淺談激光焊接技術(shù)的發(fā)展

（中國(guó)飛行試驗(yàn)研究院，陜西 西安 710089）

0 前言

近年來(lái)，科學(xué)技術(shù)作為第一生產(chǎn)力，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)領(lǐng)域的變革。激光技術(shù)是科學(xué)技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)物，其與焊接技術(shù)的融合，使得工業(yè)與制造業(yè)突破了傳統(tǒng)技術(shù)的局限，提升了焊接的整體質(zhì)量。傳統(tǒng)的焊接技術(shù)主要以人工焊接為主，其在焊接過(guò)程中極易受到人員素質(zhì)、操作行為的影響，無(wú)法保證焊接的效率與質(zhì)量。而激光焊接技術(shù)作為一種新型的焊接技術(shù)，具有技術(shù)優(yōu)勢(shì)，可以保證焊接的精確性，在未來(lái)必將有廣闊的發(fā)展與應(yīng)用空間。

1 激光焊接技術(shù)

1.1 具體內(nèi)涵

激光焊接技術(shù)主要是傳統(tǒng)焊接技術(shù)與激光技術(shù)結(jié)合所形成的一種新型技術(shù)，其在應(yīng)用的過(guò)程中，集合了2 種技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，突破了傳統(tǒng)焊接技術(shù)的局限性。在實(shí)際的激光焊接技術(shù)的應(yīng)用過(guò)程中，高能量密度的激光束可以產(chǎn)生熱源，以激光為介質(zhì)，激光本身的聚焦功能使其可以在短時(shí)間內(nèi)快速形成強(qiáng)烈脈沖，并以此來(lái)完成相應(yīng)的加工、切割等工序，如圖1 所示。因此，綜合來(lái)看，激光焊接技術(shù)具有高效性與精密性特征。

圖1 激光焊接示意圖

1.2 激光焊接技術(shù)分類

根據(jù)激光焊接實(shí)際作用在工件上的功率密度或者焊縫特點(diǎn)，可以將其分為以下2 種類型。1）熱傳導(dǎo)焊接。熱傳導(dǎo)焊接主要是在加工的過(guò)程中，利用激光的輻射作用，金屬材料表面的部分激光被反射出去，而部分激光被金屬材料所吸收，這種激光的反射與吸收過(guò)程實(shí)現(xiàn)了光能向熱能的轉(zhuǎn)化，金屬材料發(fā)生熔化反應(yīng)，外層熱以傳導(dǎo)形式向內(nèi)層傳遞，這種熱傳遞有效實(shí)現(xiàn)了各個(gè)元件的連接。熱傳導(dǎo)焊接具有加熱速度快、焊點(diǎn)小、焊縫窄、熱影響區(qū)小的特征，焊接精度與質(zhì)量都較高。2）激光深熔焊。激光深熔焊主要是在輻射功率與密度較高的情況下使用，當(dāng)激光輻射到金屬材料外層時(shí)，金屬材料會(huì)實(shí)現(xiàn)光能向熱能的轉(zhuǎn)化，金屬材料發(fā)生熱熔反應(yīng)。在熱熔的過(guò)程中，金屬材料會(huì)發(fā)散一定量的金屬蒸汽，而在蒸汽的形成過(guò)程中，反作用力會(huì)逐步出現(xiàn)，這種反作用力會(huì)使金屬液體被擠壓，形成凹槽，在激光輻射的作用下，凹槽深度逐漸變大，當(dāng)輻射結(jié)束以后，凹槽周邊的液體逐漸回溯，在冷卻以后可以得到良好的連接效果，具有高深度比、最小熱輸入、高致密性、墻固焊縫、精確控制的特點(diǎn)[1]。

1.3 激光焊接技術(shù)的特點(diǎn)

與傳統(tǒng)的焊接技術(shù)相比激光焊接技術(shù)具有明顯的優(yōu)勢(shì)，主要體現(xiàn)在以下4 個(gè)方面。1）熱影響區(qū)域相對(duì)較小。激光焊接技術(shù)下，其焊接過(guò)程主要是將激光束直接打到被焊接部位，再加上激光束本身具有較強(qiáng)的方向性，且其熱源相對(duì)集中，使得激光束被焊接區(qū)域內(nèi)的熱影響范圍相對(duì)較小。因此，基于激光焊接技術(shù)的這種特點(diǎn)，該技術(shù)可以被應(yīng)用于很多精密化零部件的加工與制造中，可以有效避免在高精密零部件焊接過(guò)程中出現(xiàn)收縮、變形情況。2）焊接質(zhì)量較高。激光束焊接過(guò)程中，由于激光束本身可以聚集大量的熱量，且焊接過(guò)程中基本不會(huì)對(duì)周邊區(qū)域產(chǎn)生較大影響，這樣就有效保證了焊接的整體質(zhì)量。3）靈活性較高。在隱蔽性部位的焊接處理上，激光焊接技術(shù)同樣可以取得理想的焊接效果，通過(guò)對(duì)激光束方向的控制與調(diào)整，就可以進(jìn)行焊接位置的精準(zhǔn)定位。4）適應(yīng)性。傳統(tǒng)的焊接技術(shù)在進(jìn)行金屬間的焊接處理時(shí)，具有明顯的焊接優(yōu)勢(shì)，在進(jìn)行異種合金焊接時(shí)則不具有優(yōu)勢(shì)，而激光焊接技術(shù)可以有效實(shí)現(xiàn)金屬與非金屬焊接的處理[2]。

2 激光焊接技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 激光填絲焊

在激光填絲焊工藝的應(yīng)用過(guò)程中，其技術(shù)特點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下3 個(gè)方面。1）有效解決了工件裝夾、拼裝要求嚴(yán)的問(wèn)題。2）可以應(yīng)用小功率激光器實(shí)現(xiàn)厚板多道焊。3）通過(guò)焊絲成分的調(diào)節(jié)，能夠有效實(shí)現(xiàn)焊縫區(qū)域的組織性能。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，其送絲示意圖如圖2 所示。

圖2 激光填絲焊的送絲位置

在激光填絲焊進(jìn)行焊接處理時(shí)，激光束與填充金屬之間存在著相互作用。填絲焊焊接處理時(shí)，激光作用于焊絲，當(dāng)焊絲熔化以后，填充拼縫間隙，在激光的繼續(xù)作用下，基體金屬熔化形成匙孔。激光束照射到焊絲以后，能量逐漸被吸收，一部分用于熔化焊絲，一部分用于填充金屬汽化，一部分從焊絲表面反射出去。

2.2 激光-電弧復(fù)合焊

該種工藝的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)明顯，具有較好的經(jīng)濟(jì)性與節(jié)能性，有效增加了熔深，可以最大程度地減少焊接的質(zhì)量缺陷，改善了微觀組織。焊縫的成形質(zhì)量更好，焊接適應(yīng)性更高，避免了焊接變形現(xiàn)象的出現(xiàn)。激光與電弧的復(fù)合方式主要包括了雙光束與TIG 電弧同軸復(fù)合、多電極TIG 電弧與激光同軸復(fù)合。

2.3 雙光束激光焊接

在雙光束激光焊接技術(shù)的應(yīng)用過(guò)程中，能夠有效提高激光焊接對(duì)裝配精度的適應(yīng)性，提高焊接過(guò)程的穩(wěn)定性，保證焊接的整體質(zhì)量。對(duì)于常規(guī)激光焊接難以焊接的材料與接頭，能夠取得理想的工藝應(yīng)用效果。

2.4 激光點(diǎn)焊

激光點(diǎn)焊主要是由激光點(diǎn)焊機(jī)來(lái)完成的，其主要是利用高能量的激光脈沖對(duì)材料進(jìn)行微小區(qū)域內(nèi)的局部加熱，激光輻射的能量通過(guò)熱傳導(dǎo)向材料的內(nèi)部擴(kuò)散，將材料熔化后形成特定熔池。作為一種新型的焊接方式，激光焊接主要針對(duì)薄壁材料、精密零件的焊接，可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)焊、對(duì)接焊、疊焊、密封焊等操作，深寬比高，焊縫寬度小，熱影響區(qū)小、變形小，焊接速度快，焊縫平整、美觀，焊后無(wú)需處理或只需簡(jiǎn)單處理，焊縫質(zhì)量高，無(wú)氣孔，可精確控制，聚焦光點(diǎn)小，定位精度高，易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。

3 激光焊接技術(shù)的應(yīng)用

3.1 制造業(yè)領(lǐng)域

在20 世紀(jì)80 年代，激光器的發(fā)展使得激光焊接技術(shù)逐漸被應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中，激光焊接技術(shù)的應(yīng)用改變了工業(yè)行業(yè)的發(fā)展模式，加快了工業(yè)的現(xiàn)代化發(fā)展進(jìn)程。比如，汽車行業(yè)作為新興產(chǎn)業(yè)，在汽車制造領(lǐng)域，激光焊接技術(shù)發(fā)揮著重要的作用。由于在汽車制造過(guò)程中，包含了各種精密化的零部件，而激光焊接技術(shù)的應(yīng)用為汽車生產(chǎn)與制造提供了重要的技術(shù)支持，其被應(yīng)用于汽車的多個(gè)零部件加工中。美國(guó)與日本是激光焊接技術(shù)發(fā)展相對(duì)成熟的國(guó)家，在通用、福特、克萊斯汽車制造企業(yè)，率先采用了激光焊接技術(shù)，取得了理想的技術(shù)應(yīng)用效果。日本的本田、豐田都應(yīng)用了激光焊接技術(shù)，其加工與制造的零部件具有良好的質(zhì)量，滿足了汽車裝配的高精度要求，推動(dòng)了汽車制造行業(yè)的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展[3]。

3.2 航天航空領(lǐng)域

對(duì)航空航天而言，其在制造過(guò)程中，涉及了多種焊接技術(shù)，例如電子束焊、激光焊。激光焊接技術(shù)基于其技術(shù)優(yōu)勢(shì)，在航空航天領(lǐng)域發(fā)揮著更為重要的作用，例如在武器裝備、飛行器的制造、飛機(jī)蒙皮的拼接、蒙皮的焊接處理上，激光焊接技術(shù)都有著廣泛應(yīng)用。美國(guó)是最早將激光焊接技術(shù)應(yīng)用于飛機(jī)零件與材料制造中的國(guó)家，歐洲的一些國(guó)家也逐漸將激光焊接技術(shù)應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域，經(jīng)由激光焊接技術(shù)所制造的產(chǎn)品，優(yōu)化了飛機(jī)的整體結(jié)構(gòu)性能，提高了飛機(jī)的安全性。

3.3 船舶制造領(lǐng)域

當(dāng)前，在經(jīng)濟(jì)社會(huì)快速發(fā)展的過(guò)程中，船舶制造逐漸朝著輕量化的方向邁進(jìn)，激光焊接技術(shù)在船舶制造中的應(yīng)用，有效保證了焊接的整體質(zhì)量，該技術(shù)的應(yīng)用能夠適應(yīng)當(dāng)前船舶行業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展的趨勢(shì)，比如，在甲板與艙壁中的應(yīng)用，取得了良好的焊接處理效果。歐洲國(guó)家在船舶制造中應(yīng)用激光焊接技術(shù)最為成熟，激光焊接技術(shù)具有先進(jìn)性，取代了傳統(tǒng)的焊接技術(shù)，在船舶甲板、艙壁上的應(yīng)用，保證了船舶制造質(zhì)量。

4 激光焊接技術(shù)的未來(lái)展望

激光焊接技術(shù)突破了傳統(tǒng)焊接技術(shù)的局限，隨著當(dāng)前科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，激光焊接技術(shù)的應(yīng)用有效保證了焊接效率，提升了焊接的精確度。在未來(lái)，技術(shù)的進(jìn)步必將帶動(dòng)激光焊接技術(shù)的快速發(fā)展，使得激光可以有更高的功率密度并且更快地釋放能量。當(dāng)前，在激光焊接技術(shù)的應(yīng)用過(guò)程中，由于其聚焦點(diǎn)相對(duì)較小，焊接材料可以在該技術(shù)條件下呈現(xiàn)出良好的黏連效果，避免了焊接過(guò)程中對(duì)材料的損傷。未來(lái)，技術(shù)的進(jìn)步必將使得激光焊接技術(shù)的聚焦點(diǎn)更小，使得其黏連效果更佳，可以從根本上消除材料的變形與損傷，因此，激光焊接技術(shù)將朝著更為精湛的方向發(fā)展，并能夠在技術(shù)的應(yīng)用過(guò)程中實(shí)現(xiàn)良好的成本控制，實(shí)現(xiàn)激光焊接技術(shù)的進(jìn)一步推廣。

5 結(jié)語(yǔ)

近年來(lái)，隨著工業(yè)與制造業(yè)的快速發(fā)展，激光焊接技術(shù)在這些領(lǐng)域逐漸得到了應(yīng)用，激光焊接技術(shù)可以保證焊接的效率與質(zhì)量，獲得更好的制造與加工效果。但是，目前我國(guó)激光焊接技術(shù)的發(fā)展水平有限，在未來(lái)，該技術(shù)必將加快工業(yè)與制造業(yè)的現(xiàn)代化發(fā)展進(jìn)程。