浅论激光焊接技术的发展

1、浅论激光焊接技术及其发展焊接是金属工艺学中十分重要的一种加工工艺，它通过加热、加压使工件产生原子间的 结合，可以先制成简单的坯料然后用装配焊接的方法拼小成大，这是其他工艺难以做到的。 传统的焊接方法中普遍使用的是电弧焊，但随着技术的进步，我们逐步发展出各种更加优越 的焊接方法，激光焊接就是其中之一。激光焊接概述顾名思义，激光焊接就是以聚焦的激光束作为能源轰击焊件所产生的能量进行熔焊的方 法。激光是指利用原子受激辐射原理使物质受激产生波长均一、方向一致、强度很高的光束。 由于其方向性好以及能量密度高，因此被成功应用于均属材料的焊接。早在1962年和1963 年就已经有关于激光焊接应用的报道。激光

2、焊接基本原理是：将激光通过聚焦系统可聚焦到 十分微小的焦点上，当调焦到工件接缝时，光能转换为热能，使金属熔化形成焊接接头。目 前焊接所应用的激光器主要有固体和气体介质两种，固体激光器常用的激光材料是红宝石 （用于激光脉冲点焊），气体则为CO （用于连续激光焊接）。在70年代以前，由于高功率连 续波激光器尚未开发出来，所以研究重点集中在脉冲激光焊接，目前也已得到广泛的运用。激光焊接模式激光焊接可分为热传导焊和深熔焊，。热传导焊的热量通过热传递向工件内部扩散，只 在焊缝表面产生熔化现象，工件内部没有完全熔透，基本不产生汽化现象，多用于低速 薄壁材料的焊接。J.F.Ready在1971年曾指出激光焊

3、接与电子束焊接的显著区别在于激光辐 射不能产生穿透（小孔）焊接方式，但现在这是可行的，只需激光束焦点的能量密度达到 1MW/cm2,深熔焊由此诞生，它不但完全熔透材料，还使材料汽化，形成大量等离子体， 由于热量较大，熔池前端会出现匙孔现象。深熔焊能够彻底焊透工件，且输入能量大、焊 接速度快，是目前使用最广泛的激光焊接模式。激光焊接特点作为一种新兴的技术，激光焊接拥有许多优点：（1）激光辐射能量释放极其迅速，焊接过程只有几毫秒。这不仅提高了生产率，而且被焊材料不易被氧化，不需要气体保护或者真空环境。（2）激光焊接能量密度高、热量集中、作用时间短。这使焊接热影响区极小，工件不变形，适用于热敏感材料

4、的焊接。（3）激光束可以用反射镜或偏转棱镜将其在任何方向上弯曲或聚焦，可以用光导纤维引到 难以接近的部位，也可以用透明材料壁进行聚焦。这使激光焊接可以接近一般焊接方法难以接近的焊点。但这并不意味着这是激光焊接在目前是一项尽善尽美的技术，它还包含着许多的不足， 比如：激光器及焊接系统各配件的价格较为昂贵，因此初期投资及维护成本比传统焊接工 艺高，经济效益较差。由于固体材料对激光的吸收率较低，特别是在出现等离子体后（等离 子体对激光具有吸收作用），因此激光焊接的转化效率普遍较低。由于激光焊接的聚焦光 斑较小，对工件接头的装备精度要求较高，很小的装备偏差就会产生较大的加工误差。激光焊接发展首先要说的

5、是激光器的发展。现有的激光器多以CO2激光器、YAG激光器和半导体激 光器为主，特别是CO2激光器和Nd： YAG激光器，由于研发较早，技术较完善，在各领域的应用已经相当广泛。其中，CO2激光器属于气体激光器，其激光活性介质是碳酸气、氮气、 氦气等的混合气体，发射光的波长为10.6 p m，一般以连续方式工作，电-光转化效率为 10%30%，其输出功率一般为0.550 kW； Nd： YAG激光器属于固体激光器，其激光活性介 质是掺有钕（Nd）的钇-铝-石榴石（YAG）晶体，发射光的波长为1.06 p m，可以用脉冲和 连续2种方式输出，电-光转化效率为3%10%，其输出功率主要为0.15 k

6、W。虽然Nd： YAG 激光器的输出功率和电-光转化效率比CO2激光器低得多，但由于其发射光波长较短，材料 对其光束的吸收率较高，对高反射率的材料（如铝合金与铜合金等）具有较好的焊接效果， 特别是Nd： YAG激光器可以采用光纤进行传输，能够与机器人加工系统很好匹配，有利于 实现远程控制和自动化生产，因此在激光焊接中占有重要的地位。至于技术方面就简单说一说已经比较成熟的激光电弧复合焊接。早在上世纪70年代末， 英国伦敦帝国大学的Steen就提出了这个概念。复合焊接的工作原理是：将电弧焊接和激光 焊接同时施加于工件上，使整个焊接过程既具有激光焊接高能束的优点，又有电弧焊接适用 性强的优势。首先，

7、电弧焊接的引入，能够稀释激光焊接产生的等离子体，提高激光能量的 传输效率；其次，电弧能对母材进行预热，提高材料对激光的吸收率，避免了材料对大功率 激光器的依赖，降低了设备成本；而且，激光熔化金属时所带来的大量自由电子，能降低电 弧通道的电阻，提高电弧的能量利用率，改善焊接速度和焊接质量；最后，电弧焊接对工件 的熔合宽度大，弥补了激光对焊缝间隙要求严格的不足，使得激光-电弧复合焊接成为一种 高效、节能、经济的焊接技术。随着激光技术的发展和产品加工的需要，激光电弧复合焊 接已经进入了工业应用阶段。激光焊接技术的发展历经了从固体受激物质到气体受激物质再到固体受激物质、由脉冲 激光焊接到连续激光焊接、低功率到高功率、薄板到厚件、低速到高速、低频到高频及低效 到高效的历史。这项工艺具有许多独特的优势，优异的性能使其能够方便地应用于许多领域， 并日益受到人们的关注。我认为先进激光