有關激光加工的綜述

趙思博 李成棟

DOI：10.16660/j.cnki.1674-098x.2101-5640-0638

摘? 要：自從出現激光焊接技術，人們對它的重視程度越來越高。現代科學技術水平不斷提高，各國不斷努力開發的激光焊接技術愈加純熟，相對于傳統焊接方式的優勢也愈加凸顯，激光焊接憑借自己獨特的優勢，廣泛地滲透到與其相關的各個領域，對于我國工業經濟發展起到重要的推動作用。本文重點介紹了當前激光焊接技術的工作原理、發展現狀以及對未來發展的展望。

關鍵詞：激光焊接? 原理? 現狀? 展望

中圖分類號：TG44? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2021）03（c）-0001-3.5

An Overview of Advanced Welding Methods - Laser Welding

ZHAO Sibo? LI Chengdong

（Jiangsu Ocean University， Lianyungang， Jiangsu Province， 222000 China）

Abstract： Since the emergence of laser welding technology， people have attached great

importance to it.With the rapid development of modern science and technology and the continuous improvement of the level， countries continue to work hard to develop and explore， laser welding technology has become more sophisticated， and its advantages over traditional welding methods have become more prominent. Laser welding also relies on its own unique advantages， widely penetrated into various fields related to it， and has played an important role in promoting the development of my country's industrial economy. This article focuses on the current working principle of laser welding technology， development status and prospects for future development.

Key Words： Laser welding; Theory; Current situation; Outlook

就當前社會而言，不管是軍用領域還是民用領域，焊接技術無疑已經成為人們賴以需求的保障工業以及許多相關領域的關鍵技術。它是先進生產力和先進科學技術下的產物，更是促進社會先進生產力水平提高的重要推動技術。激光焊接技術相對落后的手工焊接技術有著諸多種類的先進之處，企業對于激光焊接技術的需求也是越來越高。雖然有著諸多亟待解決的重難點問題，但隨著科學技術的不斷迅猛發展，激光焊接技術無疑有著極其巨大的發展空間。

1? 激光加工的簡介

激光焊接技術最早出現在上世紀中后期，相對于落后的人工焊接技術，它的操作時間更短、變形更小、深度更大、操作更簡單[1]。如今，激光焊已深入滲透于空間探索、船舶制造、汽車工業、醫療器械、電子制造業等諸多領域[2]。

激光焊接技術是依賴激光發出的巨大熱量將材料熔化來完成焊接目的的工藝，以必要的某種方式來激勵激光頭部的特定介質（諸如CO2與某類氣體的混合體等）[3]，然后讓其在震蕩腔中來回循環的震蕩，進而形成達到焊接要求的高密度光束，當光束與工件發生接觸之后，工件被焊接部分開始急劇升溫，當溫度達到焊接部分的熔點時，材料開始熔融，此時便可進行焊接。激光焊接實際上就是激光光束與非透明材料之間相互接觸，進而發生物理化學反應的過程。因為激光焊接不用和被焊接的材料接觸，不用在操作的過程中施加壓強，又因為沒有接觸，不存在電極，也就不會產生如電極污染或者受損的問題，當然也不用考慮工具損耗和替換等耗時耗力的情況，因此十分方便[4]。沒有磁場的影響，定位可以變得相當精準，能夠達到進行微型工件的大批量生產工藝的要求。激光焊接可以在任何情況下進行，不用必要的真空條件，這樣一來，就可以有效減少木材的使用量，簡潔的保護了環境[5]。而且它可以焊接各種材料，包括熔點極高的多種材料，甚至陶瓷和玻璃制品，在異型材料的一些方面，焊接效果也相對傳統焊接好很多[6]。激光切割與激光焊接原理相似，不過要使材料達到更高的溫度，使材料達到氣化的條件，將材料從中斷開[7]。激光切割與焊接有類似的優點，具有清潔性、精準性、高效性等優點，和焊接技術相輔相成，廣泛應用于金屬制造、機械加工、零件裝配等領域，較為客觀的改善了以往傳統切割技術下惡劣的生產環境，提高了生產效率，成為切割金屬的主流技術[8]。

2? 激光焊接的國內外現狀

2.1 國外研究現狀

包括美國在內的很多西方國家的激光焊接的技術水平已經比較成熟并逐步深入。早在上個世紀末，這些國家就已經把激光焊接充分應用到工業生產中[9]。并且攻克了很多前所未有的難點，技術水平有了極大的提高。由于工業發展的依賴，對這一技術的充分探究，美、德兩國早就把這種技術應用于軍事和宇宙探索中去了，比如美國在軍事領域船艦方面大力普及這一技術，德國為了使國家的海軍力量得到加強，將此技術成果用于研發海下潛艇船體的重點的部分。在亞洲，日本的激光焊接技術已經相當成熟，早已應用到如航空航天、汽車、船舶、醫療器械的制造等領域。很長時間里，先進的西方以及日本等國家為于本國的科技發展技術創新創造了完美的發展條件和政策的鼓勵，吸引了大量相關專業人才，優厚的待遇及便利的條件催生了一片創新的局面，這種良性循環也帶來了其國家迅猛的發展。工業生產的格局也因受到這一技術的影響發生了翻天覆地的變化與革新，企業的產品質量越來越高，生產效率也是大幅提升。對于這一技術各國都在不斷努力研究，所涉獵的領域也越來越多，應用范圍也越來越廣，各國工業正在因此而不斷加速發展。近年來，許多國外科技人員的目光已經不單單趨于傳統單一的焊接方式，對它的移動方式以及內部發熱的源頭等方面展開考究，并研究出最合適的焊接重要操作系數，提高了多種激光焊接方式的水平，例如，激光-電弧復合焊接[10]、激光深熔焊等。為探究焊縫缺陷的形成原理，激光焊接的研究開始借助現代高科技產品，來不斷深入研究有關焊接工藝的各方面不足。激光焊接的材料內部變化十分的復雜，多個研究團隊甚至嘗試通過引進磁場等外部能量來刺激激光焊接過程，探究其對焊縫缺陷的改善情況，不斷優化，從而提高焊接的強度、剛度和整體質量[11]。

2.2 國內研究現狀

由于改革開放之前資源和人才極度匱乏，直到我國改革開放的實施才開始逐步踏足這一領域。到了十九世紀末期才將現代激光技術和傳統焊接技術結合起來，這時候的激光焊接技術只能說是初具雛形，有著很長的路要走，也有著極大的發展和進步空間。即使條件如此苛刻，經過科學研究人員的多年的努力，我國的激光焊接技術已經從無到有，從單一到多元，現在已經逐步完善，慢慢的跟上了世界的腳步。雖然和國外還有一定的差距，但是不得不說差距一直在被我們逐步的縮小，并且逐漸到達了世界的前列。當下，對于激光焊接技術的研究開發，主要集中在激光器、自動檢測技術、異種材料的焊接及激光切割質量等方面[12]。此外，氣體激光器的研發也隨機產生，開發出的氣體激光器，顯著提升了激光功率，光束質量和密度得到大幅提高，極大的促進了企業生產力的發展。其中效果最為優良的是擴散性冷卻板條式的二氧化碳，得到眾多企業的關注和應用。與此同時，在激光焊接技術的研究中仍舊存在著許多難題[13]，例如，高強度鋼的焊接還很難做到完善，激光焊接成本較高，對于整個工程不便于全面覆蓋[14]。文獻[15]介紹了兩種激光切割技術：微水導激光切割技術、隱形切割技術。而王揚等人又對前者進行更進一步的探究，促進了激光與水束耦合技術的發展以及介紹了其加工系統[16]。在國內，此方面的研究還遠遠不夠，應該加大這些方面的研究，盡快解決此類難題，為祖國在焊接領域的發展起到推進作用。綜合以上敘述，現如今我國的激光焊接技術已經得到了長足的發展，并逐漸被廣泛應用到實際的生活中。

3? 激光焊接在各個領域的應用

3.1 激光焊接技術在船舶方面的應用

我國是造船大國，但不是造船強國，想大力發展工業制造船舶的工藝，就要對焊接技術這一重要方面加大研究力度[17]。隨著各國對海洋區域的競爭，船舶制造業得到快速的發展，傳統的焊接工藝已經難以適應行業的發展要求，所以對激光焊接普及和應用就極為迫切。其可適用于船舶的不銹鋼焊接、異種材料焊接等[18]。由于船身的主要制造工藝就是焊接，在制造船舶的過程中，焊接時長最高約能占到總工時的40%[19]。而激光焊接由于其獨特的優勢，相比于傳統焊接，不論是在較長的甲板還是細小的零部件位置處，都可以輕松的解決存在的焊接問題。最主要的就是激光焊接技術相對于傳統焊接技術有低畸形形變且強度更高的優勢，不管是軍需還是民用，都可以讓人們擁有更安全可靠的船體。另外，由于船體不止一種材料組成，而激光焊接對于異種金屬非金屬材質，能夠很好地將其焊接在一起，且熱形變很小，從而減少了對形變后的焊縫的處理過程，降低了處理時間，提高了工作效率。

3.2 激光焊接技術在航空航天方面的應用

隨著科學技術的發展，世界各國開始不止于對海洋陸地領土的爭奪，更是把目標延伸至天空甚至是宇宙，也因此使得航天航空事業迎來了巨大的發展。大家都知道，飛機、火箭的組成極為繁瑣，需要成千上萬的零部件構成，而相當一部分這樣的零部件都是依靠焊接來完成連接組合的。航空飛機最重要的導航部件是雷達，對于雷達的核心部件，微波組件的氣密封來說，激光焊接由于無需接觸、焊接區域幾乎無縫隙、清潔無污染等優點，對微波組件的密封極為合適[20]。激光焊接技術也使得飛機整體的密閉性更好，自重相對減小，進而減少了油耗，機翼、機艙、機頭等強度更高，飛機起飛著陸更加安全穩定。從成本和質量上來講，可以說是低價高配。

3.3 激光焊接技術在醫療方面的應用

這一技術應用于醫學領域革新了多種的技術和醫療器械。在制備精密醫療儀器的時候利用激光焊接幾乎沒有焊渣和飛屑的產生，并且儀器的柔順度很好，因此可以很大程度提高儀器的潔凈性和安全性[21]。通過激光焊接生產的精密儀器的精度極高，所制造的設備在神經醫學、生殖醫學、仿生學等方面的使用給無數的病員帶來了希望，醫生也可以更加精準的操作，康復的概率也得到了提升;也可以應用于口腔修護，用于制作口腔的修復體，具有焊接強度高、更高精度、安全性更高等優點，因此特別適合應用于某些精密的修復體之間的無縫連接[22]。

3.4 汽車方面

同樣的，在汽車方面激光焊接得到了極大的發揮空間，整個車廂包括底盤都需要焊接來完成，而激光焊接的使用對于車的強度及質量有了質的飛躍，特別是整體結構強度和熱量散失方面的應用[23]。此外，激光焊接的應用使得車身更加美觀，車體的封閉性更加良好。車身裝配精度得到有效提高，此外使車身的剛度更是提升達30%，進而提高了整部車的安全性能[24]。采用激光焊接技術完成拼接的焊板重量較以往更輕，但質量更佳，綜合以上原因，整臺車的制造成本得到減少、運輸成本也隨之減少、裝配步驟也更加簡單，省時省力且質量更高[25]。

4? 結論與展望

激光焊接從無到有經歷了數十年的發展，技術已經較為成熟，現在已經應用到諸多領域，在工業方面尤為突出，尤其是機械制造業，甚至塑料加工方面也有了零的突破，更推動了制造業在精密領域的發展，提高了我國生產力水平，在某種程度上間接的提高了我國的國防力量。相信在以后的臨床手術、智能切割等方面會有更完善的應用。激光焊接在焊接厚度方面能有更深的突破、在材料成本方面有所減少、提高焊接能量轉化率、焊接產生的焊縫更加完善。總之，激光焊接相對于其他焊接方式有著諸多不可比擬的優勢，在農業、工業、以及第三產業都有著很大的發展潛力和廣闊的應用前景。

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