激光是20世紀(jì)以來，繼原子能、計(jì)算機(jī)、半導(dǎo)體之后，人類的又一重大發(fā)明，被稱為“最快的刀”、“最準(zhǔn)的尺”和“最亮的光”。其亮度為太陽光的100億倍，它的原理早在1916年已被著名的美國物理學(xué)家愛因斯坦發(fā)現(xiàn)，但直到1960年激光才被首次成功制造。激光是在有理論準(zhǔn)備和生產(chǎn)實(shí)踐迫切需要的背景下應(yīng)運(yùn)而生的。它一問世，就獲得了異乎尋常的飛速發(fā)展，激光的發(fā)展不僅使古老的光學(xué)科學(xué)和光學(xué)技術(shù)獲得了新生，而且導(dǎo)致一門新興產(chǎn)業(yè)的出現(xiàn)。激光可使人們有效地利用前所未有的先進(jìn)方法和手段去獲得空前的效益和成果，從而促進(jìn)生產(chǎn)力發(fā)展。
焊接，作為現(xiàn)代重要的加工技術(shù)之一，自1882年出現(xiàn)碳弧焊開始，迄今已經(jīng)歷了100多年的發(fā)展歷程，為了適應(yīng)工業(yè)發(fā)展及技術(shù)進(jìn)步的需要，先后產(chǎn)生了埋弧焊、電阻焊、電渣焊及各種氣體保護(hù)焊等一系列新的焊接方法。進(jìn)入20世紀(jì)60年代后，隨著焊接新工藝和新能源的開發(fā)研究，等離子弧切割與焊接、真空電子束焊接及激光焊接等高能束技術(shù)也陸續(xù)應(yīng)用到各工業(yè)部門，使焊接技術(shù)達(dá)到了一個(gè)新的水平。尤其是近年來，各種尖端工業(yè)的發(fā)展需求，不斷提出了具有特殊性能材料的焊接問題，如高強(qiáng)鋼、超高強(qiáng)鋼、特種耐熱耐腐蝕鋼、高強(qiáng)不銹鋼、特種合金及金屬間化合物、復(fù)合材料、難熔金屬及異種材料焊接等。激光焊（LaserBeamWelding，LBW）是利用能量密度極高的激光束作為熱源的一種高效精密焊接方法，與其它熔化焊相比獨(dú)具深寬比高、焊縫寬度小、熱影響區(qū)小、變形小、焊接速度快、焊縫質(zhì)量高、無氣孔、可精確控制、聚焦光點(diǎn)小、定位精度高、易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)，在各種加工制造業(yè)中受到了高度重視。
激光是指激光活性物質(zhì)（工作物質(zhì)）受到激勵(lì)，產(chǎn)生輻射，通過光放大而產(chǎn)生一種單色性好、方向性強(qiáng)、光亮度高的光束。經(jīng)透射或反射鏡聚焦后可獲得直徑小于0.01mm、功率密度高達(dá)106~l012W/cm2的能束，可用作焊接、切割及材料表面處理的熱源。
激光焊實(shí)質(zhì)上是激光與非透明物質(zhì)相互作用的過程，微觀上是一個(gè)量子過程，宏觀上則表現(xiàn)為反射、吸收、加熱、熔化和汽化等現(xiàn)象。激光焊時(shí),激光照射到被焊接件的表面，與其發(fā)生作用，一部分被反射，另一部分進(jìn)入焊件內(nèi)部。
激光焊的熱效應(yīng)取決于焊件吸收光束能量的程度，常用吸收率來表征。金屬對(duì)激光的吸收率，主要與激光波長，金屬的性質(zhì)、溫度、表面狀況以及激光功率密度等因素有關(guān)。
材料的加熱：吸收了光子而處于高能級(jí)的電子將在與其他電子的碰撞以及與晶格的互相作用中進(jìn)行能量的傳遞，光子的能量最終轉(zhuǎn)化為晶格的熱振動(dòng)能，引起材料溫度升高，改變材料表面及內(nèi)部溫度。
材料的熔化及汽化：激光加工時(shí),材料吸收的光能向熱能的轉(zhuǎn)換是在極短的時(shí)間（約為10-9s）內(nèi)完成的。在這個(gè)時(shí)間內(nèi)，熱能僅僅局限于材料的激光輻射區(qū)，而后通過熱傳導(dǎo)，熱量由高溫區(qū)傳向低溫區(qū)。
當(dāng)功率密度大于106W/cm2時(shí)，被焊材料會(huì)產(chǎn)生急劇的蒸發(fā)。
在連續(xù)激光深熔焊接時(shí)，由于被焊材料蒸發(fā)，蒸氣壓力和蒸氣反作用力等能克服熔化金屬表面張力及液體金屬靜壓力而形成“小孔”。“小孔”類似于“黑洞”，有助于對(duì)光束能量的吸收。
壁聚焦效應(yīng)：激光束射入小孔中時(shí)，由于激光束聚焦后不是平行光束,與孔壁間形成一定的入射角，激光束照射到孔壁上后，經(jīng)多次反射而達(dá)到孔底，最終被完全吸收。
焊縫的形成：隨著工件和光束做相對(duì)運(yùn)動(dòng)，由于被焊材料劇烈蒸發(fā)產(chǎn)生的表面張力使“小孔”前沿的熔化金屬沿某一角度得到加速，在“小孔”后面的近表面處形成熔流。“小孔”后方液態(tài)金屬由于散熱的結(jié)果，溫度迅速降低，凝固而形成連續(xù)的焊縫。
2.1激光焊接與傳統(tǒng)的熔焊工藝相比,具有的優(yōu)勢(shì)主要集中在以下幾個(gè)方面：
?。?）可將熱輸入降到最低的需要量，熱影響區(qū)小，且因熱傳導(dǎo)所導(dǎo)致的變形亦最低。
（2）32mm板厚單道焊接的焊接工藝參數(shù)業(yè)經(jīng)檢定合格，可降低厚板焊接所需的時(shí)間甚至可省掉填料金屬的使用。（5）工件可放置在封閉的空間（經(jīng)抽真空或內(nèi)部氣體環(huán)境在控制下）。
?。?）不需使用電極，沒有電極污染或受損的顧慮。且因不屬于接觸式焊接制程，機(jī)具的耗損及變形皆可降至最低。
?。?）激光束易于聚焦、對(duì)準(zhǔn)及受光學(xué)儀器所導(dǎo)引，可放置在離工件適當(dāng)之距離，且可在工件周圍的機(jī)具或障礙間再導(dǎo)引，其他焊接法則因受到上述的空間限制而無法發(fā)揮。
?。?）激光束可聚焦在很小的區(qū)域,可焊接小型且間隔相近的部件。
（6）可焊材質(zhì)種類范圍大，亦可相互接合各種異質(zhì)材料。
?。?）易于以自動(dòng)化進(jìn)行高速焊接,亦可以計(jì)算機(jī)控制，可方便地進(jìn)行任何復(fù)雜形狀的焊接。
?。?）焊接薄材或細(xì)徑線材時(shí)，不會(huì)像電弧焊接般易有回熔的困擾。
?。?）不受磁場所影響（電弧焊接及電子束焊接則容易受磁場影響）,能精確的對(duì)準(zhǔn)焊件。
?。?0）可焊接不同物理性質(zhì)（如不同電阻）的兩種金屬。
?。?1）不需真空環(huán)境，亦不需做X射線防護(hù)。
?。?2）若以穿孔式焊接，焊道深-寬比可達(dá)12：1。
?。?3）可以切換裝置將激光束傳送至多個(gè)工作站。
2.2激光焊接也存在一些不足：
?。?）焊件位置需非常精確，務(wù)必在激光束的聚焦范圍內(nèi)。
（2）焊件需使用夾具時(shí)，必須確保焊件的最終位置與激光束將沖擊的焊點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)。
?。?）最大可焊厚度受到限制，滲透厚度遠(yuǎn)超過19mm的工件，不適合使用激光焊接。
（4）高反射性及高導(dǎo)熱性材料如鋁、銅及其合金等，焊接性會(huì)受激光所改變。
?。?）當(dāng)進(jìn)行中能量至高能量的激光束焊接時(shí)，需使用等離子控制器將熔池周圍的離子化氣體驅(qū)除，以確保焊道的再現(xiàn)。
?。?）能量轉(zhuǎn)換效率太低，通常低于10%。
?。?）焊道快速凝固，因而有產(chǎn)生氣孔及脆化的顧慮。
（8）設(shè)備昂貴。
3激光焊的應(yīng)用
目前激光焊應(yīng)用領(lǐng)域很廣，主要應(yīng)用于：制造業(yè)、粉末冶金領(lǐng)域、汽車工業(yè)、電子工業(yè)、生物醫(yī)學(xué)、塑料激光焊接、新材料激活激光焊接、航空航天、造船以及其他領(lǐng)域。
3.1制造業(yè)的應(yīng)用
在國外轎車制造中，激光拼焊（Ta-iloredblandLaserWelding）技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用，據(jù)統(tǒng)計(jì)，2000年全球范圍內(nèi)剪裁坯板激光拼焊生產(chǎn)線超過100條,年產(chǎn)轎車構(gòu)件拼焊坯板7000萬件，并繼續(xù)以較高速度增長。國內(nèi)生產(chǎn)的引進(jìn)車型Passat，Buick，Audi等也采用了一些剪裁坯板結(jié)構(gòu)。日本在世界上首次成功開發(fā)了將YAG激光焊用于核反應(yīng)堆中蒸汽發(fā)生器細(xì)管的維修等，在國內(nèi)蘇寶蓉等還開發(fā)了齒輪的激光焊接技術(shù)[3]。
3.2粉末冶金領(lǐng)域的應(yīng)用
因粉末冶金材料具有特殊的性能和制造優(yōu)點(diǎn)，在某些領(lǐng)域如汽車、飛機(jī)、工具刃具制造業(yè)中正在取代傳統(tǒng)的冶鑄材料，隨著粉末冶金材料的日益發(fā)展，它與其他零件的連接問題日益突出，使粉末冶金材料的應(yīng)用受到限制。20世紀(jì)80年代初期，激光焊以獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)入粉末冶金加工領(lǐng)域，為其應(yīng)用開辟了新前景，采用激光焊可提高焊接強(qiáng)度及耐高溫性[4]。
3.3汽車工業(yè)的應(yīng)用
德國大眾、奔馳、奧迪，瑞典的沃爾沃等歐洲汽車制造廠早在20世紀(jì)80年代就率先采用激光焊接車頂、車身、側(cè)框等，20世紀(jì)90年代美國通用、福特和克萊斯勒公司競相將激光焊接引入汽車制造，盡管起步晚，但發(fā)展快。意大利菲亞特在大多數(shù)鋼板組件的焊接裝配中采用了激光焊，日本的日產(chǎn)、本田和豐田汽車公司在制造車身覆蓋件中都使用了激光焊，高強(qiáng)鋼激光焊接裝配件因其性能優(yōu)良在汽車車身制造中使用越來越多[5]。
激光焊接還廣泛應(yīng)用到變速箱齒輪、半軸、傳動(dòng)軸、散熱器、離合器、發(fā)動(dòng)機(jī)排氣管、增壓器輪軸及底盤等汽車部件的制造，成為汽車零部件制造的標(biāo)準(zhǔn)工藝。應(yīng)當(dāng)看到我國一些汽車制造廠家已經(jīng)在部分新車型中采用激光焊接技術(shù)，而且從激光焊接技術(shù)本身研究的角度看，我國一些科研院所在一些具有特色的領(lǐng)域取得了特色的成果。隨著我國汽車工業(yè)的快速發(fā)展，一定會(huì)在汽車制造領(lǐng)域取得豐碩的成果和廣泛的應(yīng)用。
3.4電子工業(yè)的應(yīng)用
電子工業(yè)，特別是微電子工業(yè)中激光焊得到了廣泛應(yīng)用。在集成電路和半導(dǎo)體器件殼體封裝中，顯示出獨(dú)特的優(yōu)越性。真空器件研制中，激光焊也得到了應(yīng)用。傳感器或溫控器中的彈性薄壁波紋片其厚度在0.05~0.1mm,采用傳統(tǒng)焊接方法難以解決，TIG焊易焊穿，等離子焊穩(wěn)定性差，影響因素多，而采用激光焊接效果很好，得到了廣泛的應(yīng)用。
3.5生物醫(yī)學(xué)的應(yīng)用
生物組織的激光焊始于20世紀(jì)70年代，Klink等用激光焊接輸卵管和血管的成功顯示出了優(yōu)越性，使更多研究者嘗試焊接各種生物組織，并推廣到其他組織的焊接。目前，有關(guān)激光焊接神經(jīng)方面，國內(nèi)外的研究主要集中在激光波長、劑量及其對(duì)功能恢復(fù)以及激光焊料的選擇等方面。激光焊作為一種焊接牙科合金的新技術(shù)，經(jīng)過十余年的設(shè)備改進(jìn)、技術(shù)更新，在口腔修復(fù)領(lǐng)域的應(yīng)用逐步增多，日趨成熟。主要應(yīng)用于鈦合金、金合金和鎳鉻、鈷鉻合金的焊接，適用于鑄造支架、烤瓷冠橋和附著體等的焊接。
3.6塑料激光焊接
激光焊可應(yīng)用于絕大部分塑料。激光焊是一項(xiàng)無振動(dòng)焊接技術(shù)，特別適用于鼠標(biāo)、移動(dòng)電話、連接器等精密的電子元器件，以及需要以更清潔的方式來熔接的復(fù)雜部件，例如含有線路板的塑料制品、醫(yī)療設(shè)備等。
在汽車工業(yè)中，激光焊接塑料技術(shù)可用于制造很多汽車零部件，激光還可以將塑料薄膜焊在一起，操作過程快捷[10]。
塑料對(duì)近紅外線激光的吸收率也是影響激光焊接效果的重要因素。為克服激光焊接的局限性，一些塑料生產(chǎn)商積極研究開發(fā)有助于改善激光透射率及吸收率的新材料，并取得了可喜的進(jìn)展，為激光焊接技術(shù)帶來更廣闊的應(yīng)用前景。
3.7航空航天工業(yè)的應(yīng)用
20世紀(jì)70年代初，美國在航空、航天工業(yè)中即已利用15kW的CO2激光器針對(duì)飛機(jī)制造業(yè)中的各種材料、零部件，進(jìn)行焊接試驗(yàn)及評(píng)估工藝的標(biāo)準(zhǔn)化。歐盟國家中，意大利首先于20世紀(jì)70年代末從美國引進(jìn)15kW的CO2激光器，隨后由歐盟對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)、航天工業(yè)中的各種容器及輕量級(jí)結(jié)構(gòu)立項(xiàng)，開展了長達(dá)8年的激光焊接應(yīng)用研究。材料涉及鈦合金、鎳基、鐵基高溫合金等。近年來新的應(yīng)用成果是鋁合金飛機(jī)機(jī)身的制造，用激光焊接技術(shù)取代傳統(tǒng)的鉚釘，從而減輕機(jī)身自重、提高強(qiáng)度均近20％，此項(xiàng)技術(shù)計(jì)劃用于空客318、380以及一些無人駕駛飛機(jī)的制造。
3.8造船工業(yè)的應(yīng)用
造船是激光焊應(yīng)用又一個(gè)重要領(lǐng)域。造船的主要工藝是焊接。采用激光焊的優(yōu)點(diǎn)在于可得到高強(qiáng)度的焊件,從而在設(shè)計(jì)上減小所用材料的厚度，達(dá)到輕重量、高強(qiáng)度的目標(biāo)。美國經(jīng)計(jì)算得出航空母艦如采用激光焊可減輕重量200t。實(shí)際上當(dāng)前歐洲的一些大型游輪的建造，激光焊的應(yīng)用達(dá)到20％左右，近期目標(biāo)達(dá)到50％。此外,海洋平臺(tái)、潛艇的結(jié)構(gòu)件還有許多激光焊接的例子。
4激光焊技術(shù)最新進(jìn)展
自激光焊接技術(shù)問世以來，科技工作者從未停止對(duì)它的深入研究。近年來的最新進(jìn)展主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：
4.1大功率激光器的研發(fā)
由于生產(chǎn)的需要，高功率、短波長的激光器一直是國內(nèi)外研究的重點(diǎn),目前工業(yè)用CO2激光器的最大功率已達(dá)到萬瓦級(jí)，YAG激光器也有千瓦級(jí)，如TRUMPF公司已有20kW的CO2激光器和6kW的YAG激光器的供應(yīng)。國內(nèi)武漢金石凱公司也能夠生產(chǎn)20kW的CO2激光器。而近幾年，許多新型激光器也正在迅速地發(fā)展，如CO激光器和光纖激光器。
4.2激光焊接機(jī)器人
把激光用于焊接機(jī)器人是激光焊的一種重要形式。焊接機(jī)器人具有多自由度、編程靈活、自動(dòng)化及柔性程度高等優(yōu)點(diǎn)，是焊接生產(chǎn)線的重要組成部分。將激光器安裝在焊接機(jī)器人上進(jìn)行焊接，可大大提高焊接機(jī)器人的焊接質(zhì)量和適用范圍，在船板、汽車生產(chǎn)線中具有越來越重要的地位。
4.3激光-電弧復(fù)合焊
激光焊接具有焊縫深寬比大、熱影響區(qū)窄、焊接速度快、焊接熱輸入少、焊接變形小、聚焦后的光斑直徑小以及能量密度高的優(yōu)點(diǎn)，但是對(duì)焊接接頭裝配精度和間隙要求高，焊縫易出現(xiàn)氣孔、裂紋和咬邊等缺陷，設(shè)備投資大，能量轉(zhuǎn)換率低。而常規(guī)的熔化極電弧焊雖然焊接速度慢、焊接熱輸入大、熔深小、熱影響區(qū)寬、焊接變形大，但是設(shè)備投資小，對(duì)間隙不敏感，能填充金屬。所以，近年來激光焊接的發(fā)展趨勢(shì)之一就是采用激光+電弧的復(fù)合焊接方法，將激光和電弧兩種熱源的優(yōu)點(diǎn)集中起來，彌補(bǔ)單熱源焊接工藝的不足。
4.4激光填絲焊
激光填絲焊與普通填絲焊焊接工藝類似，在激光照射焊縫的同時(shí)，輸入特定金屬絲。采用該方法的優(yōu)點(diǎn)是：解決了對(duì)工件裝夾要求嚴(yán)格的問題，可以實(shí)現(xiàn)小功率激光器焊接厚大的構(gòu)件，更重要的是，適當(dāng)?shù)剡x擇填絲種類，能夠改善焊縫質(zhì)量，獲得硬度和塑性較好的焊接接頭。Salminen對(duì)激光束與焊絲的相互作用進(jìn)行了專門的試驗(yàn)研究，并對(duì)焊絲反射部分的能量進(jìn)行了測量，發(fā)現(xiàn)反射的激光功率受送絲速度的影響很大，送絲速度的提高將使激光的反射能量明顯增加[15]。因此，選擇合適的送絲速度是激光填絲焊的關(guān)鍵。
5結(jié)束語
激光焊接技術(shù)是集激光技術(shù)、焊接技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)、材料技術(shù)、機(jī)械制造技術(shù)及產(chǎn)品設(shè)計(jì)為一體的綜合技術(shù)。汽車工業(yè)的發(fā)展對(duì)焊接質(zhì)量提出了更高的要求。激光焊因其高能量密度、深穿透、高精度、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在汽車工業(yè)中充分發(fā)揮了其先進(jìn)、快速、靈活的加工特點(diǎn)，不僅焊接生產(chǎn)率高于傳統(tǒng)焊接方法，而且焊接質(zhì)量也得到了顯著的提高。激光焊接技術(shù)發(fā)展到今天，其逐步取代電弧焊、電阻焊等傳統(tǒng)焊接方法的趨勢(shì)已不可逆轉(zhuǎn)。在21世紀(jì)中，激光焊接技術(shù)在材料連接領(lǐng)域必將起到至關(guān)重要的作用。
激光焊接是一種焊接新技術(shù)，其應(yīng)用范圍和焊接能力并沒有被人們完全認(rèn)識(shí)，還有待于科技工作者進(jìn)一步研究和開發(fā)。相信不久的將來，激光焊接技術(shù)不僅會(huì)在更多的加工領(lǐng)域出現(xiàn)，而且還會(huì)成為這些領(lǐng)域的主流加工技術(shù)之一。
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