激光焊接技術的應用研究進展與分析

劉浩東，戴京濤

海軍航空大學青島校區航空機械工程與指揮系，山東 青島 266041

0 前言

激光焊接是指利用高能量密度的激光束聚焦后照射材料的待連接處，使材料表面因吸收高強度的激光能量而熔化，然后通過在激光離開后冷卻固化實現材料焊接的方法。其具有焊接性能優越、焊接變形小、焊接質量穩定、焊接速度快、自動化程度高及可實現難焊材料的焊接等優點［1-2］。

激光焊接技術作為一種先進的加工再制造手段，在現代航空航天、國防領域以及國家建設中扮演著越來越重要的角色［3-8］。對激光焊接技術進行研究具有重要的理論價值和現實意義。文中在大量研究國內外激光焊接技術相關文獻報道的基礎上，對不同激光焊接的研究現狀進行了總結分析。

1 激光自熔焊接工藝

激光自熔焊接工藝是激光焊接的基礎工藝，其以高能量密度的激光束作為熱源，作用于待焊材料并引發其產生固液相變從而實現待焊材料的原位連接，被焊材料在焊接過程中因高溫汽化而在基體表面產生的氣流波，對接頭有清潔作用。激光自熔焊接屬于非接觸焊，具有抗電磁干擾、無污染的優點［9］。但由于激光自熔焊的光斑直徑小，焊接熱循環過程中的升溫速度和冷卻速度都極快，因此，對焊接過程中熔池溫度場、流場以及溫度場對材料的影響等方面的研究難度較大。同時，激光自熔焊接還存在焊接間隙適應性差以及對焊縫的成分和組織控制困難等問題［10］，因而行業內以激光自熔焊為基礎研究開發了多種新型焊接工藝。

2 激光復合焊接工藝

激光復合焊接工藝又稱為激光增強焊接技術，是指將激光焊接與其他焊接方法相結合形成的新型焊接工藝，其優點是能夠充分發揮相應焊接方法的優勢并避免各自的不足。

激光復合焊接技術中應用最為廣泛的是激光電弧復合焊接技術，英國學者Steen［11］在20世紀70年代末最先提出該技術，并指出電弧對激光焊接具有能量增益的作用。Tusek等［12］對激光-電弧復合焊的研究表明，在合適參數下，該工藝能夠得到比激光焊接工藝更加優異的焊縫質量。Birdeanu等［13］將脈沖Nd：YAG激光與脈沖TIG電弧進行復合后焊接3.0 mm厚度的奧氏體不銹鋼，并分析了工藝特點和TIG參數對該工藝穩定性的影響。

激光-GMAW（熔化極氣體保護焊）復合焊接工藝包括激光-MIG（熔化極惰性氣體保護焊）復合焊和激光-MAG（熔化極活性氣體保護焊）復合焊，其原理與激光電弧復合焊基本相同，區別僅是保護氣體不同。與激光電弧復合焊相比，激光-GMAW復合焊接可焊更厚的板材，并且焊接的適應性和電弧的方向性也更好［14］。Sathiya等［15］利用CO2激光-GMAW復合焊接工藝焊接5 mm厚AISI904L不銹鋼，研究了不同保護氣對焊縫質量的作用規律。C.Roepke等［16］對激光-GMAW復合焊接的激光和電弧功率以及激光電弧的距離對DH36低合金鋼的接頭微觀組織的影響進行了研究，發現在未改變接頭微觀組織形態的條件下，擴大激光-電弧的距離有利于增加鐵素體的比例進而改善接頭的力學性能。Zhao等［17］研究了光纖激光-GMAW復合焊接過程中易出現氣孔缺陷的問題，結果表明，在熔池中通入適量的氧氣可以抑制氣孔缺陷的形成。

英國學者Walduck等［18］在20世紀90年代最先提出激光-等離子弧復合焊接技術。等離子弧焊的實質為具有壓縮效應的鎢極氣體保護焊，其焊接穩定性和電弧能量均高于普通電弧，并且引弧電流較低，易于引燃，另外，其電極位于焊炬噴嘴中，可有效防止金屬蒸氣、熔池濺射以及其他污染物侵蝕電極［19］。近些年，Emmelmann 等［20］通過 2～4 mm 厚Q235B鋼板激光-等離子弧復合焊接實驗研究了不同焊接工藝參數的作用規律，發現該焊接工藝對焊接參數的變化非常敏感，工藝參數的輕微變化都會對焊接質量產生較大影響。Kim等［21］通過開展CO2激光-微等離子弧復合搭接焊鍍鋅板的研究，初步解決了濺射、接頭淺層小坑及內部氣孔等問題，并且其弧輸入能量較激光-TIG復合焊降低約40%。

激光-攪拌摩擦復合焊接工藝是在攪拌頭前部施加激光來預熱工件，從而減小裝夾力和推動力，并降低磨損和提高焊接速度［22-23］，可焊接熔點較高的材料。Able等［24］利用激光-攪拌摩擦復合焊接工藝對鋁合金進行焊接，發現激光預熱可降低夾具的夾緊力和扭矩，并提高焊接效率和減少攪拌頭磨損。Merklein等［25］研究了1 mm厚DC04鋼與AA6016鋁合金激光-攪拌摩擦復合焊，得到了相似結論，并且鋼鋁結合界面處未觀察到金屬化合物相。

3 激光-場耦合焊接工藝

激光-感應加熱耦合焊接不僅可以減緩焊縫冷卻速度，抑制裂紋的出現，而且能夠提高材料對激光的吸收率，從而增加焊接熔深［26］。Pinto等［27］利用激光-感應加熱耦合焊接工藝對Q690E高強鋼進行對接焊，解決了普通激光焊接存在的接頭硬度過高的問題，有效地降低了熔合區硬度，但隨著板材厚度的增加，硬度降低效率減弱。Chiang等［28］利用激光-感應加熱耦合焊接工藝焊接3.6 mm厚IN-738鎳基高溫合金，發現通過粉末填充可以抑制焊縫疏松以及未焊滿等缺陷，并且更易于得到無裂紋焊縫。

激光-電磁場耦合焊接是通過外加電磁場抑制激光等離子體的屏蔽效應并改善熔池的流場，從而增大焊接效率，提高焊接穩定性，改善焊接質量，該方法具有廣闊的應用前景［29-30］。Bachmann等［31］對激光-電磁場耦合焊接工藝對熔池流場的影響進行了模擬，結果表明，外加磁場對熔池流場具有顯著影響，并利用實驗對模擬結果進行了驗證。Schneider等［32］通過開展6 mm厚AlMg3板激光-電磁場復合焊接實驗，分析了激光照射點在磁極間的位置對焊接質量的影響，結果表明，在最優工藝參數下，氣孔數量下降80%，表面粗糙度下降50%。Bachmann等［33］模擬分析了穩態磁場對熔池邊界的熱毛細對流和自然對流等的影響，結果表明，當磁場強度為80 mT和135 mT時，磁場可以抑制熔池的重力下垂現象。

激光-振動場耦合焊接是基于振動時效發展起來的焊接工藝，可歸類為振動焊接［34］。該工藝的基本原理為利用振動場破壞熔池表面的等離子屏蔽，從而增大對激光的吸收率，達到用較小的功率焊接材料的目的［35］。陳軒等［35］進行了激光-振動場耦合焊接工業純鐵的實驗研究，結果表明，施加高頻振動可增加焊接熔深，并細化焊縫晶粒。何曉峰等［36］開展了激光-振動場耦合焊接不銹鋼的實驗，研究了焊接速度和振動頻率對接頭宏觀形貌、微觀組織及顯微硬度的影響，結果發現枝晶的數量和大小均得到抑制，等軸晶的數量增加，晶粒尺寸減小而顯微硬度增大。彭必榮等［37］開展了激光-振動場耦合焊接316不銹鋼實驗，研究了不同振動頻率和焊接速度下的接頭組織，結果表明，柱狀晶得到細化，并且焊后奧氏體的晶界處產生的網狀高溫鐵素體和點狀碳化物明顯減少。

激光-超聲場耦合焊接工藝是在普通振動場（低頻和高頻）與激光耦合的基礎上進行改進得來的一種新工藝，由于激光焊接熔池的存在時間極短（約2 ms），一般的機械振動頻率遠小于激光熔池的存在時間，因此對激光焊接熔池的凝固行為的影響具有相當的局限性，而超聲場的振動頻率在20 kHz以上，對激光焊接熔池凝固行為的影響更為有效。劉浩東等［5，38］開展了超聲場輔助激光焊接TC4鈦合金工藝的研究，結果表明，焊縫組織的晶粒度較普通激光焊接細化約15.8%，焊件的殘余變形降低約50%，并且接頭的組織形態更加均勻。

4 激光填絲焊接工藝

針對激光自熔焊存在的焊接裝配間隙適應性差、焊縫無余高以及無法控制焊縫合金成分等問題，國外學者開發了激光填絲焊工藝，并取得了大量研究成果。

Dilthey等［39-40］研究了激光填絲焊技術對裝配間隙的適應性，分析了填絲量與裝配間隙之間的關系及其對熔池冶金的作用。Coste等［41］利用處于較低擺動頻率的激光束為熱源，根據預先檢測的間隙量，通過實時改變送絲量形成了無凹陷焊縫形貌。Salminen等［42］開展了對接間隙 1 mm、厚度 6 mm St52/37板材的激光填絲焊實驗，發現焊接速度、送絲速度以及激光功率等對焊接質量的敏感性較無間隙填絲焊均顯著降低。Ohashi等［43］采用可提供寬熱源分布的組合熱源，提高了焊接裝配的最大間隙。Alexandre等［44］采用激光填絲焊開展了6016鋁合金與鍍鋅板的異種金屬焊接試驗，并利用“Tagu‐chi”法獲得了鋼鋁異種金屬激光填絲焊的最優工藝參數。Tommi等［45-46］使用額定功率為 3 kW 的 Nd：YAG激光器，通過在窄間隙坡口進行多道激光填絲焊實現了20 mm厚奧氏體不銹鋼的焊接。

當未對焊絲進行加熱時，激光的部分能量將作用在焊絲上，導致焊接速度降低，故引入激光熱絲焊工藝。該工藝減少了焊絲對激光能量的消耗，使焊接速度得到顯著提高。Mathieu等［47］分別開展了鋼鋁激光熱絲焊接和冷絲焊接實驗，結果表明，增大熱絲電流可提高送絲速度，并且填充熱絲的焊接試件的抗拉強度大于普通激光填絲焊。Yamamoto等［48］開展了1 mm厚高強鋼板的大間隙（1 mm）激光熱絲大間隙焊接試驗，分析了送絲角度和落點以及焊絲的加熱電流等參數的作用效果，結果表明，電流存在最佳變化范圍，最佳的送絲落點位置為距熔池后緣3 mm處，送絲與光束的最佳角度為70°。李俐群等［49］開展了厚板高強鋼激光熱絲焊接的研究，解決了普通激光填絲焊易出現的焊縫側壁與焊層間存在熔合不良的缺點。溫鵬等［50］進行了10 mm厚不銹鋼的窄間隙激光熱絲焊的研究，結果表明，焊絲的加熱電流對焊接穩定性和焊接效率均有較大的影響。

5 激光填粉焊接工藝

由于激光填絲焊工藝對送絲機構的精度和穩定性要求高［51］，并且容易發生粘絲和頂絲等問題，同時其涉及的工藝參數較多，操作較復雜，故而大批量的應用受到諸多限制。為規避上述缺點，激光填粉焊工藝應運而生，相關研究表明［52-53］，激光填粉焊具有焊接柔性高、粉末分布規律、覆蓋范圍大且落點和合金成分便于控制等優點。

Shannon等［54］研究表明，同軸填粉焊接的裝配間隙能夠達到試件厚度的20%。Oztoprak等［55］研究了利用填充司太立合金粉對銅進行激光焊接，粉末在試件上部1.5 mm處熔化并過渡至試件表面而形成熔池，解決了銅的高反射帶來的焊接問題，但焊縫的邊緣位置稍有不規則。Pelletier等［56］研究了利用填充奧氏體不銹鋼粉末對銅板進行激光焊接，結果表明，接頭的硬度介于不銹鋼與冷軋銅板之間。徐磊等［57］開展了鍍鋅鋼激光填粉焊接實驗研究，通過提高送粉速度有效地改善了焊縫塌陷，但缺點是接頭表面存在未熔顆粒與部分孔洞。鄒宇峰等［58］通過激光填鎂粉末實驗緩解了普通激光焊接5052鋁合金時存在的鎂元素燒損的問題，使焊縫強度提高約36%。楊武雄等［53］進行了高強鋁合金激光填粉焊接的實驗研究，減少了焊縫的氣孔和熱裂紋等缺陷，并使接頭的拉伸強度提高了約15%。張盛海等［59］開展了2219鋁合金激光填粉焊接的實驗研究，結果表明，粉末的添加使激光的功率閾值下降50%，并且焊縫的成形、飽滿度及余高等均有所改善，另外，焊接過程中的等離子體相較普通激光焊接更為穩定。王濤等［60］對激光填充硅粉焊接異種金屬低碳鋼與鋁合金進行了實驗研究，結果表明，硅粉可以改善熔池的流動性，使熔融金屬更易于鋪展在結合界面，并且可以抑制金屬間化合物（Fe-Al）的生成。

6 激光雙光束焊接工藝

激光雙光束焊接工藝于20世紀80年代被提出，其系統是由互成一定角度的兩束激光合成，或由一束激光經分光器分為兩束平行的激光。該工藝的研發是為提高焊接穩定性及對焊接裝配間隙的適應性，從而達到提高焊接質量的目的。

Glumann等［61］研究了光束間距和兩激光束功率比對焊縫的深度和寬度的影響，結果表明，在束間距分別為1 mm、10 mm、20 mm時，焊縫的寬度和深度改變非常微小。Narikiyo［62］利用互成特定角度的兩束Nd：YAG激光開展了304不銹鋼的焊接實驗，發現兩激光束均會產生各自的匙孔，并且當激光束總能量或兩光束間的夾角達到特定值時，熔池底部會出現兩匙孔分離的現象。Chen等［63］開展了脈沖Nd：YAG激光與連續半導體激光復合焊接0.05 mm厚AA5052-H19鋁合金的實驗研究，結果表明，激光雙光束焊接工藝可獲得更大的熔深、更優的焊接質量以及高于母材約2倍的硬度。Iqbal等［64］基于激光雙光束焊接工藝研究了一種新的焊接方法，可解決鍍鋅板搭接焊中熔池中易出現鋅蒸氣殘留的問題，并認為該焊接方法在汽車工業中具有良好的應用前景。

由于雙光束激光焊接在國內的研究起步較晚，目前還處于實驗室階段，工程中的應用和相關報道均較少。張澐龍等［65］對不同入射角工藝下的2099/2060鋁鋰合金T型接頭焊接試驗進行了研究，結果表明，降低激光功率和提高焊接速度能夠有效地控制氣孔缺陷。歐陽自鵬等［66］研究了雙光束雙側同步激光焊接鋁合金T型接頭的穩定性，結果表明，蒸汽的反沖壓力和重力以及表面張力的附加壓力是維持焊接小孔穩定的主要作用力。

7 結論

文中綜述了激光自熔焊、激光復合焊、激光-場耦合焊、激光填絲焊、激光填粉焊、激光雙光束焊等焊接技術的原理，分析了各焊接過程的機理及相關影響因素，并著重介紹了各焊接技術的研究現狀。需要特別說明的是，除了上文綜述的一系列激光焊接技術外，還有諸多其他焊接技術，比如激光雙光束填絲焊技術、激光電弧復合雙面焊技術、負壓激光焊接技術、活性劑激光焊接技術、熱壓激光焊接技術等，同時，隨著時代的進步和技術的發展，新型的激光焊技術亦層出不窮，不同激光焊接技術具有不同的應用特點和領域，相關從業人員可根據特定的施工對象對焊材和焊接質量的要求，綜合考量后進行選擇使用。