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)化的需要， 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實(shí)現(xiàn)有效焊接的工藝， 其工作原理是： 通過特定的方式來激勵(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， 前者的熱量通過熱傳遞向工件內(nèi)部擴(kuò)散， 只在焊縫表面產(chǎn)生熔化現(xiàn)象， 工件內(nèi)部沒有完全熔透， 基本不產(chǎn)生汽化現(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

由于激光器產(chǎn)生的聚焦光斑面積較小， 其作用在焊縫周圍的熱影響區(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， 因此焊縫表面連續(xù)均勻、成形美觀， 無氣孔、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)10*3~10*8W/cm2)。

焊接過程中， 金屬被加熱和冷卻的速度非?？?， 熔池周圍溫度梯度比較大， 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)可以通過雙焦點(diǎn)技術(shù)或復(fù)合焊接技術(shù)來改善接頭質(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)激光具有吸收作用) ， 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)產(chǎn)生較大的加工誤差。

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， 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)焊接的主要方式。

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， 一般以連續(xù)方式工作，電-光轉(zhuǎn)化效率為10%~30%， 其輸出功率一般為0.5~50 kW；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， 可以用脈沖和連續(xù)2種方式輸出， 電- 光轉(zhuǎn)化效率為3%~10%， 其輸出功率主要為0.1~5 kW[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)， 是激光焊接所面臨的最大問題。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106 W/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產(chǎn)生。

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Y Arata發(fā)明了LSSW ( 激光擺動(dòng)法) [8]， 即光束沿焊接方向迅速地來回?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， 避免了等離子體的產(chǎn)生。

3 焊接過程自動(dòng)檢測(cè)的研究現(xiàn)狀

無論采用哪種焊接工藝， 均會(huì)產(chǎn)生廢品， 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)。

J Shao和Y Yan對(duì)激光焊接過程聲信號(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)方案。Li和Steen等人設(shè)計(jì)了一個(gè)絕緣噴嘴來檢測(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傳感技術(shù)， 通過計(jì)算機(jī)圖像處理， 有效地提取焊接過程的各種信息， 并最終實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制。

Young Whan Park等人采用UV和IR探測(cè)器來檢測(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， 實(shí)現(xiàn)了焊接過程的在線檢測(cè)。

W S Chang和S J Na利用數(shù)學(xué)模型來研究焊接過程中對(duì)熱源控制的重要性， 試驗(yàn)證明通過對(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。

S Dixon等人則采用電磁聲學(xué)轉(zhuǎn)換器( EMAT)來實(shí)現(xiàn)激光焊接過程的超聲波檢測(cè)， 試驗(yàn)證明材料內(nèi)部產(chǎn)生的超聲波能夠反應(yīng)熔深不足、裂痕的出現(xiàn)、氣孔的產(chǎn)生等焊接缺陷。

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。