激光焊接技術的研究現狀及發展趨勢

王　志，胡芳友，崔愛永，劉浩東

(海軍航空工程學院 青島校區，山東 青島 266041)

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激光焊接技術的研究現狀及發展趨勢

王志，胡芳友，崔愛永，劉浩東

(海軍航空工程學院 青島校區，山東 青島 266041)

摘要：激光的特有優勢促進了其在焊接領域的應用，激光焊接技術的發展離不開激光器的推動。簡要總結了激光器的研究現狀和發展趨勢，主要介紹了激光焊接技術在航空航天、汽車制造和造船等3個領域的應用現狀，最后對激光焊接技術的未來發展進行了展望。

關鍵詞：激光器；激光焊接；發展趨勢；研究現狀

激光自發明以來，以其高亮度、高方向性、高單色性和高相干性的優勢在科研、工業、軍事和通信中扮演著重要的角色。激光焊接是激光領域非常重要的研究方向之一，已經被廣泛應用于航空航天、汽車制造和造船等領域。與傳統焊接方法相比，激光焊接主要有如下優點： 高功率密度可以提高焊縫熔深和焊接速度；毫米級光斑可以減小焊縫熱影響區和殘余應力；適應性更廣；運用光纖傳播，不受大氣和電磁場的影響。據統計，在制造業中有大約25%的焊接是由激光焊接完成的，因此，激光焊接技術被譽為“21世紀最有發展潛力的高能束流焊接技術之一”[1]。

本文主要對激光器的發展以及激光焊接技術在相關領域的應用進行綜述，同時對激光焊接技術的發展趨勢進行展望。

1激光器的研究動態

激光焊接技術的發展離不開激光器發展的推動。激光器經過半個多世紀的發展，已經滲透到各個領域，并發揮著不可替代的作用。激光器按照工作物質的種類可以分為固體激光器、液體激光器、氣體激光器、半導體激光器和其他激光器。

1.1研究現狀

在氣體激光器中，較為典型的是二氧化碳氣體激光器。從二氧化碳氣體激光器的發展歷程來看，人們主要追求的是激光功率的提高和光束質量的提高。發展至今，已經出現了第5代二氧化碳氣體激光器——擴散冷卻型二氧化碳激光器，其中，擴散冷卻板條式二氧化碳激光器一經推出就受到眾多企業的青睞。

固體激光器的出現克服了氣體激光器體積大、結構復雜、維護困難和光致等離子體嚴重等缺陷。隨著技術的發展，平均功率100 kW已被認為是中近期內可以實現的目標[2]。現在比較典型的激光器是固體熱容激光器、緊湊有源反射鏡激光器、側抽運板條激光器和光纖激光器等。其中，光纖激光器是在半導體激光器的基礎上發展起來的一種新型激光器(見圖1)。自問世以來，就以其低閾值、高效率、窄線寬、可調性和高性能價格比等優點而受到人們的關注[3]。光纖激光器在20世紀60年代由Snitzer[4]提出時，由于受到光纖技術、抽運技術以及半導體激光技術的限制一直發展緩慢，直到20世紀80年代后期包層抽運技術的提出，才使光纖激光器得以迅速發展。光纖激光器按照激勵機制可分為4類：稀土摻雜光纖激光器、利用光纖的非線性效應制作的光纖激光器、單晶光纖激光器和染料光纖激光器。其中，摻鐿元素的光纖激光器發展最為迅速。

圖1　IPG光纖激光器

1.2展望

激光器在發展的過程中主要涉及工作物質的改進、泵浦源的改進和工作物質結構的改進，因此，人們對于激光器的研究主要是追求高功率、高效率以及高光束質量。隨著激光器的發展，相信其在社會的各個領域會扮演更加重要的角色。

2激光焊接技術的應用

目前，激光焊接技術已經被應用于各個領域，例如航空航天、汽車制造和造船等行業。

2.1航空航天領域

在航空航天領域中，主要應用電子束焊、激光焊、攪拌摩擦焊、線性摩擦焊和擴散焊等不同的焊接方法。其中，激光焊占有重要的地位。激光焊接廣泛應用于航空航天制造業，尤其是武器裝備和飛行器制造中，飛機蒙皮的拼接、蒙皮與長衍的焊接、機身附件的裝配、薄壁零件的制造、合金飛行舵翼焊接以及燃料貯箱加強筋條激光焊代鉚等[5]。激光焊接技術的優勢對于提高飛機結構性能、減輕基體質量具有重要意義[6]。美國早在20世紀70年代就對飛機制造業中的各種材料和零部件進行了激光焊接試驗。歐洲空中客車工業公司研制的空中客車A380在生產過程中，采用激光焊接方法代替鉚釘鉚接方法，使機身凈重減少了15%，成本下降了25%，為增加座位、提高運載量和降低耗油量提供了最大可能[7]。在我國，5 kW工業用二氧化碳激光焊接裝備已經在航空制造業逐漸普及，10 kW激光器也開始進入工程化應用。

1420鋁鋰合金、TC4、BT20鈦合金、GH140合金和Inconel625合金都是航空領域經常用于飛機制造的材料，眾多學者對上述材料的激光焊接性能做了大量研究，為激光焊接在航空航天領域的應用打下了堅實的基礎。同時，激光焊接修復工藝的發展為飛機結構的快速修理提供了新的技術手段[8]。

2.2汽車制造領域

汽車工業的發展對車體質量提出了更高要求的同時，對加工方法也有了更高的要求。與傳統的加工方法相比，激光焊接加工質量好，生產效率高，因此，被廣泛應用于汽車制造領域。早在20世紀80年代，德國的奧迪、奔馳和大眾，瑞典的沃爾沃等歐洲汽車制造廠就率先采用了激光技術焊接車身、車頂和側框等。美國的通用、福特公司，意大利菲亞特公司，日本的本田、豐田公司也相繼把激光焊接技術引入汽車制造中。

激光焊接在汽車制造中的整體工藝主要包括三大類型：不等厚板的激光拼焊；車身總成與分總成的激光組焊；汽車零部件的激光焊接[9]。目前，激光拼焊板已應用在汽車的行李箱加強板、行李箱內板、減振器支座和側圍內板等部位上。早在2000年，全球范圍內剪裁坯板激光拼焊生產線就已超過了100條，年產轎車構件拼焊坯板7 000萬件，且每年繼續以較高速度增長[10]。激光焊接在汽車制造中的應用實例如圖2所示。

圖2　激光焊接在汽車制造中的應用

鋁合金激光焊接技術的逐步成熟也促進了全鋁結構轎車的發展，如奧迪A2全鋁結構轎車車身激光焊縫總長度達到30 m。歐洲50%～70%的汽車零部件生產采用了激光焊接技術，僅德國大眾一家公司在生產線上使用的激光焊機就達到700多臺。激光焊接的應用使車身質量減輕的同時，車身抗扭剛度增加了80%以上，抗彎剛度增加了35%以上[11]。

2.3造船領域

在船舶建造和修理領域中，應用激光焊接技術最為成熟的是歐洲造船業。為了適應船舶輕量化發展的要求，人們使用激光焊接技術來代替傳統的焊接方法，使焊接效率和焊接質量都得到了有效提高。適合于激光焊接的船體部位主要是船舶甲板和艙壁。目前，激光焊接技術在造船領域的應用已經相當成熟，如潛艇制造中高強度鋼的激光切割和焊接，再如大型低速機活塞缺陷通過激光焊接修補，使得低速機活塞部件在工作幾千小時后，通過修復使得壽命延長2～3倍[12]。激光焊接技術應用于造船業以來，對造船業的發展起到了變革性的作用。目前，歐洲一些大型船廠已大量采用激光切割和大功率激光焊接技術，并進行了大功率光纖激光工業加工設備的開發。

3展望

激光焊接技術作為一種綠色再制造技術，已經得到了高度重視，也得到了各個領域的高度認可。目前，關于激光焊接的發展趨勢主要有如下3點。

1)對于焊接材料的研發。除了對碳素鋼、不銹鋼等鋼材料的研究，還包括對鋁合金、鎂合金和鈦合金等有色金屬材料的研究，現在對異種材料、高溫合金、復合材料和塑料[13]的研究又掀起一輪新的高潮。

2)針對焊接工藝的優化。為了避免激光焊接的一些缺陷，發揮它的特有優勢，人們考慮到研發與激光焊接相配套的復合工藝(如激光-電弧復合焊接等)來提高激光焊接的質量[14]。這種技術已經在大眾汽車公司、奧迪汽車公司等得到了應用。

3)開發智能化的激光焊接加工系統。該系統主要包括在線監控、實時反饋處理。結合先進的計算機技術和機器人技術，該系統可以大幅提高激光焊接的工作效率和焊接質量。

可以預見，在不久的將來，激光焊接會在航空航天、汽車制造和造船等不同領域發揮更大的作用。

參考文獻

[1] 陳彥賓．國防焊接技術研究應用現狀與發展[J]．國防制造技術，2009(3)：9-11．

[2] 梅遂生．向100 kW進軍的固體激光器——淺析國外高能固體激光技術發展現狀與趨勢[J]．激光與光電子學進展，2005，42(10)：2-8．

[3] 曾惠芳，肖芳惠．高功率光纖激光器及其應用[J]．激光技術，2006，30(4)：438-441．

[4] 李晉閩．高平均功率全固態激光器發展現狀、趨勢及應用[J]．激光與光電子學進展，2008，45(7)：16-29．

[5] 巖石．航空航天先進特種焊接技術應用調查報告[J]．航空制造技術，2010(9)：58-59．

[6] 徐健.超聲振動激光焊對TC2鈦合金焊接后殘余應力的影響分析[J]．新技術新工藝，2015(9)：102-105.

[7] 羅敬文．高功率激光加工裝備推動航空航天領域的發展[J]．電焊機，2013(5)：25-27．

[8] 汪定江，王東鋒，陳名華，等．基于激光加工技術的飛機鈦合金構件損傷快速修復新工藝[J]．新技術新工藝，2013(4)：70-71．

[9] 陳根余，梅麗芳，張明軍，等．激光焊接、切割在汽車制造中的應用[J]．激光與光電子學進展，2009(9)：17-23．

[10] 李亞江，李嘉寧．激光焊接、切割、熔覆技術[M]．北京：化學工業出版社，2012．

[11] 辛晨光．激光制造技術的應用與展望[J]．現代制造工程，2012(9)：130-134．

[12] Kujala P，Klanac A．Steel sandwich panels in marine applications[J]．Brodogradnja，2005，56(4)：305-314．

[13] Jones I．Laser welding for plastic components[J]．Assembly Automation，2002，22(2)：129-135．

[14] 汪蘇，沈忠睿．激光-電弧復合焊接頭研究進展[J]．新技術新工藝，2010(11)：54-57．

責任編輯鄭練

Current Status and Prospect of Research on Laser Welding Technology

WANG Zhi, HU Fangyou, CUI Aiyong, LIU Haodong

(Naval Aeronautical Engineering Institute Qingdao Branch, Qingdao 266041, China)

Abstract：As a result of the advantage of laser， the applications of laser in the field of welding are accelerated. Laser promotes the development of laser welding technology. The present status and trend in development of the laser is summed up briefly. The present status of the application about laser welding technology in the aviation, automotive industry and shipbuilding industries is mainly indicated. Finally, the development of laser welding technology in the future is prospected.

Key words:laser, laser welding, trend of development, research status

收稿日期：2015-10-09

作者簡介：王志(1991-)，男，碩士研究生，主要從事激光焊接在航空飛行器維修領域的應用等方面的研究。

中圖分類號：TG 441

文獻標志碼:A