激光焊接技術應用及其發(fā)展趨勢

1 引言

激光焊接是激光加工技術應

用的重要方 面之 一，20 世紀 70 年代主 要用 于 焊接 薄壁材料和低速焊接，焊接 過程屬于熱傳導型 ，即激光加 熱工 件表面 ，熱量通過熱傳導向內(nèi)部擴散 ，通過 控制激光 脈沖的寬度 、能 量、峰值功率和 重 復率等 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 CO 2 和高功率 YAG 激光 器以及光 纖傳輸 技術的 完善 、金 屬鉬 焊接 聚束 物鏡 等的研制 成功 ，其 在 機械 制 造 、航空、航天 、汽車工業(yè)、 粉末冶 金、生物醫(yī)學、微電子 行業(yè)等領域的應用 越來越廣 。目前 的研究 主要集中于 CO 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 合焊接、 激光焊接現(xiàn) 象 及 小孔 行為、焊接 缺陷 發(fā) 生機理 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 。

2 激光焊接的質(zhì)量與特點

激光焊接是 將 高 強 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 轉化為熱 能 使金 屬熔 化 后冷卻結晶 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 機理 有兩 種 ：（1） 熱傳導 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，由于材料 的瞬時汽化而形成深穿 型的圓孔空腔，隨著激光 束與工 件的相對運動 使小孔周邊金屬不斷 熔化、流動、封閉、凝固而形成 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 5:1，最高可達 10:1。

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 的結論有以下幾點：

(1)激光焊與電子 束焊、鎢極惰性氣體 電弧焊(TIG) 、等離子焊的 主要優(yōu)點相似：焊縫窄、穿透性強、焊縫兩邊平 行 、熱影響區(qū)小 ；

(2)電弧焊和等離 子焊 投資少，廣 泛應用了 很多年，經(jīng)驗比較 多；

(3)激光焊 和電子 束焊須在真空或局部真空中進 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 的反復作 用，使得 焊縫和熱 影響區(qū) 域極窄 ，硬度遠遠 高于 母材，該區(qū) 域的 塑性相對較 低。為了 降低接 頭區(qū) 域的 硬度, 應 采取 焊接 前預熱和 焊后回火 等 相應的工藝 措施 。激光 回火 是一 種 在激光焊 后隨即采 用 非 聚 焦 的低 能 量 密 度 光束 對焊 道 進 行 多道掃描從 而 降低 焊 縫硬度 的新工藝。激光焊接金 屬及熱影響區(qū) 的 組織 和 硬 度 是 由 化學 成分 和冷卻 速度 決定 的。在激光焊接中，現(xiàn)行焊接工藝一 般 不需要 填充金 屬。在 這種情況 下,焊縫的組織 和硬 度主 要 由鋼 板 的化學 成 分和 激光 照射條件來 決 定。 采 用填充 焊絲 的激光焊接 由 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 兩側母 材的 聯(lián)結具有最 佳 性能。可以對高熔 點、高熱導率 、物 理性質(zhì) 差 異較大的 異 種 或 同種 金 屬材料 進行 焊接，可以得到無污染 、雜質(zhì)少的焊縫 。激光焊接加 熱速度 快 ，焊接 熔池 迅速冷卻 ，與普通的 常規(guī) 焊接在金相 組織 上有 很大的 區(qū)別。

3 激光焊接的應用領域

3.1 制造業(yè)應用

激光拼焊 (TailoredBlandLaserWelding) 技術在 國外轎 車制 造 中得到 廣泛的應用，據(jù)統(tǒng)計 ，2000 年全球范圍 內(nèi) 剪裁坯板 激光 拼 焊生產(chǎn)線超 過 100 條，年 產(chǎn)轎 車構 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 進車 型Passat，Bulck ，Audi 等也采 用了一些剪裁坯板 結 構。日本 以 CO 2 激光焊 代 替 了 閃 光 對 焊進 行 制 鋼 業(yè) 軋鋼 卷材 的 連 接，超 薄 板 焊接，如 板厚 100mm 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 反應堆中蒸氣發(fā) 生器細管 的維修 等，在 國 內(nèi) 蘇寶蓉 等 還進 行 了 齒輪 的激光焊接技術。20 世紀 80 年代 后期，千瓦級 激光 器成功 應用 于工業(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)，成為汽車制造業(yè)突出 的成 就之一。

90 年代美 國通 用、福特和 克萊斯 特公司竟 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 件 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 ，至 2002 年底，激光焊接 鋼結 構的 消耗 將達 到 7 萬噸， 比 1998 年增加 3 倍。在工藝方 面美國 Sandia國 家實 驗 室 與Pratt Witney聯(lián) 合進 行 在激光焊接 過程中 添 加 粉末金 屬和 金屬 絲的研究，德國 不萊梅應用光 束 技術研究 所在 使 用激光焊接 鋁 合金車 身骨架 方 面 進 行 了大量的研究，認為在焊 縫中 添 加填充金屬 有 助于消除 熱 裂紋 ，提高 焊接 速度 ，解 決公 差 問題，開 發(fā) 的生產(chǎn)線 已 在奔馳公司 的工 廠 投 入 生產(chǎn)。

3.2 粉末冶金領域

隨著 科學技術的 不斷 發(fā)展 ,許多技術 對材料 有特殊要 求, 應用 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, 在某些領域 如汽車、飛機 、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 的應用 受到 限 制。在 20世紀 80 年代初 期,激光焊以 其獨特的 優(yōu) 點進 入 粉末冶 金 材料 加工領域，為粉末冶 金材料 的應用 開辟 了新的前 景 ，如 采用粉末冶 金 材料 連接中 常 用的 釬焊方 法 焊接金 剛石 ，由于結 合 強度低 ，熱 影響區(qū) 寬特 別是 不 能 適應 高 溫 及強 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 度以及 耐 高 溫 性能。

3.3 電子工 業(yè)

激光焊接在電子工業(yè)中， 特 別是微電子工業(yè)中 得到 了 廣 泛 的應用。由于激光焊接 熱影響區(qū)小，加熱集 中 迅 速 、熱應 力 低 ，因 而 正 在集成 電 路和 半 導體器件 殼 體 的 封裝中，顯示 了獨 特的 優(yōu) 越性 ，在 真空器件 研制中，激光焊接 也得到 了應用， 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，得到廣泛的應用。

3.4 生物醫(yī)學

生物 組織 的激光焊接 始 于 20世紀 70 年代 ，Klink 等及 Jain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。 有關激光焊接神經(jīng)方 面 ，目前 國內(nèi) 外的研究 主要集中在激光 波 長、劑 量及對功能恢復及激光焊 料 選擇 等方 面，劉銅 軍在激光焊接 小血管及皮膚等基 礎 研究的基 礎 上 又 對大 白鼠膽總 管進行了焊接研究。激光焊接方 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 , 保持焊接 部位的 機械性質(zhì) , 被修復 組織 按其原生物 力學 性狀生 長等 優(yōu)點，將 在以后 的生物醫(yī)學中 得到 更 廣泛 的應用。

3.5 其他 領域

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 行了 許 多 研究， 如 對BT20 鈦 合金、HE130 合金 [23] 、Li-ion 電池等激光焊接。 德國玻璃 機械 制 造 商 Glamaco Coswig 公 司與 IFW 接合技術與 材料 實驗 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。

4 激光焊接 設備 的智能化 控制激光焊接 監(jiān) 控自 動 化的 關鍵之 一是 熔池 的實 時監(jiān)視 ，因 此，跟蹤 傳 感 器 的 選擇 成 了一 個至 關 重要的 前提。在 所 有傳感 器中，光學傳 感器以其 靈敏 度和 測 量精度高 ，動態(tài)特性好 ，與工 件無 接觸及包含的 信息 量大等特點， 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 器件 的應用， 又使得光學 傳感 器 上升 到視頻 傳 感的 新 高度。

激光焊接的 優(yōu)點 之 一是焊接 速度快 ，薄板的焊接 速度 可達 10m/min以 上，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 。實現(xiàn)在線 的激光焊接 質(zhì)量 監(jiān)測 是 保證 質(zhì)量 十分重要的 環(huán)節(jié) ，華中科技大學設 計的信號 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、雙限比較后進行 A/D轉換 ，再將數(shù)字 信 號由微機進 行 處理等，對 激光 輸出功率 、焊接 速度 、離 焦 量 等工藝 參數(shù) 進 行 控制 實 現(xiàn)最佳工藝 參數(shù) 。解決熔 透問題，基本 前 提 是 對 激光焊接 過 程進 行 實時 檢測和控制，提 取激光焊接的特征信號。近 10 來，國內(nèi)外的研究 機構 主 要 針 對 焊接 過程中光 致 等 離子 體產(chǎn)生的 聲、光、電、熱等信息 進行 提 取，并 分 析 處 理 ，尋找 特 征 信號。在填絲 激光焊接 時，激光 填絲 焊對接間 隙寬度 是主要的 參數(shù) ，為了 保證 焊縫 全長 都取得 良 好 均勻 的成形 ，實 現(xiàn)高質(zhì)量 的激光 填絲焊，研究 人員 開 發(fā) 了高精度 對縫 間隙檢 測 傳 感器 以及 高質(zhì)量 送 絲 控制系 統(tǒng) 。

對于激光 深 熔焊而言 ，利 用光學 傳 感 器 檢測 焊接 過程中的等 離子 體和 反 射激光的 信號 特 征 是一種 簡單 而有 效 的 實時 檢 測 焊接 過程的方 法 [32] 。目前 ，利用光電 管檢 測焊接 過 程中的等 離子 體 或反 射 光的方 法，主要從 工 件側面或 與激光同軸兩個方向進 行。至于光學 傳 感器 的選擇 ，有 三種 不同 波段 的傳 感器可用于激光焊接 過程檢測。如 紫外 波段 的 傳 感 器用 于 CO 2 激光焊接時 的等 離 子體檢 測，可見光 波 段的 傳 感 器 用 于 CO 2 和 Nd:YAG 激光焊接 過 程等 離 子體 或 金 屬 蒸 汽羽焰 的 檢 測 ， 紅 外 波 段 用 于 Nd:YAG 激光焊接的 檢 測。 到 目前 為止 ，檢測到的光學 信號與激光焊接參數(shù) (如 焦點位置)的關系已有很 好的研究 成 果 并被 應用；另外 利 用光學 傳 感 器 對 激光焊接 過 程中 產(chǎn)生的 缺陷 ，如 燒穿、孔洞 或 駝 峰 狀表面 缺陷 的檢測也有相 關報道。

5 激光焊接發(fā) 展趨勢

5.1 復合 焊接

人們 在 廣 泛 應用激光焊接技術的 同 時 ，不斷 地 對其進行 深入 的研究，發(fā) 現(xiàn) 它有 一 定 的 缺 點 ：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 體與激光 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 接口 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 間的接 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) 點的基 礎上，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 進行復 合 熱 源 焊接。主要有激光與電 弧、激光與等離子 弧 、激光與 感應熱源 復 合焊接以及 雙激光 束焊接等。 激光與電弧焊接 結 合起來，這種復 合工藝 綜合了激光與電 弧的優(yōu) 點，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：

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 激光焊接的 控制 ( 熔池 尺寸、等離子效 應等)

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 系是 關鍵 問題，在 實 驗過 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。許多學者根據(jù)激光 深熔焊中的小孔 機制，對激光焊接的 溫度 場、液體流動 及小孔 形狀、 尺寸 進行了計算并 取得 了一 定效果 。John 等人提出 了入射激光的 逆韌致 吸收 模型，假定 能量通過傳導機 制傳遞給 小孔壁，通過 解熱傳導 方程，得到 了一 個最大的 理論熔深。Sonti 等人采用二 維 有 限 元 非線 形 模 型 進行 了 鋁合金激光深熔焊接傳輸過程的三維計算，得到了激光焊接的三維溫度場。John 分析小孔 內(nèi)的能 量和壓 力平衡，建 立一個小孔 內(nèi)液體和蒸 氣流動 的通用模 型。王海興 等對 前 人 提出 的計 算 激光焊接 深 熔焊 過 程中 熔池 尺寸 的方 法進 行 了檢 驗 、改 進與 推 廣，從 激光焊接 過程中的能 量 平衡 出發(fā)，預報了不同焊接工 況下熔池 的 尺寸。劉順洪進 行 了 薄 板 激光焊 溫 度 場的 分 析與 數(shù)值 模擬 ，在空間域 上用加 權余量法 ， 時 間 域上 用 有 限 差分 法離散 ，考慮 了 材料熱 物性參數(shù) 的溫度相 關性、熔 化潛熱以及 對流輻 射等對 溫度場的 影響 ，建立 了有限元方程，并編制了 相應的程 序。隨著 圖象傳 感方法 的改 進，人們 可以從熔池 圖 象 獲 得 熔池形 狀 更 多 的特 征信息 ，如熔池 的寬度 、長度和面 積，利 用 這些 信息 建 立同 激光焊接工藝 參數(shù)之 間 的 關系，對激光焊接的焊 縫質(zhì)量 控制中 有著重要的 作用，這 將 是激光焊接研究的一 個 重要方向。

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 CO 2 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 構非常 緊湊，在 不 遠的將來，單 光纖 、單 模 光纖 的輸出功率 將 超過千瓦級 ，在激光焊接領域 將 得到 應用。 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 1kW,光電 轉換 效率 接近 50豫，這些 激光設備 和技術，將 在焊接應用方 面發(fā)揮更大的 作用。在激光光 束質(zhì)量 及加工 外圍 裝置方 面，應研究 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、光學系 統(tǒng) 及加工 頭 設 計 和 研制，開展 焊接工藝及 材料 、焊接工藝 對 設備 要 求 及焊接 過 程 參數(shù) 監(jiān)測 和控制技術研究， 從而 掌握 普 通鋼 材、有色金屬 及特 殊鋼 材的焊接工藝。