摘要： 論述了激光焊接工藝的特點，激光焊接存汽車工業(ye) 、徽電子工業(ye) 、生物醫學等領域的應用以及研究現狀，激光焊接的智能化控製，需進一步研究與(yu) 探討的問題

關(guan) 鍵詞： 激光焊接，混合焊接，焊接裝置，應用領域

Abstract： This paper dissertates the characteristic of the laser welding craft，its application and current research in such fields as auto industry，microelectronics industry，biomedicine，etc．，the intelligent control of laser welding，and the problems that need further researching and discussing．

Kew words：laser welding composite welding welding equipment application fields

1.引言

激光焊接是激光加工技術應用的重要方而之一，20世紀70年代主要用於(yu) 焊接薄壁材料和低速焊接，焊接過程屬於(yu) 熱傳(chuan) 導型，即激光加熱工件表麵，熱量通過熱傳(chuan) 導向內(nei) 部擴散，通過控製激光脈衝(chong) 的寬度、能量、峰值功率和重複率等參數．使工件熔化，形成特定的熔池。激光焊接作為(wei) 一種高質量、高精度、低變形、高效率和高速度的焊接方法，隨著高功率CO₂和高功率YAG激光器以及光纖傳(chuan) 輸技術的完善、金屬鉬焊接聚束物鏡等的研製成功，其在機械製造、航空航天、汽車工業(ye) 、粉末冶金、生物醫學、徽電子行業(ye) 等領域的應用越來越廣。目前的研究豐(feng) 要集中於(yu) CO₂激光和YAG激光焊接各種金屬材料時的理論．包括激光誘發的等離子體(ti) 發光、吸收、散射特性、激光焊接智能化控製、複合焊接、激光焊接現象及小孔行為(wei) 、焊接缺陷發生機理與(yu) 防止方法等。並對鎳基耐熱合金、鋁合金及鎂合金的焊接性，焊接現象建模與(yu) 數值模擬，鋼鐵材料、銅、鋁合金與(yu) 異種材料的連接，激光接頭性能評價(jia) 等方麵做了廣泛的研究^[1]。

2.激光焊接的質量與(yu) 特點

激光焊接是將高強度的激光輻射至金屬表麵，通過激光與(yu) 金屬的相互作用，金屬吸收激光轉化為(wei) 熱能使金屬熔化後冷卻結晶形成焊接。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(liang) 種：

（1）熱傳(chuan) 導焊接；（2）激光深熔焊。

2.1.激光焊接的焊縫形狀

對於(yu) 大功率深熔焊由於(yu) 在焊縫熔池處的熔化金屬，南於(yu) 材料的瞬時汽化而形成深穿的閉孔空腔，隨著激光束與(yu) 工件的相對運動使小孔周邊金屬不斷熔化、流動、封閉、凝同而形成連續焊縫，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^[2]。圖2顯示四種焊法在316不鏽鋼及DUCOL W30鋼上的焊縫截麵形狀的比較，對比的結論有以下幾點：（1)激光焊與(yu) 電子束焊、鎢極惰性氣體(ti) 電弧焊、等離子焊的主要優(you) 點相似：焊縫窄、穿透性強、焊縫兩(liang) 邊平、熱影響區小（2）電弧焊和等離子焊投資少，廣泛應用了很多年，經驗比較多；（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，被焊工件經受快速加熱和冷卻的反複作用，使得焊縫和熱影響區域極窄，硬度遠遠高於(yu) 母材^[3]，該區域的塑性相對較低。為(wei) 了降低接頭區域的硬度，應采取焊接前預熱和焊後回火等相應的工藝措施。在激光焊接中，現行焊接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南鋼板的化學成分和激光照射條件來決(jue) 定。采用填充焊絲(si) 的激光焊接南於(yu) 可以選擇任意合金成分的焊絲(si) 作為(wei) 最佳的焊縫過渡合金，因而可以保證兩(liang) 側(ce) 母材的聯結具有最佳性能^[4] 。

3.激光焊接的應用領域

3.1.製造業(ye) 應用

激光拚焊(TailoredBlandLaserWelding)技術在國外轎車製造中得到廣泛的應用^[6] ，據統計，2000年全球範同內(nei) 剪裁坯板激光拚焊生產(chan) 線超過100條，年產(chan) 轎車構件拚焊坯板7000萬(wan) 件，並繼續以較高速度增長。國內(nei) 生產(chan) 的引進車型Passat，Bulck，Audi等也采用了一些剪裁坯板結構。日本以CO₂激光焊代替了閃光對焊進行製鋼業(ye) 軋鋼卷材的連接，超薄板焊接，如板厚100~tm 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了將YAG激光焊用於(yu) 核反應堆中蒸氣發生器細管的維修等161，在同內(nei) 蘇寶蓉等還進行了齒輪的激光焊接技術^[7]。20世紀80年代後期，千瓦級激光器成功應用於(yu) T業(ye) 生產(chan) ，而今激光焊接生產(chan) 線已大規模出現在汽車製造業(ye) ，或為(wei) 汽車製造業(ye) 突出的成就之一 。9O年代美國通用、福特和克萊斯特公司競相將激光焊接引入汽車製造，盡管起步較晚，但發展很快。意大利菲亞(ya) 特在大多數鋼板組，牛的焊接裝配中采用了激光焊接，日本的日產(chan) 、本田和豐(feng) 田汽車公司在製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(you) 良在汽車車身製造中使用的越來越多，根據美國金屬市場統計，至2002年底，激光焊接鋼結構的消耗將達到7萬(wan) 噸， 比1998年增加3倍。#p#分頁標題#e#

3.2.粉末冶金領域

隨著科學技術的不斷發展．許多技術對材料有特殊要求．應用冶鑄方法製造的材料已不能滿足需要。由於(yu) 粉末冶金材料具有特殊的性能和製造優(you) 點．在某些領域如汽車、飛機、工具刃具製造業(ye) 中正在取代傳(chuan) 統的冶鑄材料，隨著粉末冶金材料的日益發展．它與(yu) 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^[8]。在20世紀80年代初期．激光焊以其獨特的優(you) 點進入粉末冶金材料加T領域，為(wei) 粉末冶金材料的應用開辟了新的前景，如采用粉末冶金。料連接中常用的釺焊方法焊接金剛石，由於(yu) 結合強度低，熱影響區寬特別是不能適應高溫及強度要求高而引起釺料熔化脫落，采用激光焊接可以提高焊接強度以及耐高溫性能^[9-11]。

3.3.電子工業(ye)

激光焊接在電子T業(ye) 中，特別是微電子工業(ye) 中得到了廣泛的應用^[12]。由於(yu) 激光焊接熱影響區小，加熱集中迅速、熱應力低，因而正在集成電路和半導體(ti) 器件殼體(ti) 的封裝中．顯示了獨特的優(you) 越性，在真空器件研製中，激光焊接也得到了應用，如鉬聚焦極與(yu) 不鏽鋼支持環、快熱陰極燈絲(si) 組件等。傳(chuan) 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(chuan) 統焊接方法難以解決(jue) ， 電弧焊容易焊穿，等離子焊穩定性差，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.生物醫學

生物組織的激光焊接始於(yu) 20世紀70年代，Klink等及Jain^[13]用激光焊接輸卵管和血管的成功及顯示出來的優(you) 越性，使更多研究者嚐試焊接各種生物組織，並推廣到其它組織的焊接^[14,15]。有關(guan) 激光焊接神經方麵，目前同內(nei) 外的研究主要集中在激光波長、劑量及對功能恢複及激光焊料選擇等方麵^[16-181，劉銅軍(jun) 在激光焊接小血管及皮膚^[19]等基礎研究的基礎上又對大白鼠膽總管進行了焊接研究^[20]。激光焊接療法與(yu) 與(yu) 傳(chuan) 統的縫合方法比較．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，被修複組織按其原生物力學性狀牛長等優(you) 點^[21]，將在以後的生物醫學中得到更廣泛的應用。

3.5.其他領域

在其他行業(ye) 中，激光焊接也逐漸增加，特別是在特種材料焊接方麵，我國進行了許多研究，如對BT20鈦合金^[22]、HE130合金^[23]、Li—ion^[24]電池 等激光焊接。德國玻璃機械製造商Glamaco Coswig公司與(yu) IFW 接合技術與(yu) 材料實驗研究院合作開發出了一種用於(yu) 平板玻璃的激光焊接新技術。

4.激光焊接設備的智能化控製

激光焊接監控自動化的關(guan) 鍵之一是熔池的實時監視，因此，跟蹤傳(chuan) 感器的選擇成了一個(ge) 至關(guan) 重要的前提：在所有傳(chuan) 感器中，光學傳(chuan) 感器以其靈敏度和測量精度高，動態特性好，與(yu) I 件無接觸及包含的信息量大等特點，成為(wei) 發展最快的跟蹤傳(chuan) 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(chuan) 感器上升到視頻傳(chuan) 感的新高度^[25]。激光焊接的優(you) 點之一是焊接速度快，薄板的焊接速度可達10m／min以上^[26]，但在高速連續的焊接過程中，如果出現焊接缺陷，將在極短的時間內(nei) 造成大量的廢品。實現在線的激光焊接質量監測是保汪質量十分重要的環節，華中科技大學設計的信號處理及反饋控製係統，通過將聲、光傳(chuan) 感器所采集的信號放大、濾波、雙限比較後進行A／D轉換，再將數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r藝參數進行控製實現最佳工藝參數^[27]。解決(jue) 熔透問題，基本前提是對激光焊接過程進行實時檢測和控製，提取激光焊接的特征信號。

5.1.複合焊接

人們(men) 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，發現它有一定的缺點：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(ti) 激光作用形成等離子雲(yun) 。等離子雲(yun) 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；對焊接母材端麵接要求高， 容易產(chan) 生錯位；容易生成氣孔疏鬆和裂紋；焊後在母材端麵之問的接口部位存在凹陷，焊接過程不穩定等。為(wei) 減少或消除單熱源激光焊接的缺陷，人們(men) 在保持激光加熱優(you) 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(cong) 而把激光與(yu) 其他熱源一起進行複合熱源焊接，主要有激光與(yu) 電弧、激光與(yu) 等離子弧、激光與(yu) 感應熱源複合焊接以及雙激光束焊接等。激光與(yu) 電弧焊接結合起來，這種複合工藝綜合了激光與(yu) 電弧的優(you) 點，即將激光的高能量密度和電弧的較大加熱區組合起來，其優(you) 點：1）可增加焊接熔深；2）提高焊接速度與(yu) 生產(chan) 率；3）改善接頭性能；4）降低設備成本，同時通過激光與(yu) 電弧的相互作用，來改善激光能量的耦合特性和電弧的穩定性，以獲得一種綜合的效果，但是由於(yu) 電弧的引入增加了焊接的熱輸入，從(cong) 而使焊接熱影響區和熱變形增大。

5.2.#p#分頁標題#e#激光焊接的控製

在激光焊接熔透控製研究中，建立熔池形狀參數與(yu) 焊接工藝間的關(guan) 係是關(guan) 鍵問題，在實驗過程中，對熔池形狀信息獲知越豐(feng) 富，對焊接過程熔透控製的效果越理想。許多學者根據激光深熔焊中的小孔機製，對激光焊接的溫度場、液體(ti) 流動及小孔形狀、尺寸進行了計算並取得了一定效果。

5.3.激光焊接的激光發生器及其工藝發展趨勢

目前的激光焊接所使用的激光器主要為(wei) 大功率CO₂，激光器和脈衝(chong) Nd：YAG激光器，對於(yu) CO₂氣體(ti) 激光要解決(jue) 大功率激光器的放電穩定性，對於(yu) YAG 固體(ti) 激光器要研製大容量、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，極好光束質量、高效率和可靠性，並且結構非常緊湊，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域的激光平均功率已達lkW，光電轉換效率接近50％，這些激光設備和技術，將在焊接應用方麵發揮更大的作用。在激光光束質量及加r外罔裝置方麵，應研究各種激光加工工藝對激光光束的質量要求、激光光束和加工質量監控技術、光學係統及加工頭設計和研製，開展焊接藝及材料、焊接T藝對設備要求及焊接過程參數監測和控製技術研究，從(cong) 而掌握普通鋼材、有色金屬及特殊鋼材的焊接工藝。

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