焊接是工業(yè)界用來連接材料的一種工藝技術(shù)。隨著現(xiàn)代焊接工業(yè)的發(fā)展，材料工程中對(duì)材料連接的連續(xù)性、結(jié)構(gòu)的整體性以及顯微組織的要求越來越高。如今，激光焊接技術(shù)比以往任何時(shí)候都變得更加重要，這是因?yàn)楹附右子诳刂疲梢蕴岣咴O(shè)計(jì)的靈活性，從而使得激光焊接技術(shù)可以利用一臺(tái)激光器來完成多項(xiàng)任務(wù)。激光焊接可以采用光纖傳輸也將激光焊接技術(shù)的應(yīng)用帶入一個(gè)新紀(jì)元。這是因?yàn)楣饫w傳輸可以使得焊接幾乎可以在任何位置來實(shí)現(xiàn)，即使在激光頭不能到達(dá)的時(shí)候依然可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程焊接。此外，激光焊接同機(jī)器人相結(jié)合，減少了人工的應(yīng)用，可以完全實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和系統(tǒng)總成控制。激光焊接的理論研究和應(yīng)用開始于1962年，從此以后，激光焊接的應(yīng)用開始迅速的發(fā)展，并成為一種新穎的焊接技術(shù)而得到人們的接受和應(yīng)用。如今，隨著激光設(shè)備價(jià)格的下降和性能的提升，激光在工業(yè)中的應(yīng)用越來越普遍。

激光與材料的相互作用

由于激光具有單色性、相干性、定向傳輸和能量密度高等獨(dú)特的性質(zhì)，激光焊接的應(yīng)用同其他連接技術(shù)相比，得到了廣泛的應(yīng)用。激光聚焦的能量同電子束一樣，具有高能量密度。但卻又不同于電子束，因激光焊接可以在真空中進(jìn)行，而電子束卻不行。而且，激光焊接時(shí)的能量傳輸是可控的、可調(diào)制的，從而使得即使是一臺(tái)激光器也可以實(shí)現(xiàn)多種用途。激光的用途非常廣泛，以材料的激光加工為例，可以實(shí)現(xiàn)熱處理、焊接、材料去除、合金化、熔覆、切割、鉆孔等，如圖1 所示。

圖1 材料的激光加工時(shí)激光可以實(shí)現(xiàn)的功能

激光焊接工藝

焊接是機(jī)械制造工業(yè)中進(jìn)行制造生產(chǎn)的重要過程。但是，在傳統(tǒng)焊接工藝中，必須對(duì)出現(xiàn)的裂紋、夾渣、未熔合、未穿透、不可接受的焊接形狀、弧燒傷、飛濺、不理想的冶金變化、過度的變形和熱誘導(dǎo)應(yīng)力等進(jìn)行盡可能的降低和預(yù)防。而采用激光來進(jìn)行焊接時(shí)，由于具有低的熱輸入、小的熱影響區(qū)、無需去瘤去渣、低的焊接變形、高的焊接速度、機(jī)械造成的材料損傷和工裝損傷、對(duì)震動(dòng)和沖擊的抗力大、對(duì)熱敏感材料的損傷少，可靠性高等而成為非常有競(jìng)爭力的焊接技術(shù)。

另外一方面，焊接的生態(tài)環(huán)境必須復(fù)合環(huán)境保護(hù)和衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)，即復(fù)合ISO 9000， ISO14001和ISO18001等。但是傳統(tǒng)的焊接技術(shù)，如FCAW、SAW、SMAW、GMAW在焊接過程中會(huì)產(chǎn)生CO2、CO、NOx、O3以及有害的金屬蒸汽，如Mg、Ni、Cr、Co、Pb等。由于焊接工業(yè)的迅速發(fā)展，焊接造成的污染以及氣體粒子越來越多，而且這些粒子的顆粒又比較小，很容易被人體吸收。然而，這一狀況的存在對(duì)環(huán)境非常有害，且對(duì)焊接工人的審題也造成巨大的危害。

為了減少CO2的排放和石油化石能源的過度消耗以及保護(hù)環(huán)境和操作人員的身體健康，越來越多的更高性能的材料被開發(fā)出來并得到應(yīng)用。如不銹鋼的應(yīng)用、復(fù)合材料、超高強(qiáng)度鋼、鈦合金、鎂合金、鋁合金和高耐磨材料等，在應(yīng)用時(shí)暨考慮到了環(huán)境友好的需要，也考慮到如何焊接的問題。電子束焊接、攪拌摩擦焊和超聲波焊接均屬于環(huán)境友好類型的焊接技術(shù)，這是因?yàn)樗麄兊呐欧艓缀鯙榱?。前提是只需要按照操作?guī)范來執(zhí)行就行。激光焊接也是一種環(huán)境友好型的生產(chǎn)工藝，其排放也幾乎為零。這是因?yàn)樵诂F(xiàn)代焊接工業(yè)中已經(jīng)有有效的過濾系統(tǒng)來排煙和排塵過濾。

由于激光光源可以靈活的進(jìn)行分光、調(diào)制、整形等，使得同一光源可以實(shí)現(xiàn)不同的應(yīng)用。尤其是通過光纖傳輸這一特點(diǎn)將激光焊接的應(yīng)用帶入一個(gè)新的歷史高度。這可以實(shí)現(xiàn)全位置的激光焊接，即使是激光頭不能到達(dá)的位置也有可能通過遠(yuǎn)程焊接來實(shí)現(xiàn)。此外，激光焊接與機(jī)器人的結(jié)合，減少了人力的應(yīng)用，同時(shí)還易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和系統(tǒng)操作。在加上激光設(shè)備成本的不斷降低，激光焊接技術(shù)的應(yīng)用范圍和焊接能力也得到迅速的增加。

激光焊接的優(yōu)點(diǎn)

激光焊接有許多優(yōu)點(diǎn)，從而使得該技術(shù)成為替代傳統(tǒng)焊接最有競(jìng)爭力的一項(xiàng)替代技術(shù)。

自愈合（無需焊料）的焊接技術(shù)

激光焊接技術(shù)的眾多優(yōu)點(diǎn)之中，可以不使用填料就可以進(jìn)行焊接是其中之一。如果裝配和對(duì)接位置精準(zhǔn)的話，可以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)焊接和定位焊接。同時(shí)激光焊接是非接觸焊接，從而不會(huì)受到被焊接材料導(dǎo)電性和磁性的影響。同時(shí)，自愈合（無需填料）焊接還可以排除焊瘤焊渣的不利影響，同時(shí)不受焊縫寬度和焊縫深度的限制。單道就可完成焊接，在傳統(tǒng)焊接的時(shí)候，需要多道多層才能完成。同時(shí)激光焊接后的材料機(jī)械強(qiáng)度高、對(duì)震動(dòng)和沖擊的抗力大，同時(shí)引起的熱變形比較小，增減了激光焊接結(jié)構(gòu)（產(chǎn)品）的穩(wěn)定可靠性。然而，在有些場(chǎng)合也是可以使用填料進(jìn)行焊接的。

可焊接大厚度的材料

激光焊接可以在不使用填充材料的條件下一次穿透焊接50mm的深度（2016年的數(shù)據(jù)），一般來說，20mm的板可以采用2萬瓦的激光器輕易實(shí)現(xiàn)焊接。另一方面，如果采用多道焊接和添加填料焊接的話，則焊接深度就沒有限制。一般來說，可焊接的厚度不僅同材料特性相關(guān)，還同激光功率相關(guān)，如下圖所示為激光焊接參數(shù)的特征描述及其所帶來的優(yōu)勢(shì)。

圖2 激光焊接時(shí)的參數(shù)及其帶來的效果

異種材料焊接

在工程實(shí)踐中，不管從技術(shù)角度還是從經(jīng)濟(jì)角度，異種材料的焊接是不可避免的事情。盡管異種材料的焊接面臨著冶金不相容的問題，人們?nèi)匀辉谧巫尾痪氲奶剿鳟惙N材料的焊接。如使用傳統(tǒng)方法進(jìn)行焊接的話，有著諸多的選擇，如氣體保護(hù)焊、埋弧焊、乃至高能量密度的等離子弧焊和電子束焊接。除去以上的熔化焊接技術(shù)，還有壓力焊。摩擦焊、電阻焊、釬焊和錫焊、機(jī)械連接等手段可以避免熔化焊接所帶來的問題。但在高溫應(yīng)用場(chǎng)合，粘結(jié)焊接和錫焊等制品就不能獲得滿意的結(jié)頭和經(jīng)受住時(shí)間的考驗(yàn)。解決的辦法就是采用電子束焊接和激光焊接。這兩種焊接方法引起了人們的廣泛興趣。由于激光焊接不需要真空且適應(yīng)性強(qiáng)，激光焊接可謂獨(dú)領(lǐng)風(fēng)騷。

目前異種材料的焊接已經(jīng)取得了一些可喜的成績，如Al/鋼、鋼/Kovar、Cu/鋼以及Cu/Al焊接已經(jīng)得到了應(yīng)用。異種材料的焊接只是滿足特殊場(chǎng)合的應(yīng)用，如圖3為異種材料之間可以實(shí)現(xiàn)焊接的組合圖。圖4為激光焊接鈦合金與其他金屬時(shí)的組織及其拉伸性能。圖5為激光焊接金屬與塑料的示意圖（上）即焊接PET與304不銹鋼時(shí)得到的實(shí)物圖。

圖3 不同元素組合進(jìn)行激光焊接時(shí)金屬的相容性

圖4 鈦合金與其他監(jiān)護(hù)材料繼續(xù)擰異種激光焊接時(shí)得到的顯微組織和拉伸強(qiáng)度

圖5 激光直接接焊接金屬與塑料（上）和焊接PET與304不銹鋼的實(shí)物圖（下）

復(fù)合焊接

復(fù)合焊接技術(shù)得到了深入的研究并在許多場(chǎng)合得到了應(yīng)用。其中激光-GMAW由于操作簡單且易于安裝在機(jī)器人上進(jìn)行操作而在汽車工業(yè)中得到大量的應(yīng)用。同時(shí)在造船、航空等工業(yè)中的厚板連接上也得到了應(yīng)用。如圖6為鈦合金與316不銹鋼進(jìn)行復(fù)合焊接時(shí)形成的機(jī)理示意圖。

圖6 鈦合金和316 不銹鋼的復(fù)合焊接機(jī)理圖

可光纖傳輸

激光可以通過光纖傳輸且能量損失少，從而使得激光可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程焊接，激光也可以通過鏡片來傳輸。這是激光焊接的柔性比傳統(tǒng)焊接要好的重要原因之一。

遠(yuǎn)程焊接

近年來，利用大的聚焦鏡、高功率激光來實(shí)現(xiàn)高速3D掃描加工，從而實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程焊接。遠(yuǎn)程焊接只需要轉(zhuǎn)動(dòng)激光頭或改變掃描振鏡的方向就可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離焊接。這大大的縮短了原先焊接時(shí)工件或者激光頭空運(yùn)轉(zhuǎn)的時(shí)間，從而使得加工效率大大提升。最新的激光遠(yuǎn)程焊接配備了3D掃描系統(tǒng)和機(jī)器人傳輸系統(tǒng)。

圖7 傳統(tǒng)激光焊接（左圖）和遠(yuǎn)程焊接的軌跡示意圖（右圖）

環(huán)境友好

傳統(tǒng)的焊接技術(shù)如GMAW、埋弧焊等等都會(huì)釋放出有毒有害的金屬蒸汽或顆粒物，不符合環(huán)境和衛(wèi)生防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)。而激光焊接幾乎是零排放。配備吸塵吸煙設(shè)備后，達(dá)到零排放。

光源豐富

激光光源種類豐富，幾乎所有波段的光都可以制造出相應(yīng)波段的激光器，從而可以實(shí)現(xiàn)不同焊接對(duì)象的焊接，并能達(dá)到滿意的焊接效果，這也是迄今為止，沒有一種焊接設(shè)備可以同激光相媲美。常用于焊接的激光光源有二氧化碳激光、YAG激光、Nd玻璃激光、Yb：YAG：Nd:YAG、Er:YAG、KrF、ArF、XeCl、半導(dǎo)體激光（GaAs、InGaAs、GaAlAs、GaN）等。

圖8 豐富多樣的激光光源的來源

應(yīng)用廣泛

激光焊接作為一種新的且重要的連接技術(shù)，在高強(qiáng)鋼、鍍鋅鋼、鋁合金、不銹鋼、鎳基合金和鎂合金中得到了廣泛的應(yīng)用。同時(shí)成為航空航天、汽車、電子、石油化工、電力、造船等行業(yè)中重要的焊接手段。同時(shí)，目前在廚房衛(wèi)浴等制品的焊接中而已開始占據(jù)著重要的位置。