外研究进展

近年来，国内外的研究团队从激光的移动方式、热源组合等角度不断探索研究最合适的工艺参数，提高了多种激光焊接方式的技术，包括激光深熔焊、激光-电弧复合焊接等[3]。激光焊接的研究不在流于表象，而是通过高速相机、光谱分析等现代表征方法研究焊接的工艺特性，尝试探索焊缝缺陷的形成机理。另一方面，激光焊接的内在变化较为复杂，各研究团队尝试通过引进磁场、多电弧和电场等外部能量应用到激光焊接过程中，重点研究其对改善焊缝的缺陷，提高其力学性能和焊接质量。

2.1 激光焊接工艺研究

采用激光焊接可以获得高质量的接头强度和较大的深度比，与传统焊接技术相比，具有较大的功率密度，对难以焊接的材料有较好的焊接效果，能够对不同性能的材料进行焊接[4]。因此国内外学者对其进行了大量的研究。

国内对激光工艺的研究主要集中于从各焊接工艺的焊接速度、激光功率、离焦量、激光脉冲波形和保护气流量等参数上，并进一步对焊接接头的力学性能、组织演变和调控等进行了深入研究。激光压力焊接是一种独特的激光焊接技术，该技术将激光诱导加热与传统的平滚焊相结合。激光压力焊接的工作原理是：将需焊接的工件用激光束局部熔化，然后在高压下轧制产生焊接接头。由于熔化区相对狭窄，避免了产生收缩和气体腔等焊接缺陷，该技术还可用于连接薄板。北京工业大学激光工程研究院黄婷副教授团队研究了纯铝激光压力焊接过程中的组织演变，如图2所示。该团队研究了纯铝焊接过程中微观组织演变的基本方面。通过深入分析激光压力焊接过程中试件的微观组织，推断出在轧制之前就开始了凝固过程，因此新结晶的材料经历了塑性应变。

图2 激光压力焊接原理图[5]

激光-电弧复合焊接（见图3）作为21世纪极具前景的加工方法，被许多学者深入研究。长春理工大学的张川[6]通过调整工艺参数的方式，对于50CrV/SPHE 异种钢的焊接工艺进行研究，分析对焊缝成形和熔滴过渡的影响，研究结果显示激光功率在 2800～3400W范围内，焊丝受热均匀，焊接过程稳定。华中科技大学的王磊[7]将振荡扫描与激光-电弧复合焊接相结合，弥补焊缝的缺陷。采用横向、纵向和圆形三种振荡扫描方式焊接铝合金材料，利用高速摄像机和光谱分析熔滴的变化，结果显示圆形的扫描方式优化的参数范围远大于横向和纵向，且可以促进和等离子体的相互作用形成直径更小的熔滴，其有利于细化晶粒。等离子电弧的能量相比之下更加集中，北京化工大学的冯聪等人[8]发现激光-等离子电弧焊接在平板焊接方面对于间隙和错边有良好的适应性。

图3 激光-电弧复合焊接

国外对焊接工艺的研究集中于改善焊接条件和引进外部能量。 J.A. Francisa等[9]为了探索该工艺应用于连接大型、安全关键的核部件的潜力，如蒸汽发生器或压水堆（PWR）中的增压装置，采用真空激光焊接技术，以150mm/min的速度，使用16kW的激光，在两个焊道中，生产SA5083级钢的80mm厚焊缝。并介绍了真空激光焊接的优点，以及与电子束焊接在工艺物理方面进行了比较。得出真空激光焊接值得进一步发展，因为它为未来的核能建设计划提供了重要的希望。Bunaziv I等人[10]在采用光纤激光-MAG复合焊接的同时考虑了冷金属转移脉冲（CMT+P）电弧模式，用金属芯焊丝焊接45mm厚高强度钢（对接双面焊），比较了不同的脉冲方式和前后导弧对焊缝的影响。对比传统的脉冲电弧焊，发现两者都能提供高质量的焊接。但是CMT+P模式可以在有限的进给速度范围内提供更稳定的熔滴转移。

2.2 激光焊接过程控制

激光焊接技术是一种不需接触的焊接技术，其速度较快，焊接效率更高，中间过程处理对焊接接头的性能有重要作用。

国内激光焊接过程的控制（见图4）主要集中于借助光学器件对焊接的过程进行监控，比如采用激光焊接焊缝追踪和高速摄像机对焊缝进行实时监测。如黄磊等[11]通过高速摄像机监控系统，实时在线监控激光焊接DP780镀锌高强钢的气孔和飞溅形成过程，并从动力学的角度对气孔逃逸路线进行了研究。

图4 焊接试验工艺的布局图

马国栋等人[12]将激光焊接头与CCD视频跟踪模块集成在一起，提出一种采用一字线激光进行自动化焊缝检测的方法。该方法利用激光三角测量法，得到焊缝的高度、宽度等形状信息。如图5一字激光检测原理，激光焊接时，一字激光垂直打在焊缝上，经待焊工件上表面的漫反射，成像在CCD像平面上。像平面上的每一焊缝特征点将唯一确定待焊工件表面上的一点。在跟踪算法方面，采用精度高、速度快的核相关滤波器目标跟踪算法，分别对常见的直线型和曲线型焊缝位置进行跟踪。实验所得数据拟合曲线与焊缝形态误差在5%以内，吻合度较高，实时跟踪效果良好。

图5 一字激光检测原理[12]

国外的研究主要对焊接的过程中添加外部能量和使用人工智能模型对焊接进行模拟和预测等工作进行了细致的研究。Haeusler A 等人[13]通过使用附加的参数、振荡频率和振幅，并结合带叠加圆周运动的线性馈电的空间功率调制方式，针对锂离子电池和大功率电子器件的互连中使用到的铜材料焊接进行了研究。结果显示，不仅可以增加连接面积，还可以增加激光焊接过程的稳定性和焊缝的质量特性。在焊接某些特殊金属时，焊料在熔池中并不能充分混合，导致焊缝中元素分布不均匀。德国的Ustundag O等人[14]基于此进行了研究，他们利用振荡磁场在熔池中形成非保守的洛伦兹力分量，以改善整个材料厚度上的元素分布。通过光谱法（EDS）分析两种跟踪元素（Ni、Cr）的分布，结果显示当磁场向焊接方向旋转30°时，焊料分布有了根本的改善。这一研究对于磁场在焊接方面的使用提供了数据支持。A. Belitzki等人[15]提出了一种能够最大限度地减小多焊缝复杂框架结构变形的方法，将人工神经网络建立的元模型应用于激光焊接的过程中，根据子区域内的焊接参数预测局部变形。利用遗传算法有效地寻找出适合全局结构的焊接参数。结果表明，该方法能有效、可靠地识别出10亿多个潜在参数组合中的畸变最小参数。

2.3 激光焊接缺陷处理

激光焊接的应用十分广泛，但是焊接过程中常常伴随着裂纹、焊接气孔和飞溅等焊接缺陷。国内外对其进行了大量的研究，他们采用振荡、脉冲等方式与激光焊接相结合，在研究原理的同时，还重视与工业设备的结合，积极运用新的产品推动自身的研究，其研究具有很高的实用性。

国内的研究主要集中于如何解决激光焊接的焊接接头缺陷，对焊接缺陷的形成机理也进行了细致研究。很多研究团队通过仿真分析、扫描电镜等方式研究熔池飞溅、菲涅尔吸收效应等问题。高功率的激光照射在工作表面上，使材料迅速汽化并产生匙孔，所以熔池与匙孔的菲涅尔吸收效应决定了焊接的质量。焊接缺陷伴随着激光焊接的过程中产生，如图6为激光焊接镀锌DP780高强钢产生的气孔缺陷。湖南大学的彭南翔[1]针对激光深熔焊的匙孔和菲涅尔吸收进行了研究，发现激光在匙孔中多次反射造成菲涅尔吸收总功率密度分布并不均匀，靠近匙孔底部孔壁上的密度要大于上方孔壁，而影响密度分布的重要因素就是激光的反射。单焦点激光焊接方式仍具有一定的局限性。比如无法控制焊接时的温度循环，在焊接热敏感性高的材料时，焊缝的内部容易出现裂纹等多种问题。为了稳定焊接过程，许多学者研究了双焦点激光焊。华中科技大学庞胜永等人[16]研究了铝合金在激光双焦点串行排布的方式下匙孔的稳定性及熔池内部的流动。其建立了关于铝合金双焦点激光焊接的焊接瞬态熔池及熔池内部流动的耦合模型，采用光线追踪法建立热源模型，考虑了菲涅尔吸收效应、蒸汽反冲力及熔池内部流动等影响。研究结果显示双焦点激光焊接更加稳定可控，匙孔的波动明显弱于单激光焊接的方式。

图6 激光深熔焊的气孔缺陷原理[17]

与国外相比，国内的研究针对激光束的光束形态变化方面的研究较少，大多集中于改变激光束的数量上而来对激光焊接缺陷的研究。而国外的研究团队尝试使用了新型的光学元器件，尝试探究匙孔坍塌和熔池飞溅的形成机理。国外一些学者也尝试了新的工艺方法来改善激光焊接的不足，如采用光束振荡或激光功率调制，来减少缺陷的发生。Volpp J等[18]人采用了一种新开发的多焦点光束成形光学元件，该元件可在轴向产生多束腰激光，在附加区域用于修改键孔中的能量输入，以解释飞溅形成的机理，并评估轴向光束成形在激光深熔焊接过程中抑制缺陷的潜力。结果表明，在高强度的光照射下，可以有效地减少喷溅的数量，避免了锁孔坍塌，保证了上部锁孔段有足够的能量输入，可以减少液体飞溅。

3 激光焊接的应用现状

激光焊接技术经过多年的研究和发展，其应用涵盖了汽车、油气管、电车设备等装备制造业领域。本文主要介绍激光焊接系统的核心零部件的应用及其材料加工方面的工程化应用。

3.1 激光焊接系统核心零部件

（1）激光器 激光焊接系统中，最核心的零部件是激光器，其用来产生激光。激光器的种类很多，但是其结构相同，即由激励系统、激光活性介质和光学谐振腔三部分组成。激光器经过多年的发展，其性能已经有了很大的提高。激光器有很多种，比如光纤激光器、半导体激光器、CO2激光器等，如图7所示。

图7 国内外激光器

国外的优秀激光器企业还有Coherent、Trumpf等，其激光器具有先天优势，经过多年的研发和改进，其光束质量较高，光电转换效率高，稳定性较好。半导体激光器的光斑比光纤激光器的光斑更加集中，功率分布更加均匀而且所用的能耗更低。比如TruDiode 系列的高效型半导体激光器以最佳的应用结果、极低的投资成本和运行成本赢得用户青睐。该激光器提供最高数千瓦的稳定激光功率。典型应用为深熔焊、热传导焊接、激光金属熔覆以及钎焊和塑料焊接，可达40%的高效率降低生产的运行成本。由于无需多余的谐振腔结构，TruDiode 激光器十分精巧。CO2激光器是常见的气体激光器，可以利用CO2分子的能级结构得到不同波段的谱线输出。在热性能上优于固体激光器，依靠气体的流动可以累积大量的热量，适合作为大功率激光使用[19]。

而国内激光器发展具有后动优势，经过多年的技术攻关，国内出现了一大批优秀的激光器企业，如锐科激光、创鑫激光等优秀国产激光器品牌，凭借着优秀的激光器产品、亲民的性价比、产品本土化策略，其迅速获得了较大的国内激光器市场份额。如图7b为锐科生产的准连续光纤激光器，其功率较小，涵盖75~300W，兼容性较好并具有更高的电光转换效率、更好的光束质量、更少的维护成本，因此是激光点焊、激光缝焊等需要长脉宽、高峰值的工业应用理想选择。

（2）激光焊接头 随着激光焊接技术的发展，激光焊接头也根据功能和需求而推出了多种类型的激光焊接头，如图8所示，从左到右依次是最高可承受50kW功率的焊接头、激光振镜扫描头、焊接摆动头双光点 & 光束整形头。

图8 常用激光焊接头

据实际的焊接需求，焊接头设计并应用到实际的焊接加工场所，其提供了不同焊接要求的解决方案。比如激光需要分出多束光来提高焊接效率，此时应用扫描振镜焊接头能够有效地解决高效率的要求。如图8的摆动焊接头，其能有效改善焊缝内部和外观质量，提高易产生缺陷材料的焊接性。

3.2 激光焊接技术的工程化应用

激光焊接从开始应用于汽车（见图9）制造等领域逐渐向船舶、航空航天、半导体、电子行业和消费品拓展，由传统的领域延伸到了更深入的多种多样的材料加工终端应用领域。

图9 汽车领域的激光焊接应用

在汽车制造过程中，激光焊接技术主要用于车身不等厚板的拼焊、车身焊接和汽车零部件的焊接，通过采用激光焊接技术，可降低车身重量并达到节能减排的效果、可降低汽车制造过程中的冲压和装配成本，提高车身的装配精度、车身的刚度和汽车车身的一体化程度，进而提高汽车的舒适性和安全性[20]。

激光焊接在汽车工业的应用较为广泛，如图9b为国内某汽车零部件企业的车间，其车门进行激光钎焊焊接，其使用较大的激光光斑（2 ~ 4mm），激光功率为 2 ~ 4kW，采用接触式跟踪对边缘节点进行试校，焊后发现其焊缝相对其他焊接方法窄，有效提升了车身整体美观性，经过试验得出，相比普通焊接，其强度获得了较大提升。

激光焊接需要根据实际所需连接材料的性质选择相应的保护气体，且激光焊接的速度较快、焊接效率更高、作业面积较小，加工工件形变小，某些情况下不需要进行消除残余应力的热处理，在机械制造中采用激光焊接技术可以极大地提高焊接产品的质量，提高制造行业的工作效率；激光焊接技术满足医疗器械制造过程的高洁净性的要求，在焊接过程中不需要添加任何粘合剂，几乎不产生焊渣和碎屑，因此激光焊接技术的出现大大促进了医疗器械的发展[21]；船舶所用的板材与普通机械产品的板材选取有着很大的差异，采用激光焊接技术，可以有效地解决焊缝更长、船板出现翘曲变形问题[22]。

激光焊接过程处理的工程化应用覆盖面比较广泛，其可应用于焊缝定位、横截面扫描、表面成形在线监测等。如图10为基于相干干涉成像技术的全新焊接全过程监测系统LDD-700，其3D成像模式使LDD-700适应不同工艺的匙孔几何变化，这是一种精确深度测量的基本能力。强大的软件支持定制化监测解决方案，满足不同工艺需求。

图10 激光焊接监测过程工程应用

激光焊接在石油管道的连接也有广泛的应用，使用机器人激光焊接，不仅能提高焊接作业效率和提高焊接可靠性，还能提高焊接接头质量。

经过多年持续联合攻关，我国承担的ITER校正场线圈（以下简称“CC”）全尺寸盒体超大功率激光封焊技术于2018年7月在中国科学院等离子体物理研究所按期完成认证。作为线圈制造与集成中技术要求最高、挑战最大的关键环节，该项技术的突破得到了国内外同行的高度评价，并被ITER国际组织官网综合报道。同时，该项技术的突破不仅保证了ITER所有CC线圈制造与集成进度，更是实现了国内万瓦级激光焊接技术从实验室走向工程应用的重要突破。在焊接结束后，通常采用特定的预变形或返工对工件进行处理来补偿热引起的变形。然而这些方法对于连接复杂结构是不可行的。因此，激光焊接允许低热负荷的材料，因为热量是高度集中在时间和空间的[23]。然而，热输入往往会造成相当大的元件变形和残余应力。复杂结构的熔焊连接往往受到热致元件变形的限制，因为这往往意味着昂贵的措施[24]。

激光焊接作为一种先进的高能束焊接技术，具有无需真空环境且热输入集中、热变形小、焊缝深宽比大、精度高、易于实现自动焊接等特点，被最终确定为最合适于CC线圈盒封焊的最佳方法。经过上百次焊接结构和工艺参数优化，近期中科院等离子体物理研究所使用20kW激光焊接设备完成了CC线圈盒全尺寸原型件的焊接。检测结果表明，焊缝质量完全满足ISO 13919-1B级要求，盒体外形尺寸焊接变形≤2mm，盒内绕组表面温度远低于200℃，多项指标均满足接收标准[25]，如图11所示。

图11 电车领域的激光焊接应用

4 总结与展望

激光焊接从工艺加工、焊接过程处理和焊接缺陷解决的研究和工程应用获得了较大的发展，从现有研究和工程实践看，国内外学者主要从以下两个方面来深化激光焊接的研究并解决工业应用难题。第一，基于实际工业需求，研究激光焊接过程中出现缺陷的原因，并不断改进优化加工工艺参数，改善或者消除激光焊接缺陷；第二，尝试用磁场、振荡等外来能量与激光能量相结合，探求新的加工工艺，提高焊接稳定性并尝试解决激光焊接缺陷，提高焊接接头的性能。

激光焊接从最初的热传导激光焊到现在多场耦合的激光焊接研究，使得激光的应用领域不断扩大。激光器的创新也在不断进行，比如半导体激光器在光电转换效率上有所提升，而且能耗更低、光斑更加集中，逐渐成为新的激光器的发展趋势，国内外的学者也在不停研究新的激光设备。随着新型激光装备不断突破创新，可以预见在不久的将来，激光焊接技术的应用领域将不断应用于更多材料加工终端领域，助力中国制造业的产业升级。