摘要： 論述了激光焊接工藝的特點(diǎn)，激光焊接存汽車工業(yè)、徽電子工業(yè)、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的應(yīng)用以及研究現(xiàn)狀，激光焊接的智能化控制，需進(jìn)一步研究與探討的問題

關(guān)鍵詞： 激光焊接，混合焊接，焊接裝置，應(yīng)用領(lǐng)域

Abstract： This paper dissertates the characteristic of the laser welding craft，its application and current research in such fields as auto industry，microelectronics industry，biomedicine，etc．，the intelligent control of laser welding，and the problems that need further researching and discussing．

Kew words：laser welding composite welding welding equipment application fields

1.引言

激光焊接是激光加工技術(shù)應(yīng)用的重要方而之一，20世紀(jì)70年代主要用于焊接薄壁材料和低速焊接，焊接過程屬于熱傳導(dǎo)型，即激光加熱工件表面，熱量通過熱傳導(dǎo)向內(nèi)部擴(kuò)散，通過控制激光脈沖的寬度、能量、峰值功率和重復(fù)率等參數(shù)．使工件熔化，形成特定的熔池。激光焊接作為一種高質(zhì)量、高精度、低變形、高效率和高速度的焊接方法，隨著高功率CO₂和高功率YAG激光器以及光纖傳輸技術(shù)的完善、金屬鉬焊接聚束物鏡等的研制成功，其在機(jī)械制造、航空航天、汽車工業(yè)、粉末冶金、生物醫(yī)學(xué)、徽電子行業(yè)等領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣。目前的研究豐要集中于CO₂激光和YAG激光焊接各種金屬材料時的理論．包括激光誘發(fā)的等離子體發(fā)光、吸收、散射特性、激光焊接智能化控制、復(fù)合焊接、激光焊接現(xiàn)象及小孔行為、焊接缺陷發(fā)生機(jī)理與防止方法等。并對鎳基耐熱合金、鋁合金及鎂合金的焊接性，焊接現(xiàn)象建模與數(shù)值模擬，鋼鐵材料、銅、鋁合金與異種材料的連接，激光接頭性能評價等方面做了廣泛的研究^[1]。

2.激光焊接的質(zhì)量與特點(diǎn)

激光焊接是將高強(qiáng)度的激光輻射至金屬表面，通過激光與金屬的相互作用，金屬吸收激光轉(zhuǎn)化為熱能使金屬熔化后冷卻結(jié)晶形成焊接。圖1顯示在不同的輻射功率密度下熔化過程的演變階段，激光焊接的機(jī)理有兩種：

（1）熱傳導(dǎo)焊接；（2）激光深熔焊。

2.1.激光焊接的焊縫形狀

對于大功率深熔焊由于在焊縫熔池處的熔化金屬，南于材料的瞬時汽化而形成深穿的閉孔空腔，隨著激光束與工件的相對運(yùn)動使小孔周邊金屬不斷熔化、流動、封閉、凝同而形成連續(xù)焊縫，其焊縫形狀深而窄，即具有較大的熔深熔寬比，在高功率器件焊接時，深寬比可達(dá)5：1，最高可達(dá)10：1^[2]。圖2顯示四種焊法在316不銹鋼及DUCOL W30鋼上的焊縫截面形狀的比較，對比的結(jié)論有以下幾點(diǎn)：（1)激光焊與電子束焊、鎢極惰性氣體電弧焊、等離子焊的主要優(yōu)點(diǎn)相似：焊縫窄、穿透性強(qiáng)、焊縫兩邊平、熱影響區(qū)?。?）電弧焊和等離子焊投資少，廣泛應(yīng)用了很多年，經(jīng)驗(yàn)比較多；（3)激光焊和電子束焊須在真空或局部真空中進(jìn)行，也可在空氣中，但電子束穿透能力比激光差；（4）激光焊和電子束焊，焊縫窄且熱影響區(qū)小．因而變形小。

2.2.激光焊接焊縫的組織性能

大功率激光焊接，因其能量密度極高，被焊工件經(jīng)受快速加熱和冷卻的反復(fù)作用，使得焊縫和熱影響區(qū)域極窄，硬度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于母材^[3]，該區(qū)域的塑性相對較低。為了降低接頭區(qū)域的硬度，應(yīng)采取焊接前預(yù)熱和焊后回火等相應(yīng)的工藝措施。在激光焊接中，現(xiàn)行焊接藝一般不需要填充金屬。在這種情況下，焊縫的組織和硬度主要南鋼板的化學(xué)成分和激光照射條件來決定。采用填充焊絲的激光焊接南于可以選擇任意合金成分的焊絲作為最佳的焊縫過渡合金，因而可以保證兩側(cè)母材的聯(lián)結(jié)具有最佳性能^[4] 。

3.激光焊接的應(yīng)用領(lǐng)域

3.1.制造業(yè)應(yīng)用

激光拼焊(TailoredBlandLaserWelding)技術(shù)在國外轎車制造中得到廣泛的應(yīng)用^[6] ，據(jù)統(tǒng)計(jì)，2000年全球范同內(nèi)剪裁坯板激光拼焊生產(chǎn)線超過100條，年產(chǎn)轎車構(gòu)件拼焊坯板7000萬件，并繼續(xù)以較高速度增長。國內(nèi)生產(chǎn)的引進(jìn)車型Passat，Bulck，Audi等也采用了一些剪裁坯板結(jié)構(gòu)。日本以CO₂激光焊代替了閃光對焊進(jìn)行制鋼業(yè)軋鋼卷材的連接，超薄板焊接，如板厚100~tm 以下的箔片無法熔焊，但通過有特殊輸出功率波形的YAG激光焊得以成功，顯示了激光焊的廣闊前途。日本還在世界上首次成功開發(fā)了將YAG激光焊用于核反應(yīng)堆中蒸氣發(fā)生器細(xì)管的維修等161，在同內(nèi)蘇寶蓉等還進(jìn)行了齒輪的激光焊接技術(shù)^[7]。20世紀(jì)80年代后期，千瓦級激光器成功應(yīng)用于T業(yè)生產(chǎn)，而今激光焊接生產(chǎn)線已大規(guī)模出現(xiàn)在汽車制造業(yè)，或?yàn)槠囍圃鞓I(yè)突出的成就之一 。9O年代美國通用、福特和克萊斯特公司競相將激光焊接引入汽車制造，盡管起步較晚，但發(fā)展很快。意大利菲亞特在大多數(shù)鋼板組，牛的焊接裝配中采用了激光焊接，日本的日產(chǎn)、本田和豐田汽車公司在制造車身覆蓋件中都使用了激光焊接和切割工藝，高強(qiáng)鋼激光焊接裝配件因其性能優(yōu)良在汽車車身制造中使用的越來越多，根據(jù)美國金屬市場統(tǒng)計(jì)，至2002年底，激光焊接鋼結(jié)構(gòu)的消耗將達(dá)到7萬噸， 比1998年增加3倍。#p#分頁標(biāo)題#e#

3.2.粉末冶金領(lǐng)域

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展．許多技術(shù)對材料有特殊要求．應(yīng)用冶鑄方法制造的材料已不能滿足需要。由于粉末冶金材料具有特殊的性能和制造優(yōu)點(diǎn)．在某些領(lǐng)域如汽車、飛機(jī)、工具刃具制造業(yè)中正在取代傳統(tǒng)的冶鑄材料，隨著粉末冶金材料的日益發(fā)展．它與其它零件的連接問題顯得日益突出．使粉末冶金材料的應(yīng)用受到限^[8]。在20世紀(jì)80年代初期．激光焊以其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)入粉末冶金材料加T領(lǐng)域，為粉末冶金材料的應(yīng)用開辟了新的前景，如采用粉末冶金。料連接中常用的釬焊方法焊接金剛石，由于結(jié)合強(qiáng)度低，熱影響區(qū)寬特別是不能適應(yīng)高溫及強(qiáng)度要求高而引起釬料熔化脫落，采用激光焊接可以提高焊接強(qiáng)度以及耐高溫性能^[9-11]。

3.3.電子工業(yè)

激光焊接在電子T業(yè)中，特別是微電子工業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用^[12]。由于激光焊接熱影響區(qū)小，加熱集中迅速、熱應(yīng)力低，因而正在集成電路和半導(dǎo)體器件殼體的封裝中．顯示了獨(dú)特的優(yōu)越性，在真空器件研制中，激光焊接也得到了應(yīng)用，如鉬聚焦極與不銹鋼支持環(huán)、快熱陰極燈絲組件等。傳感器或溫控器中的彈性薄壁波紋片其厚度在0．05～0．1mm，采用傳統(tǒng)焊接方法難以解決， 電弧焊容易焊穿，等離子焊穩(wěn)定性差，影響因素多，而采用激光焊接效果很好，得到廣泛的應(yīng)用。

3.4.生物醫(yī)學(xué)

生物組織的激光焊接始于20世紀(jì)70年代，Klink等及Jain^[13]用激光焊接輸卵管和血管的成功及顯示出來的優(yōu)越性，使更多研究者嘗試焊接各種生物組織，并推廣到其它組織的焊接^[14,15]。有關(guān)激光焊接神經(jīng)方面，目前同內(nèi)外的研究主要集中在激光波長、劑量及對功能恢復(fù)及激光焊料選擇等方面^[16-181，劉銅軍在激光焊接小血管及皮膚^[19]等基礎(chǔ)研究的基礎(chǔ)上又對大白鼠膽總管進(jìn)行了焊接研究^[20]。激光焊接療法與與傳統(tǒng)的縫合方法比較．激光焊接具有吻合速度快．愈合過程中沒有異物反應(yīng)，保持焊接部位的機(jī)械性質(zhì)，被修復(fù)組織按其原生物力學(xué)性狀牛長等優(yōu)點(diǎn)^[21]，將在以后的生物醫(yī)學(xué)中得到更廣泛的應(yīng)用。

3.5.其他領(lǐng)域

在其他行業(yè)中，激光焊接也逐漸增加，特別是在特種材料焊接方面，我國進(jìn)行了許多研究，如對BT20鈦合金^[22]、HE130合金^[23]、Li—ion^[24]電池 等激光焊接。德國玻璃機(jī)械制造商Glamaco Coswig公司與IFW 接合技術(shù)與材料實(shí)驗(yàn)研究院合作開發(fā)出了一種用于平板玻璃的激光焊接新技術(shù)。

4.激光焊接設(shè)備的智能化控制

激光焊接監(jiān)控自動化的關(guān)鍵之一是熔池的實(shí)時監(jiān)視，因此，跟蹤傳感器的選擇成了一個至關(guān)重要的前提：在所有傳感器中，光學(xué)傳感器以其靈敏度和測量精度高，動態(tài)特性好，與I 件無接觸及包含的信息量大等特點(diǎn)，成為發(fā)展最快的跟蹤傳感器。而CCD(Charge—coupled Device電荷耦合裝置 集成光學(xué)器件的應(yīng)用，又使得光學(xué)傳感器上升到視頻傳感的新高度^[25]。激光焊接的優(yōu)點(diǎn)之一是焊接速度快，薄板的焊接速度可達(dá)10m／min以上^[26]，但在高速連續(xù)的焊接過程中，如果出現(xiàn)焊接缺陷，將在極短的時間內(nèi)造成大量的廢品。實(shí)現(xiàn)在線的激光焊接質(zhì)量監(jiān)測是保汪質(zhì)量十分重要的環(huán)節(jié)，華中科技大學(xué)設(shè)計(jì)的信號處理及反饋控制系統(tǒng)，通過將聲、光傳感器所采集的信號放大、濾波、雙限比較后進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換，再將數(shù)字信號由微機(jī)進(jìn)行處理等，對激光輸出功率、焊接速度、離焦量等r藝參數(shù)進(jìn)行控制實(shí)現(xiàn)最佳工藝參數(shù)^[27]。解決熔透問題，基本前提是對激光焊接過程進(jìn)行實(shí)時檢測和控制，提取激光焊接的特征信號。

5.1.復(fù)合焊接

人們在廣泛應(yīng)用激光焊接技術(shù)的同時，不斷地對其進(jìn)行深入的研究，發(fā)現(xiàn)它有一定的缺點(diǎn)：在激光焊接過程中，母材受熱熔化、汽化，形成深熔小孔，孔中充滿金屬蒸汽，金屬氣體激光作用形成等離子云。等離子云吸收、反射激光，降低金屬材料對激光的吸收率，使激光的能量利用率降低；對焊接母材端面接要求高， 容易產(chǎn)生錯位；容易生成氣孔疏松和裂紋；焊后在母材端面之問的接口部位存在凹陷，焊接過程不穩(wěn)定等。為減少或消除單熱源激光焊接的缺陷，人們在保持激光加熱優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，利用其他熱源的加熱特性來改善激光對工件的加熱，從而把激光與其他熱源一起進(jìn)行復(fù)合熱源焊接，主要有激光與電弧、激光與等離子弧、激光與感應(yīng)熱源復(fù)合焊接以及雙激光束焊接等。激光與電弧焊接結(jié)合起來，這種復(fù)合工藝綜合了激光與電弧的優(yōu)點(diǎn)，即將激光的高能量密度和電弧的較大加熱區(qū)組合起來，其優(yōu)點(diǎn)：1）可增加焊接熔深；2）提高焊接速度與生產(chǎn)率；3）改善接頭性能；4）降低設(shè)備成本，同時通過激光與電弧的相互作用，來改善激光能量的耦合特性和電弧的穩(wěn)定性，以獲得一種綜合的效果，但是由于電弧的引入增加了焊接的熱輸入，從而使焊接熱影響區(qū)和熱變形增大。

5.2.#p#分頁標(biāo)題#e#激光焊接的控制

在激光焊接熔透控制研究中，建立熔池形狀參數(shù)與焊接工藝間的關(guān)系是關(guān)鍵問題，在實(shí)驗(yàn)過程中，對熔池形狀信息獲知越豐富，對焊接過程熔透控制的效果越理想。許多學(xué)者根據(jù)激光深熔焊中的小孔機(jī)制，對激光焊接的溫度場、液體流動及小孔形狀、尺寸進(jìn)行了計(jì)算并取得了一定效果。

5.3.激光焊接的激光發(fā)生器及其工藝發(fā)展趨勢

目前的激光焊接所使用的激光器主要為大功率CO₂，激光器和脈沖Nd：YAG激光器，對于CO₂氣體激光要解決大功率激光器的放電穩(wěn)定性，對于YAG 固體激光器要研制大容量、長壽命的光泵激勵光源。光纖激光器具有高轉(zhuǎn)換效率和極低損耗，極好光束質(zhì)量、高效率和可靠性，并且結(jié)構(gòu)非常緊湊，在不遠(yuǎn)的將來，單光纖、單模光纖的輸出功率將超過千瓦級，在激光焊接領(lǐng)域?qū)⒌玫綉?yīng)用。采用直接二極管陣列激光輸出波長在近紅外區(qū)域的激光平均功率已達(dá)lkW，光電轉(zhuǎn)換效率接近50％，這些激光設(shè)備和技術(shù)，將在焊接應(yīng)用方面發(fā)揮更大的作用。在激光光束質(zhì)量及加r外罔裝置方面，應(yīng)研究各種激光加工工藝對激光光束的質(zhì)量要求、激光光束和加工質(zhì)量監(jiān)控技術(shù)、光學(xué)系統(tǒng)及加工頭設(shè)計(jì)和研制，開展焊接藝及材料、焊接T藝對設(shè)備要求及焊接過程參數(shù)監(jiān)測和控制技術(shù)研究，從而掌握普通鋼材、有色金屬及特殊鋼材的焊接工藝。

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