激光焊接技术应用及其发展趋势

1 引言

激光焊接是激光加工技术应

用的重要方 面之 一，20 世纪 70 年代主 要用 于 焊接 薄壁材料和低速焊接，焊接 过程属于热传导型 ，即激光加 热工 件表面 ，热量通过热传导向内部扩散 ，通过 控制激光 脉冲的宽度 、能 量、峰值功率和 重 复率等 参数 ，使工 件熔 化，形成 特 定 的熔池 。激光焊接 作为一 种高质量 、高精度 、低变形 、高效率和高速度的焊接方 法，随着高功率 CO 2 和高功率 YAG 激光 器以及光 纤传输 技术的 完善 、金 属钼 焊接 聚束 物镜 等的研制 成功 ，其 在 机械 制 造 、航空、航天 、汽车工业、 粉末冶 金、生物医学、微电子 行业等领域的应用 越来越广 。目前 的研究 主要集中于 CO 激光 和 YAG 激光焊接 各种 金 属材料时 的理论，包括 激光 诱发 的等 离子体发 光、吸收 、散射 特性、激光焊接智能化控制、 复 合焊接、 激光焊接现 象 及 小孔 行为、焊接 缺陷 发 生机理 与防止 方法等。并对镍 基耐热合金、 铝 合金及 镁合金的焊接 性，焊接现 象 建模 与数值 模拟 ，钢铁 材料、铜 、铝合金与 异种材料 的连接，激光接 头性 能 评价 等方 面 做 了 广泛的研究 。

2 激光焊接的质量与特点

激光焊接是 将 高 强 度 的激光辐射至 金 属表面 ，通过 激光与金 属的相互 作 用，金属吸收 激光 转化为热 能 使金 属熔 化 后冷却结晶 形成焊接。 图1 显示 在不同 的 辐射功率密度下 熔 化过程的 演 变阶段 ，激光焊接的 机理 有两 种 ：（1） 热传导 焊接；（2）激光 深 熔焊。

2.1 激光焊接的焊缝形状对于 大功率 深熔焊由 于在焊 缝熔池处的熔化金 属，由于材料 的瞬时汽化而形成深穿 型的圆孔空腔，随着激光 束与工 件的相对运动 使小孔周边金属不断 熔化、流动、封闭、凝固而形成 连续焊 缝，其焊缝形状深而窄 ,即具有较 大的 熔深熔宽比,在高功率器件焊接 时，深宽比可达 5:1，最高可达 10:1。

图 2 显示四 种焊法在 316不锈钢 及 DUCOL W30 钢上 的焊 缝截面形状的比较 ，对比 的结论有以下几点：

(1)激光焊与电子 束焊、钨极惰性气体 电弧焊(TIG) 、等离子焊的 主要优点相似：焊缝窄、穿透性强、焊缝两边平 行 、热影响区小 ；

(2)电弧焊和等离 子焊 投资少，广 泛应用了 很多年，经验比较 多；

(3)激光焊 和电子 束焊须在真空或局部真空中进 行，也可在空气中，但电子 束穿透 能力比激光差；

(4) 激光焊 和电子 束焊，焊缝窄 且热影响区小 ，因而变形小。

2.2

激光焊接焊缝的组织性能大功率 激光焊接， 因其 能量密度 极高，被 焊工 件经受快 速加热和冷却 的反复作 用，使得 焊缝和热 影响区 域极窄 ，硬度远远 高于 母材，该区 域的 塑性相对较 低。为了 降低接 头区 域的 硬度, 应 采取 焊接 前预热和 焊后回火 等 相应的工艺 措施 。激光 回火 是一 种 在激光焊 后随即采 用 非 聚 焦 的低 能 量 密 度 光束 对焊 道 进 行 多道扫描从 而 降低 焊 缝硬度 的新工艺。激光焊接金 属及热影响区 的 组织 和 硬 度 是 由 化学 成分 和冷却 速度 决定 的。在激光焊接中，现行焊接工艺一 般 不需要 填充金 属。在 这种情况 下,焊缝的组织 和硬 度主 要 由钢 板 的化学 成 分和 激光 照射条件来 决 定。 采 用填充 焊丝 的激光焊接 由 于 可 以 选择任意合金 成 分 的焊 丝 作 为 最 佳的焊 缝过 渡合金，因而可 以保证 两侧母 材的 联结具有最 佳 性能。可以对高熔 点、高热导率 、物 理性质 差 异较大的 异 种 或 同种 金 属材料 进行 焊接，可以得到无污染 、杂质少的焊缝 。激光焊接加 热速度 快 ，焊接 熔池 迅速冷却 ，与普通的 常规 焊接在金相 组织 上有 很大的 区别。

3 激光焊接的应用领域

3.1 制造业应用

激光拼焊 (TailoredBlandLaserWelding) 技术在 国外轿 车制 造 中得到 广泛的应用，据统计 ，2000 年全球范围 内 剪裁坯板 激光 拼 焊生产线超 过 100 条，年 产轿 车构 件 拼焊 坯板 7000 万件， 并 继续以较 高速度 增长 。 国 内 生产 的 引 进车 型Passat，Bulck ，Audi 等也采 用了一些剪裁坯板 结 构。日本 以 CO 2 激光焊 代 替 了 闪 光 对 焊进 行 制 钢 业 轧钢 卷材 的 连 接，超 薄 板 焊接，如 板厚 100mm 以下的箔片 无 法熔 焊，但通过 有 特殊 输 出功率 波形 的 YAG激光焊 得以 成功 ，显示 了激光焊的广阔前途。日本还 在世界上首次 成功 开发了将 YAG 激光焊用 于 核 反应堆中蒸气发 生器细管 的维修 等，在 国 内 苏宝蓉 等 还进 行 了 齿轮 的激光焊接技术。20 世纪 80 年代 后期，千瓦级 激光 器成功 应用 于工业生 产，而今激光焊接生 产线 已大 规模 出现在汽车制 造业，成为汽车制造业突出 的成 就之一。

90 年代美 国通 用、福特和 克莱斯 特公司竟 相将激光焊接 引 入 汽车制 造，尽管起 步较 晚，但发展很快 。意大利菲亚 特在大 多 数 钢 板组 件 的焊接装 配 中采用了激光焊接， 日本 的 日产 、本田 和 丰田 汽车 公司 在制 造 车 身覆盖 件 中 都 使 用了激光焊接 和 切割工艺，高强钢 激光焊接装 配件因 其性 能 优 良 在汽车车 身制 造 中 使 用的 越来越 多 ，根 据 美国金属 市场 统计 ，至 2002 年底，激光焊接 钢结 构的 消耗 将达 到 7 万吨， 比 1998 年增加 3 倍。在工艺方 面美国 Sandia国 家实 验 室 与Pratt Witney联 合进 行 在激光焊接 过程中 添 加 粉末金 属和 金属 丝的研究，德国 不莱梅应用光 束 技术研究 所在 使 用激光焊接 铝 合金车 身骨架 方 面 进 行 了大量的研究，认为在焊 缝中 添 加填充金属 有 助于消除 热 裂纹 ，提高 焊接 速度 ，解 决公 差 问题，开 发 的生产线 已 在奔驰公司 的工 厂 投 入 生产。

3.2 粉末冶金领域

随着 科学技术的 不断 发展 ,许多技术 对材料 有特殊要 求, 应用 冶铸 方 法 制造 的 材料 已 不 能 满足 需要。由于粉末冶 金材料 具有 特殊的性能和 制造优点, 在某些领域 如汽车、飞机 、工具 刃 具 制 造业中 正 在取代传 统的冶铸材料 , 随着粉末冶金材料 的日益发展, 它与其 它零 件的连接问题 显得日益突出 , 使粉末冶金材料 的应用 受到 限 制。在 20世纪 80 年代初 期,激光焊以 其独特的 优 点进 入 粉末冶 金 材料 加工领域，为粉末冶 金材料 的应用 开辟 了新的前 景 ，如 采用粉末冶 金 材料 连接中 常 用的 钎焊方 法 焊接金 刚石 ，由于结 合 强度低 ，热 影响区 宽特 别是 不 能 适应 高 温 及强 度 要 求 高 而引起钎 料熔 化脱落 ，采用激光焊接可 以 提 高焊接 强 度以及 耐 高 温 性能。

3.3 电子工 业

激光焊接在电子工业中， 特 别是微电子工业中 得到 了 广 泛 的应用。由于激光焊接 热影响区小，加热集 中 迅 速 、热应 力 低 ，因 而 正 在集成 电 路和 半 导体器件 壳 体 的 封装中，显示 了独 特的 优 越性 ，在 真空器件 研制中，激光焊接 也得到 了应用， 如 钼聚 焦 极与 不锈钢 支持环、快 热阴极 灯丝组 件等。 传感 器或 温 控 器中的 弹 性薄壁 波纹片 其厚度 在 0.05~0.1mm ，采用 传统 焊接方 法难 以 解 决 ，电 弧 焊 容易 焊穿 ，等离 子焊 稳 定性 差 ，影响 因 素多，而 采 用激光焊接 效果很好，得到广泛的应用。

3.4 生物医学

生物 组织 的激光焊接 始 于 20世纪 70 年代 ，Klink 等及 Jain用激光焊接输卵管和血管的成功及显示出来的 优越性 ，使 更多研究 者尝试焊接各种生物组织，并推广到其它组织 的焊接。 有关激光焊接神经方 面 ，目前 国内 外的研究 主要集中在激光 波 长、剂 量及对功能恢复及激光焊 料 选择 等方 面，刘铜 军在激光焊接 小血管及皮肤等基 础 研究的基 础 上 又 对大 白鼠胆总 管进行了焊接研究。激光焊接方 法 与与 传 统 的缝 合方 法比较 ,激光焊接 具有 吻合 速度 快, 愈合过程中 没有异 物反应 , 保持焊接 部位的 机械性质 , 被修复 组织 按其原生物 力学 性状生 长等 优点，将 在以后 的生物医学中 得到 更 广泛 的应用。

3.5 其他 领域

在其他 行业中，激光焊接 也逐渐增加，特 别是在特 种材料 焊接方面 ， 我 国 进 行了 许 多 研究， 如 对BT20 钛 合金、HE130 合金 [23] 、Li-ion 电池等激光焊接。 德国玻璃 机械 制 造 商 Glamaco Coswig 公 司与 IFW 接合技术与 材料 实验 研究院合 作 开 发 出了一 种 用 于平 板 玻璃的激光焊接 新技术。

4 激光焊接 设备 的智能化 控制激光焊接 监 控自 动 化的 关键之 一是 熔池 的实 时监视 ，因 此，跟踪 传 感 器 的 选择 成 了一 个至 关 重要的 前提。在 所 有传感 器中，光学传 感器以其 灵敏 度和 测 量精度高 ，动态特性好 ，与工 件无 接触及包含的 信息 量大等特点， 成 为发展最快的 跟踪 传感器。而 CCD (Charge-coupled Device 电荷耦 合装置 )集成光学 器件 的应用， 又使得光学 传感 器 上升 到视频 传 感的 新 高度。

激光焊接的 优点 之 一是焊接 速度快 ，薄板的焊接 速度 可达 10m/min以 上，但在 高速 连续 的焊接 过程中，如果 出 现焊接 缺陷 ，将 在极 短的时间内造成 大量的废品 。实现在线 的激光焊接 质量 监测 是 保证 质量 十分重要的 环节 ，华中科技大学设 计的信号 处 理及反馈控制系 统 ，通过 将声、光传 感 器所采集 的信 号放 大、滤 波、双限比较后进行 A/D转换 ，再将数字 信 号由微机进 行 处理等，对 激光 输出功率 、焊接 速度 、离 焦 量 等工艺 参数 进 行 控制 实 现最佳工艺 参数 。解决熔 透问题，基本 前 提 是 对 激光焊接 过 程进 行 实时 检测和控制，提 取激光焊接的特征信号。近 10 来，国内外的研究 机构 主 要 针 对 焊接 过程中光 致 等 离子 体产生的 声、光、电、热等信息 进行 提 取，并 分 析 处 理 ，寻找 特 征 信号。在填丝 激光焊接 时，激光 填丝 焊对接间 隙宽度 是主要的 参数 ，为了 保证 焊缝 全长 都取得 良 好 均匀 的成形 ，实 现高质量 的激光 填丝焊，研究 人员 开 发 了高精度 对缝 间隙检 测 传 感器 以及 高质量 送 丝 控制系 统 。

对于激光 深 熔焊而言 ，利 用光学 传 感 器 检测 焊接 过程中的等 离子 体和 反 射激光的 信号 特 征 是一种 简单 而有 效 的 实时 检 测 焊接 过程的方 法 [32] 。目前 ，利用光电 管检 测焊接 过 程中的等 离子 体 或反 射 光的方 法，主要从 工 件侧面或 与激光同轴两个方向进 行。至于光学 传 感器 的选择 ，有 三种 不同 波段 的传 感器可用于激光焊接 过程检测。如 紫外 波段 的 传 感 器用 于 CO 2 激光焊接时 的等 离 子体检 测，可见光 波 段的 传 感 器 用 于 CO 2 和 Nd:YAG 激光焊接 过 程等 离 子体 或 金 属 蒸 汽羽焰 的 检 测 ， 红 外 波 段 用 于 Nd:YAG 激光焊接的 检 测。 到 目前 为止 ，检测到的光学 信号与激光焊接参数 (如 焦点位置)的关系已有很 好的研究 成 果 并被 应用；另外 利 用光学 传 感 器 对 激光焊接 过 程中 产生的 缺陷 ，如 烧穿、孔洞 或 驼 峰 状表面 缺陷 的检测也有相 关报道。

5 激光焊接发 展趋势

5.1 复合 焊接

人们 在 广 泛 应用激光焊接技术的 同 时 ，不断 地 对其进行 深入 的研究，发 现 它有 一 定 的 缺 点 ：在激光焊接 过 程中， 母材 受热熔 化、汽化，形成 深 熔小孔 ，孔中 充 满 金 属蒸汽，金 属气 体与激光 作用 形成 等离子云 。等 离子云吸收 、反射激光，降低金 属材料 对激光的 吸收率 ，使激光的能 量利用率降 低；对 焊接 母材 端 面 接口 要 求 高， 容易 产 生 错位；容易 生成气孔 疏松 和裂纹 ；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。

为减少或消除 单热源激光焊接的 缺陷 ，人们 在 保持 激光加 热 优 点的基 础上，利 用其他 热源的加 热特 性来 改善激光 对 工件的加 热 ，从而 把激光与 其 他 热源 一 起 进行复 合 热 源 焊接。主要有激光与电 弧、激光与等离子 弧 、激光与 感应热源 复 合焊接以及 双激光 束焊接等。 激光与电弧焊接 结 合起来，这种复 合工艺 综合了激光与电 弧的优 点，即 将 激光的 高 能 量密 度和 电弧 的 较 大加 热区组合 起来，其优点：

1) 可 增 加焊接 熔 深；

2) 提 高 焊接 速度 与生 产率 ；

3) 改善 接头 性 能；

4) 降 低 设备成本 ，同时通过 激光与电 弧 的相互作用，来改 善激光能 量的 耦 合特性和 电 弧 的稳定性 ，以获得 一 种综合的 效 果 ，但 是由 于电弧的 引 入增加了焊接的 热输 入，从 而 使焊接 热影响区 和热变形 增 大。

5.2 激光焊接的 控制 ( 熔池 尺寸、等离子效 应等)

在激光焊接 熔透 控制研究中，建 立 熔池形 状参数 与焊接工艺 间的 关 系是 关键 问题，在 实 验过 程中， 对熔池形 状 信息 获知 越 丰富，对 焊接 过 程 熔透 控制的 效果 越理想。许多学者根据激光 深熔焊中的小孔 机制，对激光焊接的 温度 场、液体流动 及小孔 形状、 尺寸 进行了计算并 取得 了一 定效果 。John 等人提出 了入射激光的 逆韧致 吸收 模型，假定 能量通过传导机 制传递给 小孔壁，通过 解热传导 方程，得到 了一 个最大的 理论熔深。Sonti 等人采用二 维 有 限 元 非线 形 模 型 进行 了 铝合金激光深熔焊接传输过程的三维计算，得到了激光焊接的三维温度场。John 分析小孔 内的能 量和压 力平衡，建 立一个小孔 内液体和蒸 气流动 的通用模 型。王海兴 等对 前 人 提出 的计 算 激光焊接 深 熔焊 过 程中 熔池 尺寸 的方 法进 行 了检 验 、改 进与 推 广，从 激光焊接 过程中的能 量 平衡 出发，预报了不同焊接工 况下熔池 的 尺寸。刘顺洪进 行 了 薄 板 激光焊 温 度 场的 分 析与 数值 模拟 ，在空间域 上用加 权余量法 ， 时 间 域上 用 有 限 差分 法离散 ，考虑 了 材料热 物性参数 的温度相 关性、熔 化潜热以及 对流辐 射等对 温度场的 影响 ，建立 了有限元方程，并编制了 相应的程 序。随着 图象传 感方法 的改 进，人们 可以从熔池 图 象 获 得 熔池形 状 更 多 的特 征信息 ，如熔池 的宽度 、长度和面 积，利 用 这些 信息 建 立同 激光焊接工艺 参数之 间 的 关系，对激光焊接的焊 缝质量 控制中 有着重要的 作用，这 将 是激光焊接研究的一 个 重要方向。

5.3 激光焊接的激光发 生器 及其工艺发展趋势

目前 的激光焊接 所 使 用的激光 器主 要为大 功率 CO 2 激光 器和脉冲 Nd:YAG 激光 器，对 于 CO2气 体 激光要 解 决 大 功率 激光 器 的放 电稳定性 ， 对于 YAG 固体 激光器要研制大 容量、长寿命 的光 泵 激励光源。光纤激光 器具有 高转换 效率和 极低损 耗，极 好光束质量 、高效率和 可 靠性 ， 并 且结 构非常 紧凑，在 不 远的将来，单 光纤 、单 模 光纤 的输出功率 将 超过千瓦级 ，在激光焊接领域 将 得到 应用。 采用直 接二 极 管 阵列 激光 输出波 长 在 近红外 区域的激光 平 均功率 已达 1kW,光电 转换 效率 接近 50豫，这些 激光设备 和技术，将 在焊接应用方 面发挥更大的 作用。在激光光 束质量 及加工 外围 装置方 面，应研究 各种 激光加工工艺 对 激光光 束 的 质量 要求 、激光光 束和 加工 质量 监 控技术、光学系 统 及加工 头 设 计 和 研制，开展 焊接工艺及 材料 、焊接工艺 对 设备 要 求 及焊接 过 程 参数 监测 和控制技术研究， 从而 掌握 普 通钢 材、有色金属 及特 殊钢 材的焊接工艺。