激光焊的发展现状和趋势

　摘要：激光材料加工技术中的一个重要的部分是激光焊接。从上世纪的70年代焊接薄壁材料和低速焊缝已经开始使用激光焊接。传热是主要的焊接过程，用激光辐射的方法来加热工件表面达到表面传热的效果，并同时控制住激光脉冲的宽度、能量、峰值功率和重复频率，来让工件塑造成为一个特定的单元。因为激光焊接所拥有的优点和特点，它已经可以成熟的运用在小零件的精密焊接。同时，随着高功率CO2和高功率YAG激光和光纤传输技术的进展，激光焊接已经可以同时拥有高精度、高质量、低变形、高效率和高速。在航空航天、汽车工业、粉末冶金、生物医学、微电子等各个领域中运用越来越广泛。目前的研究重点是激光诱导等离子体发射、吸收、散射、智能控制、激光焊接、混合焊接、激光焊接和各种金属材料的钥匙孔行为，例如CO2激光和YAG激光焊接理论。

　 关键词：激光焊接；发展现状；未来趋势

　中图分类号：TG456.7             文献标识码：B       文章编号：1001－2303(2010)06－0074－05

　1激光焊的现状

　1.1激光焊

　1.1.1什么是激光焊

　激光焊接是一种焊接焊接热源的焊接，原则是:通过特定的方法刺激活性介质，因此，往复振荡腔，然后到受激辐射光束，光束和接触工件时，工件的吸收能量，当温度达到材料的熔点可以焊接。

　 激光焊接目前有两种基本形式: 热导焊和深熔焊，激光焊接和激光功率密度低(105 ~ 106W / cm2)，激光吸收，在表面熔化后，依靠热传递给工件加热，从而形成一个熔池。焊接方法浅，深度小。深熔焊的激光功率密度为(106 ~ 107 w / cm

　2)，可以被吸收的激光快速工件的熔化和气化，在蒸汽压力的作用下形成熔融金属孔激光可以指向洞的底，可以继续扩展到液体的蒸汽压金属表面孔表面张力和重力的平衡，到目前为止。在激光束在往上进行焊接移动时，洞前的熔融金属会从孔流过，接着在凝固后形成焊接。若焊接的方法越深，纵横的比例就越大。在机械制造领域，除了这些薄片外，它们可用于深焊。深穿透焊接产生的金属蒸汽和屏蔽气体因为激光电离，在孔隙中形成等离子体。而等离子体对激光吸收、折射和散射产生影响减小，等离子体在工件上产生的激光能量减弱。但光束聚焦对焊接的影响是不利的。等离子体通常可以通过侧吹成型来延长或减弱。摘要孔、等离子体效应的形成、声、光和电荷的焊接过程，研究焊接与焊接质量的关系，以及激光焊接工艺和质量监测的应用特点，具有重要的理论意义和实用价值。

　 1.2 激光焊接的种类及工作原理

　1.2.1 激光焊接的种类

　激光焊接机通常被称为激光焊接机，激光冷焊机，激光氩焊机，激光焊接设备等。依照工作方式常常可分为激光模具焊机燃烧（手动）激光焊接设备，自动激光焊接机，激光点焊机，光纤传输激光焊接机，振动焊接机等镜子，特殊激光焊接设备带传感器，硅钢片激光焊接设备，焊接机键盘激光焊接设备。

　 1.2.2激光焊接原理

　光子轰击，金属在金属蒸汽蒸颁发面的构成可以避免金属反射残剩的残剩能量。如果焊接金属具有良好的导热性，我们将会得到更大的渗透。激光在质料概况的反射、传输和接收，本质上是电磁场与光波质料相互作用的成果。在激光入射质料中，在光电矢量中带电粒子的振动速率，光子会发射到电子动能中。在吸收了激光材料后，第一个过剩的能量是粒子的数目，例如自由电子动能，和电子激发能量，或者是太多的声子。这些原始的激发能量在一个特定的过程之后被转换成热能。激光处理，在很短的时间内(大约10秒)完成光能量转换的材料吸收。在此期间，热量被限制在材料的激光辐照范围内，然后通过热传导，从高温到低温区[1]。

　 1.1.1激光焊接的特点

　激光焊接已经过脉冲激光焊接，连续的激光焊接，低电焊，高电焊，板焊，板焊，低速焊接，高速焊接[2]。与传统焊接相比，其主要优点主要是它的高能密度，焊缝晶粒细紧凑。

　 在大型激光深熔焊接、激光焊接速度时，钥匙孔上的金属材料，孔工件焊接方向的激光能量传导，和横向方向的传导比较少，所以在它的焊接能量更为聚集，深深的加快焊接的速度。当激光焊接的热输入小时，热影响区随之变得很小，因为激光焊接功率的密度越高，其焊接的变形就越高，所以较为少量的热输入比较能得到更为良好的焊接，所以热影响区和焊接变形变得非常小。激光焊接力学性能，机械性能强于基本金属强度、焊接速度、窄焊缝和表面状态良好，去除焊缝后的清洗等。在室温下或特殊情况下都可以焊接。激光可以在真空、空气和气体环境中焊接，可以通过玻璃或透明的光束焊接。焊接材料的焊接方法不易焊接，同样或不相似的焊接材料，如陶瓷等。激光焊接可以无接触甚至长距离焊接。这也避免了没有工具丢失或工具交换和其他问题。激光焊接是一种非接触式处理，与接触焊接工艺相比较，没有焊条、工具、磨损、损耗、不处理噪音、不污染环境焊接系统，具有高度的灵活性。CAD / CAM或机器人焊接系统的组合可以形成一个多功能的激光处理系统，易于自动化。

　 2激光焊的发展

　在上世纪的60年代第一台激光束从红宝石晶体中发射。在上个世纪的80年代，激光焊接做为一种高质量的、高精度的、低失真的、高效率的和高速的焊接技术在美国，日本，欧洲的汽车生产线上开始投入并运用。高功率二氧化碳和YAG激光功率的发展和光纤传输技术的进步，激光焊接成为了一种高品质，高精度，高速度的先进焊接方法，引起了公众的广泛关注。激光焊接研发已经在日本达到高潮，激光焊接成为最为热门的焊接方法之一。在激光焊接设备（45kw二氧化碳激光器，YAG10kW）的开辟中，各类质料，激光焊接，激光焊接钻研工艺察看实验和激光焊接缺点阐发等都做了大量的事情。二十一世纪，在激光焊接、航空航天、船舶、军工、海洋钻井，汽车生产中的激光焊接技术、轻轨、高速铁路在中国的应用越来越广泛地应用于激光领域焊接技术[3]。

　 2.1激光焊接技术的发展

　2.1.1 高亮度LD泵板Nd：YAG激光设备和焊接

　美国近期开辟的采取Slab Nd：YAG晶体2 LD泵浦固体激光器件，一台用于TRW公司开辟级别3kw LD泵浦NdYAG激光器，另一台开辟级别为500瓦Q2Switch GE2Fibertek公司（开关）脉冲激光装备。焊接级3kw器件为准CWLD阵列，最大负载率为20％，其功率随脉冲频率400 Hz，脉冲宽度0.5 ms，脉冲能量7.5 J，功率3000 W，1750 Hz功率1950 W，多模激光横向模式对于矩形低功率，在出口门形成整个8 mm x 8 m，光学透镜聚焦后的焦距为350 mm（F / 50），包括激光功率和约95％的微混合器混合效果度中心区域为0.1mm，非常小。不同垂直和水平设计的焊缝宽度和横截面的焊缝宽度和横截面形状的穿透度发生了变化，焊缝厚度只有两倍。而在此时使用高密度激光穿透焊接可以确定，但问题是焊缝宽度窄，表面塌陷，对于一些焊接条件和合金孔隙率和裂纹缺陷发生，所以解决了在未来。激光焊接激光束直径小，为了扩大焊缝的宽度，振动模式可以通过一毫米焊接进行。

　 2.1.2 10kWNd：YAG激光焊接

　最近日本和英国已经开发了大功率YAG激光设备，比如与二氧化碳激光焊接相比较，讨论了等离子体熔化的特性和影响。在英国TWI公司的3台4 kwYAG激光装配中，一根激光束，在1mm直径的SI光纤中合成为了一束方式，钻研了C2Mn钢的焊接穿透度，对15mm厚的钢板，可以很好的穿透焊接取得。为了保护镜头免受飞溅和烟雾的伤害，使用气刀，与喷嘴侧保护气体喷嘴同轴，气体照射位置，类型和流量在本文中进行了优化。输出功率大，如何去除等离子体的孔已成为重要的技术难题。

　 2.1.3激光焊接在线监测

　为了获得高质量的焊缝，我们希望能够可靠地控制焊接过程监控系统。事实上，在激光焊接过程当中会产生一些物理现象。由于熔池产生压力引起的应力； 金属蒸气或等离子体介电常数，反射激光功率，熔池和直接检察小孔。对于使用反射光的方法，

　YAG激光焊接头安装只能通过YAG激光滤光片和Si光电二极管的反射。

　CO2激光焊接，由于波长较长，使用冷凝器有小间隙或孔。深度越大，任何位置的激光功率越小，并且深度和反射激光器之间的关系是已知的。它揭示了激光功率在焦点附近较小，并且离焦点越远。通过更为接近的发现，送丝的速率越快，熔深浅，反映激光的功率就越多，对于铝合金，5 XXX发现反射激光功率变化大，产生的孔隙程度就最高。从这个角度来看，可以使用反射激光功率来监测气孔的形成。同时日本和德国的学者不但对等离子体激光焊接灯光和声音进行了探查，还对孔洞和熔池进行了观察，监测和进一步研究出高达2900 FPS的高速摄像机，还开发了商用CMOS摄像机。当拼焊焊接时，不仅可以区分总融合和半融合，并且还可以检测间隙大小。当采取普遍的现场察看方式时，领会板与激光位置的干系，钻研各类焊接缺点的影响身分和自适应节制方式。以上实验操纵孔和直接察看熔池和反射激光器中的孔直接表现焊接体例的前提，显现在熔池中可以操纵监测和节制的可能性。对于铝合金焊接，还可以通过使用反射光诊断方法评估工艺稳定性，并检测气孔和飞溅。

　 2.1.4激光和电弧复合焊接

　德国的ILT（激光技术研究所）和ISF（亥姆霍兹生物工程研究所）共同开发CO2激光和YAG激光和TIG或MIG电弧焊。一、厚板激光第一MIG在复合焊接（组合焊接）中，从宏观和显微镜观察和硬度分布的测试结果可以获得高品质的连接器。二、激光和电弧同化焊接（同化焊接）的发展，包含激光和TIG，MIG，等离子弧。激光与TIG的混合焊接方法对比较薄的板材相对有效果，AlMg3L铝合金焊接可连续激光焊接两次。对分歧厚度的化装，在具备等离子体的夹杂焊接激光器中，经由过程圆形焊接电极的中空激光。该方式可以增强焊接效力，同时可以经由过程等离子体的迟缓冷却下降焊接面积。

　 2.1.5铝合金激光焊接

　激光焊接在汽车用激光焊接铝合金，聚光灯有广泛的关注。具有YAG激光焊接的铝合金车A2都会采取高Si YAG激光焊接铝线和3kw光纤对6 XXX合金焊接，特别是在匹配方面的问题。有间隙的受差和重力的影响，方向朝上的、方向朝下的和模对焊接的影响。其他人也进行了各种合金激光器对接、搭接和丁字接头焊接测试，比较其焊接和各种保护气体的抗拉强度下关节，铸造材料的激光焊接和挤压材料，和气孔的形成的影响并讨论了各种焊接条件。

　 2.2激光焊接在各个领域的应用

　有关激光的技术迅速的发展，并很快的运用在各行各业，在激光技术的开发过程的同时也给我们带来了许多让人惊喜的设备如激光打标机，激光焊接机，激光雕刻机，激光切割机等。这些激光设备运用都非常的广泛。

　 2.2.1制造业中应用

　激光焊接的技术已经广泛的运用在国外的汽车制造行业，跟据统计，全球的切割激光裁剪板坯生产线在2000年时已经达到100多台，每年都能生产7000万件的汽车零部件定制焊板坯板，而且这个数字还在不停增长中。

　激光焊接技术不仅拥有高能量密度，小热影响区，柔性空间转换，还能够在大气的环境下进行焊接，焊接变形等特点。其主要运用在飞机制造过程中的能够皮肤与皮肤连接在一起的平面和纵梁进行焊接，以确保其在下面的空气动力学形状公差。在机身附件的组装中也广泛应用激光束焊接技术，如骨盆鳍和翼翼盒，骨架结构在应用范围内不再是肋骨支撑结构和皮肤完整，而是应用高级片金属成型技术，矿用备用激光焊接技术在三维空间中完成焊接分裂，不仅产品质量好，生产效率高，重现性好，工艺减肥效果明显。

　 近年来在激光焊接的生产中也发现了薄壁部件，如入口，波纹管，管道，可变截面管等不同封闭。这些部分采用传统焊接方法采用微弧等离子弧焊，或小电流钨氩弧焊。采用钛合金材料，即使采用低能量焊接技术，仍然导致薄壁材料的焊接变形超出公差范围，无法修复焊接缺陷，导致逐步淘汰传统的命运焊接工艺。激光束焊接具有局部保护，非常适合焊接薄壁钛合金外壳零件

　[4]。

　 2.2.2粉末冶金领域

　 在科学技术的不断发展的过程中。材料，特别需要工业技术的升级，冶金方法在运用中所用的材料并不能满足它的需求。在具有特别的性能和制造的粉末冶金材料的优势下，在汽车和飞机等领域，传统的冶金材料正被刀具切割工具制造所替代，并且在粉末冶金材料不停的发展之下，它所关联的其他问题更为突显了，在一定方面限制了粉末冶金材料的运用。

　 上世纪的八十年代，激光焊接技术在拥有了粉末冶金材料加工领域的优势下，让粉末冶金材料的运用有了不一样的景像，例如采用了粉末冶金材料连接，一般常运用在焊接金刚石钎焊的方法。但因为它的焊接强度比较低，热影响区宽度并不能特别的适用，在焊料熔化损失引起的高温高强度的要求下，采用激光焊接成了能够提高焊接强度和耐高温性能的必要[5]。

　2.2.3汽车工业

　1980年代末，千瓦激光成功在工业生产中应用，现在汽车制造业中大量应用激光焊接生产线已经成为汽车制造业的突出成就之一。

　 德国奥迪，梅赛德斯，奔跑，公共，瑞典沃尔沃等世界知名汽车工场在欧洲1980年率先在激光焊接进行了屋顶，车身，侧箱钣金的焊接，就如同在上世纪90年代美国的福特和克莱斯勒慢慢的将激光焊接带进了汽车的制造业，即使起步较晚，但成长却非常的快。在意大利大部分的激光焊接范畴主要采用钢作为其组件组装的焊接，在当下日产汽车例如本田和丰田汽车企业用在制造汽车车身的笼盖件都是采用激光焊接和切割工艺，同时也因为激光焊接技术在汽车车身制造中体现的表现异常优越，这让拥有激光焊接技术的特征装置越来越多地被运用。因为汽车行业具有规模大，自动化程度比较高的特性，激光焊接设备往往功率比较高，发展的方向比较多[6]。

　 在技术国家实验室和飞机发动机技术公司在美国加入金属粉末的激光焊接和焊丝过程中，德国不莱梅光束技术用于激光焊接铝合金机身框架进行了广泛的研究，超过了添加在焊缝中有助于消除热裂纹，提高焊接速度，解决公差问题，生产线的开发已经在梅赛德斯工厂投产。

　 2.2.4电子工业

　激光焊接在电子工业上的运用更为广泛，尤其是微电子工业上。因为激光焊接的热影响地域小使其加热快速，低热应力，这是集成电路和半导体器件壳体封装，体现出了其特别的优势，斥地真空装置时，操控激光焊接，如钼不锈钢聚焦撑持环，极快热阴极灯丝组件等。

　 传感器和恒温器的弹性薄壁波纹板的厚度一般在0.05-0.1 mm之间，运用一般的焊接方法并不能很快的解决问题，熔极钨钨氩弧焊接容易焊接，等离子体稳定性，冲击因数和运用激光焊接效果异常的好，这个原因让它的使用变得越来越广泛。

　 2.2.5生物医学

　上世纪的70年代激光焊接生物构造在运用于激光焊管和血管的焊接中让人觉得特别优秀，这让许多的科研人员在测验考试中焊接各类生物构造，焊接和推行到其他构造。在有关于激光焊接神经科学的钻研重点是国内外的激光波长，剂量和功效规复，和激光与焊料选择钻研，激光焊接细小的血管，皮肤等基础上焊接大部分基础钻研与研究。

　 激光焊接方式与传统缝合方式相比，激光焊接快速符合，愈合过程当中无异物反映，连结焊缝的机械性能，修复构造按照原有生物力学特征的上风发展将在生物医学利用中更普遍。

　2.2.6其他领域

　在其他行业，激光焊接逐渐增加，特别是在国内进行的特殊材料焊接方面，如BT20钛合金，HEl30合金，激光焊接锂离子电池，德国GlamacoCoswig玻璃机械制造商等大量研究， IFW与材料实验研究所的联合技术合作研制了平板玻璃激光焊接新技术[7]。

　 3激光焊接的未来趋势

　3.1激光焊接的技术发展趋势

　在激光焊接被大量应用是，人们也发现它有一些缺点：比如在激光焊接过程中，金属热融化蒸发而形成深熔洞，洞装满金属蒸汽，气体形式与激光等离子体云行动。激光等离子体接收和反射，削减激光在激光的接收率，下降激光的能量利用率；焊接贱金属界面需求很高因此容易混乱也容易产生毛孔疏松和裂缝；焊后在母材端面之间的接口部位存在凹陷，焊接过程不稳定等等[8]。未来的激光焊接技术发展可以把激光与其他热源一起进行复合热源焊接在保留原有的优点的情况下又可以解决激光焊接的缺陷。

　 3.2激光焊接的国内趋势

　与激光加工体系比拟，中国的激光加工体系很是复杂，仅占全球激光销售量的2％摆布。首要表示为：高级激光加工体系很少，甚至不均匀，主激光器不通过，精细激光加工设备存在巨大差距;未来中国技术焊接的发展趋势如下。

　 由于各级部门的积极关注，规划和建设，各类基金正在注入中。特别是各国强调项目主体由高校，科研部门以企业为重点，激光焊接技术将在技术方向发展，加强自主创新。各种海内制造业接管激光加工手艺，可以进步产物的手艺含量，加速产物升级，操纵可到达“火速制造”程度，知足市场对“个性化”产物的需求。逐渐形成国内产业集团，慢慢吞下激光零部件配套企业，各种激光加工系统的特点，制造商将在中国中部建立四个激光加工设备制造业。珠江三角洲长三角和北京金环环渤海经济发展和分配。一些世界领先的激光加工厂商投资中国。一些是国内合资企业，总体趋势是进入国际竞争。在家里，主要的激光已经逐渐转化为市场应用。如大功率轴流CO2激光器，中小功率金属腔射频CO2激光器，半导体泵浦源固态激光器，光纤激光器和倍频DPL，大功率二极管模块，在一路增加的趋势中，激光焊接进入转型的初期阶段，进入市场。创建新的应用程序是更加欣赏国内激光加工。

　 3.3激光焊接的趋势方向

　我国现在在关于厚板焊接和材料合成的激光焊接参数等方向上的研究有所欠缺。未来我们应该创建激光焊择优参数的交互式计算机辅助数据库并研究激光焊接厚板金属焊缝和材料合成方面的机械性能。焊条、焊丝、焊剂、粉末或带极等添补金属页可以优化弥合根部间隙。测定激光焊接厚板金属接头的疲劳强度。从而创建出更加灵活、方便携带激光系统。由于目前的技术不能创造出焊接表面覆盖层的接头。因此我们还应该发展提高激光焊接效率的新技术（比如预热、吸收覆层等）研制大功率先进的激光器，将是发展激光焊接、切割及加工的重要方向[9]。

　 4总结

　激光焊接从被创造到现在通过它的发展现状来看我们不难发现激光焊接现在已经成了一项主流的焊接技术，目前的激光焊接行业正在蓬勃发展，除了各种不同方式的激光焊接技术被发明出来，激光焊接技术还成功的在制造业、粉末冶金、汽车工业、电子工业、生物医学等多个领域进行运用。而中国的激光焊也处于世界先进水平，成功将激光焊投入航空制造的运用中。未来的激光焊接技术也将与其他技术相结合，复合热源焊接将是激光焊接的新的发展趋势。相信未来我们也将会研制出更高效、更灵活的激光焊接新技术，将其运用在更广泛的领域。

　 [参考文献]

　[1]母晓红,牛旭,惠文.激光焊的原理及其应用研究[J].科技创新报,2009,(8)：5.

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　[4]张颖云,李正.先进焊接技术在飞机制造中的应用[J]. 西安航空技术高等专科学校学报,2008,22(1):33-36.

　[5]史强.浅谈激光焊接技术原理及其应用[J]. 企业导报,2012,11(1):33-36.

　[6]吴军,李亮.激光焊及其在国外汽车生产上的应用[J].**汽车工业大学学报,2000,22(6)：33-36.

　[7]潘际銮，郑军，屈岳波.激光焊接技术的发展[J].焊接,2009,(2)：1-4.

　[8]Khersonsky A, Lee H. Induction heating for efficient laser application [J]. Advanced Materials & Process, 2000,(4):2-6.

　[9]樊丁,余淑荣，张建斌等.激光焊接发展现状及动向[J].**工业大学学报,2003,29(1)：16-18.

　The Development Status And Trend Of Laser Welding

　Abstract：Laser welding is an important direction in laser material processing technology. In the 1970s laser welding was used to weld thin-walled materials and low-speed welds. The main process of welding is heat transfer, which USES laser radiation to heat the surface of the workpiece through surface heat. By controlling the width, energy, peak power and repetition rate of the laser pulse, the workpiece is melted into a specific unit. Laser welding has been successfully applied to the precision welding of small parts because of the advantages and characteristics of laser welding. However, with high power CO2 and YAG laser power and the development of optical fiber transmission technology, laser welding can have high quality at the same time, high precision, low distortion, high efficiency and high speed. At the same time, in various fields such as aerospace, automobile industry, powder metallurgy, biomedicine, microelectronics are becoming more and more widely used.

　Keywords: laser welding; current situation of the development; the future trend