激光焊接的发展及研究现状
摘要：简要介绍了激光和激光器的原理和发展状况，激光焊接的原理和工艺，激光复合技术的发展状况，激光光焊接的特点，比较了几种常用的激光器；简述了激光焊接在汽车制造业中的应用。
关键字：激光；焊机激光器；激光复合技术；焊接机器人；汽车制造
1前言
焊接作为一种实现材料永久性连接的方法，被广泛用于机械制造、石油化工、桥梁、船舶、建筑、动力工程、交通车辆、航空航天等各个部门，已成为机械制造行业中不可缺少的加工工艺。而且，随着国民经济的发展，其应用领域还将不断的被拓宽[1]。
激光作为一个20世纪以来，继原子能、计算机、半导体之后，人类的又一重大发明，以其高能量密度、高精度、适应性强等特点，作为切割和焊接的新手段应用于工业生产，具有很大的发展潜力。激光焊接在工业生产中充分发挥了其先进、快速、灵活的加工特点，它既是工业新产品开发的技术保证，又是高质量、低成本生产不可或缺的技术手段[2]。
2激光焊接的发展背景
1）激光的发展
激光的最初的中文名叫做“镭射”、“莱塞”，是它的英文名称LASER的音译，是取自英文Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation的各单词头一个字母组成的缩写词。意思是"通过受激发射放大的光"。1964年按照我国著名科学家钱学森建议将“光受激发射”改称“激光”[1]。
激光的原理早在1916年已被著名的美国物理学家爱因斯坦发现，但直到1960年激光才被首次成功制造。激光是在有理论准备和生产实践迫切需要的背景下应运而生的，它一问世，就获得了异乎寻常的飞快发展，激光的发展不仅使古老的光学科学和光学技术获得了新生，而且导致整个一门新兴产业的出现。激光可使人们有效地利用前所未有的先进方法和手段，去获得空前的效益和成果，从而促进了生产力的发展。
2）焊接用激光器的发展
由于激光具有非常好的优点，上世家70年代，激光技术就已经开始在焊接领域应用，目前在焊接方法领域的研究比例中，激光焊接约占20%，经次于气体保护焊。焊接用激光器要求功率密度高（104—105W/cm2）、功率密度分布呈基模态、光束质量好。常用的焊接激光器主要包括如下几种:
（1）CO2气体激光器；
以CO2气体作为工作物质的气体激光器。结构简单、造价低；操作方便；工作介质均匀，
光束质量好；以及能长时间较稳定地连续工作的优点。这也是目前品种最多、应用广泛的一类激光器氦－氖激光器是最常用的一种。
图2气体激光器原理
（2）Nd：YAG激光器、碟形YAG激光器；
是以钇铝石榴石晶体为基质的一种固体激光器，钇铝石榴石的化学式是Y3Al5O15,简称为YAG。
图3YAG激光器工作原理
（3）光纤激光器；
（4）半导体激光器；
表1 几种焊接激光器性能参数的比较
3）焊接机器人的发展
将激光用于焊接机器人是激光焊接的一种重要形式。焊接机器人具有多自由度、编程灵活、自动化程度高、柔性程度高等特点，是焊接生产线的重要组成部分。将激光器安装在焊接机器人上进行焊接，大大提高了焊接机器人的焊接质量和适用范围，在船板、汽车生产线中激光焊接机器人具有越来越重要的地位。图4为CO2激光焊接机器人进行焊接的示意图[3]
图4 CO2激光焊接机器人进行焊接的示意图
3 激光焊的原理和工艺
激光对金属材料的焊接，本质上是激光与非透明物质相互作用的过程。这个过程极其复杂，微观上是一个量子过程，宏观上则表现为反射、吸收、熔化、汽化等现象。激光焊接可以采用连续或脉冲激光束加以实现，激光焊接的原理可分为热传导型焊接和激光深熔焊接。功率密度小于104—105 W/cm2为热传导焊，此时熔深浅、焊接速度慢；功率密度大于105—107 W/cm2时，金属表面受热作用下凹成“孔穴”，形成深熔焊，具有焊接速度快、深宽比大的特点。
激光与工件作用过程中的会出现自振荡效应，其熔池、熔池中的小孔、金属的流动现象有周期性变化。这种振荡的频率与激光束的参数、金属的热物理性能和金属蒸气的动力学特征有关。熔池的周期性变化会在焊缝中产生两个特有的现象：一个是充满金属蒸气的气孔，由于发生周期性变化，同时熔池的金属又在它的周围从前向后沿流动，加上金属蒸发造成的扰动，有可能将小孔拦腰截断，使蒸气留在焊缝中，凝固后形成气孔，另一个是焊缝根部熔深的周期性变化，这与小孔的周期性变化有关[4]。
图5 激光焊熔池示意图
激光焊接的功率密度、脉冲波形、离焦量及焊机速度与辅助吹风是影响激光焊接质量的重要因素，它们的有机配合决定了最终焊接质量的好坏[6]。激光焊接与其它传统焊接工艺相比，有着许多优点。其最主要的优势之一就是能够将激光束集中于非常狭小的区域，从而产生高能量密度的热源，随后，该集中热源快速扫过被焊接缝，在这方面，激光焊接可与电子束焊接相比拟[7]，同时激光束的紧密聚集、热量向工件的有效传递以及狭小的热影响区等优点，也带来了接头装配的难题，很小的组装偏差就会导致焊接条件较大的变化，甚至很窄的间隙（≤0. 1mm）也能引起激光辐射耦合的缺陷和热效率的降低。
为了解决激光焊接接头装配精度高和间隙要求高，焊缝易出现气孔、裂缝和咬边等缺陷和设备投资大，能量转换率低的缺点，近年来激光焊接的发展趋势之一就是激光复合技术。如激光+电弧的联合焊接方法，它集中了激光焊接的焊缝深宽比大、热影响区小、焊接速度快、焊接线能量低、焊接变形小、聚焦后的光斑直径小和能量密度高的优点和电弧焊接的设备投资小、对间隙不明感、能填充金属的优点。取得了增加激光吸收率、增加熔深和稳定电弧的效果。激光复合技术除了激光+电弧之外，还开发了激光—高频焊、激光压焊和激光钎焊等其它综合性的技术[3][7]，拓宽了激光焊接的应用范围和使用效果，推动了激光焊接技术的进一步发展。
电弧焊
激光焊
激光+电弧
