焊接是工業(ye) 界用來連接材料的一種工藝技術。隨著現代焊接工業(ye) 的發展，材料工程中對材料連接的連續性、結構的整體(ti) 性以及顯微組織的要求越來越高。如今，激光焊接技術比以往任何時候都變得更加重要，這是因為(wei) 焊接易於(yu) 控製，可以提高設計的靈活性，從(cong) 而使得激光焊接技術可以利用一台激光器來完成多項任務。激光焊接可以采用光纖傳(chuan) 輸也將激光焊接技術的應用帶入一個(ge) 新紀元。這是因為(wei) 光纖傳(chuan) 輸可以使得焊接幾乎可以在任何位置來實現，即使在激光頭不能到達的時候依然可以實現遠程焊接。此外，激光焊接同機器人相結合，減少了人工的應用，可以完全實現自動化和係統總成控製。激光焊接的理論研究和應用開始於(yu) 1962年，從(cong) 此以後，激光焊接的應用開始迅速的發展，並成為(wei) 一種新穎的焊接技術而得到人們(men) 的接受和應用。如今，隨著激光設備價(jia) 格的下降和性能的提升，激光在工業(ye) 中的應用越來越普遍。

激光與(yu) 材料的相互作用

由於(yu) 激光具有單色性、相幹性、定向傳(chuan) 輸和能量密度高等獨特的性質，激光焊接的應用同其他連接技術相比，得到了廣泛的應用。激光聚焦的能量同電子束一樣，具有高能量密度。但卻又不同於(yu) 電子束，因激光焊接可以在真空中進行，而電子束卻不行。而且，激光焊接時的能量傳(chuan) 輸是可控的、可調製的，從(cong) 而使得即使是一台激光器也可以實現多種用途。激光的用途非常廣泛，以材料的激光加工為(wei) 例，可以實現熱處理、焊接、材料去除、合金化、熔覆、切割、鑽孔等，如圖1 所示。

圖1 材料的激光加工時激光可以實現的功能

激光焊接工藝

焊接是機械製造工業(ye) 中進行製造生產(chan) 的重要過程。但是，在傳(chuan) 統焊接工藝中，必須對出現的裂紋、夾渣、未熔合、未穿透、不可接受的焊接形狀、弧燒傷(shang) 、飛濺、不理想的冶金變化、過度的變形和熱誘導應力等進行盡可能的降低和預防。而采用激光來進行焊接時，由於(yu) 具有低的熱輸入、小的熱影響區、無需去瘤去渣、低的焊接變形、高的焊接速度、機械造成的材料損傷(shang) 和工裝損傷(shang) 、對震動和衝(chong) 擊的抗力大、對熱敏感材料的損傷(shang) 少，可靠性高等而成為(wei) 非常有競爭(zheng) 力的焊接技術。

另外一方麵，焊接的生態環境必須複合環境保護和衛生標準，即複合ISO 9000， ISO14001和ISO18001等。但是傳(chuan) 統的焊接技術，如FCAW、SAW、SMAW、GMAW在焊接過程中會(hui) 產(chan) 生CO2、CO、NOx、O3以及有害的金屬蒸汽，如Mg、Ni、Cr、Co、Pb等。由於(yu) 焊接工業(ye) 的迅速發展，焊接造成的汙染以及氣體(ti) 粒子越來越多，而且這些粒子的顆粒又比較小，很容易被人體(ti) 吸收。然而，這一狀況的存在對環境非常有害，且對焊接工人的審題也造成巨大的危害。

為(wei) 了減少CO2的排放和石油化石能源的過度消耗以及保護環境和操作人員的身體(ti) 健康，越來越多的更高性能的材料被開發出來並得到應用。如不鏽鋼的應用、複合材料、超高強度鋼、鈦合金、鎂合金、鋁合金和高耐磨材料等，在應用時暨考慮到了環境友好的需要，也考慮到如何焊接的問題。電子束焊接、攪拌摩擦焊和超聲波焊接均屬於(yu) 環境友好類型的焊接技術，這是因為(wei) 他們(men) 的排放幾乎為(wei) 零。前提是隻需要按照操作規範來執行就行。激光焊接也是一種環境友好型的生產(chan) 工藝，其排放也幾乎為(wei) 零。這是因為(wei) 在現代焊接工業(ye) 中已經有有效的過濾係統來排煙和排塵過濾。

由於(yu) 激光光源可以靈活的進行分光、調製、整形等，使得同一光源可以實現不同的應用。尤其是通過光纖傳(chuan) 輸這一特點將激光焊接的應用帶入一個(ge) 新的曆史高度。這可以實現全位置的激光焊接，即使是激光頭不能到達的位置也有可能通過遠程焊接來實現。此外，激光焊接與(yu) 機器人的結合，減少了人力的應用，同時還易於(yu) 實現自動化和係統操作。在加上激光設備成本的不斷降低，激光焊接技術的應用範圍和焊接能力也得到迅速的增加。

激光焊接的優(you) 點

激光焊接有許多優(you) 點，從(cong) 而使得該技術成為(wei) 替代傳(chuan) 統焊接最有競爭(zheng) 力的一項替代技術。

自愈合（無需焊料）的焊接技術

激光焊接技術的眾(zhong) 多優(you) 點之中，可以不使用填料就可以進行焊接是其中之一。如果裝配和對接位置精準的話，可以實現精準焊接和定位焊接。同時激光焊接是非接觸焊接，從(cong) 而不會(hui) 受到被焊接材料導電性和磁性的影響。同時，自愈合（無需填料）焊接還可以排除焊瘤焊渣的不利影響，同時不受焊縫寬度和焊縫深度的限製。單道就可完成焊接，在傳(chuan) 統焊接的時候，需要多道多層才能完成。同時激光焊接後的材料機械強度高、對震動和衝(chong) 擊的抗力大，同時引起的熱變形比較小，增減了激光焊接結構（產(chan) 品）的穩定可靠性。然而，在有些場合也是可以使用填料進行焊接的。

可焊接大厚度的材料

激光焊接可以在不使用填充材料的條件下一次穿透焊接50mm的深度（2016年的數據），一般來說，20mm的板可以采用2萬(wan) 瓦的激光器輕易實現焊接。另一方麵，如果采用多道焊接和添加填料焊接的話，則焊接深度就沒有限製。一般來說，可焊接的厚度不僅(jin) 同材料特性相關(guan) ，還同激光功率相關(guan) ，如下圖所示為(wei) 激光焊接參數的特征描述及其所帶來的優(you) 勢。

圖2 激光焊接時的參數及其帶來的效果

異種材料焊接

在工程實踐中，不管從(cong) 技術角度還是從(cong) 經濟角度，異種材料的焊接是不可避免的事情。盡管異種材料的焊接麵臨(lin) 著冶金不相容的問題，人們(men) 仍然在孜孜不倦的探索異種材料的焊接。如使用傳(chuan) 統方法進行焊接的話，有著諸多的選擇，如氣體(ti) 保護焊、埋弧焊、乃至高能量密度的等離子弧焊和電子束焊接。除去以上的熔化焊接技術，還有壓力焊。摩擦焊、電阻焊、釺焊和錫焊、機械連接等手段可以避免熔化焊接所帶來的問題。但在高溫應用場合，粘結焊接和錫焊等製品就不能獲得滿意的結頭和經受住時間的考驗。解決(jue) 的辦法就是采用電子束焊接和激光焊接。這兩(liang) 種焊接方法引起了人們(men) 的廣泛興(xing) 趣。由於(yu) 激光焊接不需要真空且適應性強，激光焊接可謂獨領風騷。

目前異種材料的焊接已經取得了一些可喜的成績，如Al/鋼、鋼/Kovar、Cu/鋼以及Cu/Al焊接已經得到了應用。異種材料的焊接隻是滿足特殊場合的應用，如圖3為(wei) 異種材料之間可以實現焊接的組合圖。圖4為(wei) 激光焊接鈦合金與(yu) 其他金屬時的組織及其拉伸性能。圖5為(wei) 激光焊接金屬與(yu) 塑料的示意圖（上）即焊接PET與(yu) 304不鏽鋼時得到的實物圖。

圖3 不同元素組合進行激光焊接時金屬的相容性

圖4 鈦合金與(yu) 其他監護材料繼續擰異種激光焊接時得到的顯微組織和拉伸強度

圖5 激光直接接焊接金屬與(yu) 塑料（上）和焊接PET與(yu) 304不鏽鋼的實物圖（下）

複合焊接

複合焊接技術得到了深入的研究並在許多場合得到了應用。其中激光-GMAW由於(yu) 操作簡單且易於(yu) 安裝在機器人上進行操作而在汽車工業(ye) 中得到大量的應用。同時在造船、航空等工業(ye) 中的厚板連接上也得到了應用。如圖6為(wei) 鈦合金與(yu) 316不鏽鋼進行複合焊接時形成的機理示意圖。

圖6 鈦合金和316 不鏽鋼的複合焊接機理圖

可光纖傳(chuan) 輸

激光可以通過光纖傳(chuan) 輸且能量損失少，從(cong) 而使得激光可以實現遠程焊接，激光也可以通過鏡片來傳(chuan) 輸。這是激光焊接的柔性比傳(chuan) 統焊接要好的重要原因之一。

遠程焊接

近年來，利用大的聚焦鏡、高功率激光來實現高速3D掃描加工，從(cong) 而實現了遠程焊接。遠程焊接隻需要轉動激光頭或改變掃描振鏡的方向就可以實現遠距離焊接。這大大的縮短了原先焊接時工件或者激光頭空運轉的時間，從(cong) 而使得加工效率大大提升。最新的激光遠程焊接配備了3D掃描係統和機器人傳(chuan) 輸係統。

圖7 傳(chuan) 統激光焊接（左圖）和遠程焊接的軌跡示意圖（右圖）

環境友好

傳(chuan) 統的焊接技術如GMAW、埋弧焊等等都會(hui) 釋放出有毒有害的金屬蒸汽或顆粒物，不符合環境和衛生防護標準。而激光焊接幾乎是零排放。配備吸塵吸煙設備後，達到零排放。

光源豐(feng) 富

激光光源種類豐(feng) 富，幾乎所有波段的光都可以製造出相應波段的激光器，從(cong) 而可以實現不同焊接對象的焊接，並能達到滿意的焊接效果，這也是迄今為(wei) 止，沒有一種焊接設備可以同激光相媲美。常用於(yu) 焊接的激光光源有二氧化碳激光、YAG激光、Nd玻璃激光、Yb：YAG：Nd:YAG、Er:YAG、KrF、ArF、XeCl、半導體(ti) 激光（GaAs、InGaAs、GaAlAs、GaN）等。

圖8 豐(feng) 富多樣的激光光源的來源

應用廣泛

激光焊接作為(wei) 一種新的且重要的連接技術，在高強鋼、鍍鋅鋼、鋁合金、不鏽鋼、鎳基合金和鎂合金中得到了廣泛的應用。同時成為(wei) 航空航天、汽車、電子、石油化工、電力、造船等行業(ye) 中重要的焊接手段。同時，目前在廚房衛浴等製品的焊接中而已開始占據著重要的位置。