激光焊接技术的发展与展望讲解Word格式.docx

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CO2激光器Nd1YAG激光器脉冲激光焊接（PW连续激光焊接

（CWDevelopmentandexpectationoflaserweldingtechnology

WangJiachun

（GeneraIResearchInstituteforNon-ferrousMetaIs,Beijing,100088

Abstract:

ThedeveIopingprocedureofIaserweIdingtechnoIogyispresentedinthispaper.Thecurrent

situationofIaserweIdingandfutureperspectiveisaIsocIarified.Theemphasisisfocusedonthecharacteristicsof

IaserweIdingprocessanditsprobIemstobestudied.ThecomparisonsofIaserweIdingwithotherweIding

technigues,incIudingeIectronbeamweIding,inertgastungstenarcweIding,gasmetaIarcweIdingandresistance

weIding,areperformedroundIyanddeepIy.TheadvantagesanddisadvantagesofIaserweIdingaresummedup.

Keywords:

IaserweIdingCO2IaserNd1YAGIaserpuIsedIaserweIdingcontinuousIaserweIding

引言

激光焊接技术历经由脉冲波形向连续波形的发展,由小功率薄板焊接向大功率厚件焊接发展,由单工作台单工件加工向多工作台多工件同时焊接发展,以及由简单焊缝形状向可控制的复杂焊缝形状发展,受激物质也包含了多种气体和固体晶体。

激光焊接的应用也随着激光焊接技术的发展而日趋广泛,目前已涉及航空航天、武器制造、船舶制造、汽车制造、压力容器制造、民用及医用等多个领域。

很多学者将激光加工连同电子束加工和等离子弧加工并称为

21世纪最具发展前景及最有效的加工技术。

作者在综合归纳的基础上,

对激光焊接技术的发展历史、应用现状、发展前景、优缺点及有待于解决的问题进行了全面系统的论述。

1激光焊接技术的发展

随着激光这种新能源的获得,材料加工的领域被大大拓宽,激光焊接就是激光应用的重要方面之一。

1962年和1963年,已经有关于激光焊接应用的报道。

随后,各国学者又做了许多激光焊接的基础性研究。

70年代以前,由于高功率连续波（CW激光器尚未开发出来,所以,研究重点集中在脉冲激光焊接（PW。

早期的激光焊接研究试验大多数是利用红宝石脉冲激光器,当时虽然能够获得较高的脉冲能量,但这些激光器的平均输出功率却相当低,这主要是由激光器很低的工作效率和发光物质的受激性质所决定。

Nd1YAG激光器由于具有较高的平第25卷第1期2001年2月激光技术LASERTECHNOLOGY

VoI.25,No.1

February,2000

均功率,在它出现之后很快就成为点焊和缝焊的优选设备。

Ready在1971年曾指出

[1],激光焊接与电子束焊接的显著区别在于,激光辐射不能产生穿透（小孔焊接方式,现在我们知道,这个结论是错误的,因为当激光束焦点的能量密度达到

106W/cm2时,

小孔的形成条件得到满足,从而就可以利用激光束进行穿透（深熔焊接。

同时,小孔的建立与维持需要一定的时间,因此,使用脉冲激光进行焊接时,小孔就不易向深处扩展,也就不易产生深熔焊。

随着千瓦级连续CO2激光器焊接试验的成功[2~7],激光焊接的研究与应用情况在1971年

和1972年发生了变化。

在大厚度不锈钢试件上进行CO2激光焊接,形成了穿透熔深的焊缝,从而清楚地表明了小孔的形成,而且激光焊接产生的深熔焊缝（小孔效应焊缝与电子束焊接

相似[6]。

这些利用CO2激光器进行金属焊接的早期工作证明了高功率连续激光焊接的巨大潜能。

日本、德国、英国和前苏联等国的研究组也相继报道了高功率CO2激光焊接技术的发展及

其优化[8~11]。

CO2激光焊接继续的发展集中于如何获得高光束质量的致密可靠的激光源,如何理解和解释接头设计、焊接速度、光束聚集和等离子效应之间的复杂相互作用及其与焊接性能的关系。

除少数特例外,在这些研究中,基本不采用功率高于20kW的激光器进行焊接,事实上,激光焊接工艺开发与发展的后续经验表明,使用功率超过12~15kW的激光器进行焊接,并不会获得更多的益处,除非应用在焊接速度极高及金属工件厚度极大的场合。

由于金属的反射率在钕玻璃或NdIYAG激光1.06!

m波长下远远低于在CO2激光10.6!

m波长的作用下,因此,相对于CO2激光器来说,使用平均功率大大降低的1.06!

m波长的固体激光器（钕玻璃或NdIYAG进行焊接,可获得相当的焊接质量。

光纤传导技术可以较好地应用于1.06!

m的激光,甚至功率高于1kW也是可行的,而CO2激光则不具备这种性能。

CO2激光器的发展重点虽然仍集中于设备的开发研制,

但已不在于提高最大的输出功率,而在于如何提高光束质量及其聚焦性能。

与CO2激光器的发展情况不同,NdIYAG激光系统的发展趋势仍是如何提高平均功率,这个发展趋势受到高质量晶体生长的困难和激光技术的获得所限制,此外,NdIYAG激光的导光与传输系统也有待于得到进一步的改善和优化。

目

前,已有学者报道了平均功率为4kW的NdIYAG激光焊接的试验数据[12]。

用于激发高功率

NdIYAG晶体的二极管激光组合的应用是一项重要的发展课题,

必将大大提高激光束的质量,并形成更加有效的激光加工。

采用直接二极管阵列激发输出波长在近红外区域的激光,其平均功率已达1kW,光电转换效率接近50%。

这些激光设备和技术总有一天会在焊接应用方面向CO2激光器和NdIYAG激光器发起挑战。

2激光焊接工艺技术概述

激光焊接工艺能够向工件传输高于10kW/mm2的能量密度,因此,能够形成深宽比较大的、小孔状的熔深。

众所周知,激光焊接工艺有两大缺点和难题,即很高的成本投入和较低的能量转换效率,然而,激光焊接有许多优势所在,如热源的光路操纵容易,控制简单,工件的变形小,热影响区狭窄,精确性和自动化程度高,大多数情况下不需要真空工作室等等。

激光焊接的这些优点足以弥补其不足。

由于激光束能够获得相当高的能量密度,而且是一种清洁并

可以方便控制的热源,所以,激光加工引起了生产和科研领域的广泛关注与浓厚兴趣[13]。

根

据激光加工工作方式可分为连续波激光和脉冲波激光。

在激光加工开发的早期,能够进行材料熔化、切割与焊接的激光器多为脉冲输出的固态激光器（如钕玻璃和NdIYAG,连续波形激94第25卷第1期王家淳激光焊接技术的发展与展望

光器不具备材料加工所需的足够的输出功率。

然而在近20年中,高功率连续波CO2气体激光器（波长为10.6!

m和固体NdIYAG（掺钕-钇铝石榴石激光器（波长为1.06!

m的发展导致激光束作为热源的加工应用日趋增多和普遍,应用领域包括切割、焊接、热处理、软钎焊、硬钎焊、复层焊接及表面硬化等。

目前,几乎所有用于焊接和热处理的固体NdIYAG激光器都与光导纤维系统组合使用,具有革新性的纤维传送系统与NdIYAG激光器的结合大大增加了激光加工系统的方便性与灵活性,这种组合系统对于工业上的多工作台同时加工及机器人或机械手操纵非常理想[14]。

而且NdIYAG激光器比CO2激光器更适合于焊接高反射率材料（如铜合金和铝合金等,这是由于NdIYAG激光具有相当短的波长（1.06!

m,从而可获得较高的功率密度[15,16]。

值得注意的是,对于相同的平均功率,脉冲NdIYAG激光比连续NdIYAG激光可获得更大的熔深[17]。

在航空工业以及许多其它应用中,激光焊接能够实现很多类型材料的连接,而且激光焊接通常具有许多其它传统熔焊工艺所无法比拟的优越性,尤其是激光焊接能够连接航空与汽车工业中比较难焊的薄板合金材料[18],如铝合金与钛合金等,并且构件的变形小,接头质量高,重现性好。

激光加工的另一项具有吸引力的应用方面是利用了激光能够实施局部微小范围加热的特性,激光所具有的这种特点使其非常适于印刷电路板一类的电子器件的焊接,激光能在电子器件上非常小的区域内产生很高的平均温度,而接头以外的区域则基本不受影响[15,17,19]。

3激光焊接工艺特点

在激光焊接过程中,当激光束触及金属材料时,其热量通过热传导传输到工件表面及表面以下更深处。

在激光热源的作用下,材料熔化、蒸发,并穿透工件的厚度方向形成狭长空洞,随着激光焊接的进行,小孔沿两工件间的接缝移动,进而形成焊缝。

激光焊接（LBW的显著特征是大熔深、窄焊道、小热影响区,以及高功率密度[20]。

激光焊接代表着一种在微小区域内加热与冷却之间的精细平衡。

激光焊接的目的是通过辐射吸收产生液态熔池,并使之长到理想尺寸,然后沿固体界面移动,消除被焊构件间的初始缝隙,形成高质量焊缝。

熔池过大、过小,或者蒸发严重,都将导致焊接失败。

此外,焊缝的最终质量还可能因其它因素的改变而恶化,如合金成分的蒸发,过大的热梯度（导致热裂纹,以及焊接熔池体积与几何形状的不稳定（导致气孔和空穴等。

热输入与输出之间平衡的维护取决于激光的稳定吸收及能量在工件内部的均匀传递。

激光向工件传递的途径经常被激光焦点处产生的蒸气所干扰,在一定条件下,这种蒸气可以转化为等离子体,从而由于吸收和溅射而使激光强度减弱。

在焊接熔池存在时,熔合区与周围基体材料间界面几何形状的稳定,是决定工件内部稳定传热的主要因素,在焊接过程中工件移动或激光束移动的时候,固液界面经常受到干扰,因此,在焊接熔池的冷却速度中必须引入附加的几何形状影响因素。

既然存在这么多潜在的限制因素,很难想象激光焊接会获得高质量的焊缝。

但是,不管激光焊接中激发与冷却平衡过程存在多少限制,大量的传热与机械时间常数仍能共同作用,以适应激光焊接的要求,并将各种波动减轻到一定程度,