激光焊接技術(shù)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

王　志，胡芳友，崔愛永，劉浩東

(海軍航空工程學(xué)院 青島校區(qū)，山東 青島 266041)

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激光焊接技術(shù)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

王志，胡芳友，崔愛永，劉浩東

(海軍航空工程學(xué)院 青島校區(qū)，山東 青島 266041)

摘要：激光的特有優(yōu)勢促進(jìn)了其在焊接領(lǐng)域的應(yīng)用，激光焊接技術(shù)的發(fā)展離不開激光器的推動。簡要總結(jié)了激光器的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，主要介紹了激光焊接技術(shù)在航空航天、汽車制造和造船等3個領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀，最后對激光焊接技術(shù)的未來發(fā)展進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：激光器；激光焊接；發(fā)展趨勢；研究現(xiàn)狀

激光自發(fā)明以來，以其高亮度、高方向性、高單色性和高相干性的優(yōu)勢在科研、工業(yè)、軍事和通信中扮演著重要的角色。激光焊接是激光領(lǐng)域非常重要的研究方向之一，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車制造和造船等領(lǐng)域。與傳統(tǒng)焊接方法相比，激光焊接主要有如下優(yōu)點： 高功率密度可以提高焊縫熔深和焊接速度；毫米級光斑可以減小焊縫熱影響區(qū)和殘余應(yīng)力；適應(yīng)性更廣；運用光纖傳播，不受大氣和電磁場的影響。據(jù)統(tǒng)計，在制造業(yè)中有大約25%的焊接是由激光焊接完成的，因此，激光焊接技術(shù)被譽為“21世紀(jì)最有發(fā)展?jié)摿Φ母吣苁骱附蛹夹g(shù)之一”[1]。

本文主要對激光器的發(fā)展以及激光焊接技術(shù)在相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行綜述，同時對激光焊接技術(shù)的發(fā)展趨勢進(jìn)行展望。

1激光器的研究動態(tài)

激光焊接技術(shù)的發(fā)展離不開激光器發(fā)展的推動。激光器經(jīng)過半個多世紀(jì)的發(fā)展，已經(jīng)滲透到各個領(lǐng)域，并發(fā)揮著不可替代的作用。激光器按照工作物質(zhì)的種類可以分為固體激光器、液體激光器、氣體激光器、半導(dǎo)體激光器和其他激光器。

1.1研究現(xiàn)狀

在氣體激光器中，較為典型的是二氧化碳?xì)怏w激光器。從二氧化碳?xì)怏w激光器的發(fā)展歷程來看，人們主要追求的是激光功率的提高和光束質(zhì)量的提高。發(fā)展至今，已經(jīng)出現(xiàn)了第5代二氧化碳?xì)怏w激光器——擴散冷卻型二氧化碳激光器，其中，擴散冷卻板條式二氧化碳激光器一經(jīng)推出就受到眾多企業(yè)的青睞。

固體激光器的出現(xiàn)克服了氣體激光器體積大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、維護(hù)困難和光致等離子體嚴(yán)重等缺陷。隨著技術(shù)的發(fā)展，平均功率100 kW已被認(rèn)為是中近期內(nèi)可以實現(xiàn)的目標(biāo)[2]?，F(xiàn)在比較典型的激光器是固體熱容激光器、緊湊有源反射鏡激光器、側(cè)抽運板條激光器和光纖激光器等。其中，光纖激光器是在半導(dǎo)體激光器的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型激光器(見圖1)。自問世以來，就以其低閾值、高效率、窄線寬、可調(diào)性和高性能價格比等優(yōu)點而受到人們的關(guān)注[3]。光纖激光器在20世紀(jì)60年代由Snitzer[4]提出時，由于受到光纖技術(shù)、抽運技術(shù)以及半導(dǎo)體激光技術(shù)的限制一直發(fā)展緩慢，直到20世紀(jì)80年代后期包層抽運技術(shù)的提出，才使光纖激光器得以迅速發(fā)展。光纖激光器按照激勵機制可分為4類：稀土摻雜光纖激光器、利用光纖的非線性效應(yīng)制作的光纖激光器、單晶光纖激光器和染料光纖激光器。其中，摻鐿元素的光纖激光器發(fā)展最為迅速。

圖1　IPG光纖激光器

1.2展望

激光器在發(fā)展的過程中主要涉及工作物質(zhì)的改進(jìn)、泵浦源的改進(jìn)和工作物質(zhì)結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，因此，人們對于激光器的研究主要是追求高功率、高效率以及高光束質(zhì)量。隨著激光器的發(fā)展，相信其在社會的各個領(lǐng)域會扮演更加重要的角色。

2激光焊接技術(shù)的應(yīng)用

目前，激光焊接技術(shù)已經(jīng)被應(yīng)用于各個領(lǐng)域，例如航空航天、汽車制造和造船等行業(yè)。

2.1航空航天領(lǐng)域

在航空航天領(lǐng)域中，主要應(yīng)用電子束焊、激光焊、攪拌摩擦焊、線性摩擦焊和擴散焊等不同的焊接方法。其中，激光焊占有重要的地位。激光焊接廣泛應(yīng)用于航空航天制造業(yè)，尤其是武器裝備和飛行器制造中，飛機蒙皮的拼接、蒙皮與長衍的焊接、機身附件的裝配、薄壁零件的制造、合金飛行舵翼焊接以及燃料貯箱加強筋條激光焊代鉚等[5]。激光焊接技術(shù)的優(yōu)勢對于提高飛機結(jié)構(gòu)性能、減輕基體質(zhì)量具有重要意義[6]。美國早在20世紀(jì)70年代就對飛機制造業(yè)中的各種材料和零部件進(jìn)行了激光焊接試驗。歐洲空中客車工業(yè)公司研制的空中客車A380在生產(chǎn)過程中，采用激光焊接方法代替鉚釘鉚接方法，使機身凈重減少了15%，成本下降了25%，為增加座位、提高運載量和降低耗油量提供了最大可能[7]。在我國，5 kW工業(yè)用二氧化碳激光焊接裝備已經(jīng)在航空制造業(yè)逐漸普及，10 kW激光器也開始進(jìn)入工程化應(yīng)用。

1420鋁鋰合金、TC4、BT20鈦合金、GH140合金和Inconel625合金都是航空領(lǐng)域經(jīng)常用于飛機制造的材料，眾多學(xué)者對上述材料的激光焊接性能做了大量研究，為激光焊接在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用打下了堅實的基礎(chǔ)。同時，激光焊接修復(fù)工藝的發(fā)展為飛機結(jié)構(gòu)的快速修理提供了新的技術(shù)手段[8]。

2.2汽車制造領(lǐng)域

汽車工業(yè)的發(fā)展對車體質(zhì)量提出了更高要求的同時，對加工方法也有了更高的要求。與傳統(tǒng)的加工方法相比，激光焊接加工質(zhì)量好，生產(chǎn)效率高，因此，被廣泛應(yīng)用于汽車制造領(lǐng)域。早在20世紀(jì)80年代，德國的奧迪、奔馳和大眾，瑞典的沃爾沃等歐洲汽車制造廠就率先采用了激光技術(shù)焊接車身、車頂和側(cè)框等。美國的通用、福特公司，意大利菲亞特公司，日本的本田、豐田公司也相繼把激光焊接技術(shù)引入汽車制造中。

激光焊接在汽車制造中的整體工藝主要包括三大類型：不等厚板的激光拼焊；車身總成與分總成的激光組焊；汽車零部件的激光焊接[9]。目前，激光拼焊板已應(yīng)用在汽車的行李箱加強板、行李箱內(nèi)板、減振器支座和側(cè)圍內(nèi)板等部位上。早在2000年，全球范圍內(nèi)剪裁坯板激光拼焊生產(chǎn)線就已超過了100條，年產(chǎn)轎車構(gòu)件拼焊坯板7 000萬件，且每年繼續(xù)以較高速度增長[10]。激光焊接在汽車制造中的應(yīng)用實例如圖2所示。

圖2　激光焊接在汽車制造中的應(yīng)用

鋁合金激光焊接技術(shù)的逐步成熟也促進(jìn)了全鋁結(jié)構(gòu)轎車的發(fā)展，如奧迪A2全鋁結(jié)構(gòu)轎車車身激光焊縫總長度達(dá)到30 m。歐洲50%～70%的汽車零部件生產(chǎn)采用了激光焊接技術(shù)，僅德國大眾一家公司在生產(chǎn)線上使用的激光焊機就達(dá)到700多臺。激光焊接的應(yīng)用使車身質(zhì)量減輕的同時，車身抗扭剛度增加了80%以上，抗彎剛度增加了35%以上[11]。

2.3造船領(lǐng)域

在船舶建造和修理領(lǐng)域中，應(yīng)用激光焊接技術(shù)最為成熟的是歐洲造船業(yè)。為了適應(yīng)船舶輕量化發(fā)展的要求，人們使用激光焊接技術(shù)來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的焊接方法，使焊接效率和焊接質(zhì)量都得到了有效提高。適合于激光焊接的船體部位主要是船舶甲板和艙壁。目前，激光焊接技術(shù)在造船領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)相當(dāng)成熟，如潛艇制造中高強度鋼的激光切割和焊接，再如大型低速機活塞缺陷通過激光焊接修補，使得低速機活塞部件在工作幾千小時后，通過修復(fù)使得壽命延長2～3倍[12]。激光焊接技術(shù)應(yīng)用于造船業(yè)以來，對造船業(yè)的發(fā)展起到了變革性的作用。目前，歐洲一些大型船廠已大量采用激光切割和大功率激光焊接技術(shù)，并進(jìn)行了大功率光纖激光工業(yè)加工設(shè)備的開發(fā)。

3展望

激光焊接技術(shù)作為一種綠色再制造技術(shù)，已經(jīng)得到了高度重視，也得到了各個領(lǐng)域的高度認(rèn)可。目前，關(guān)于激光焊接的發(fā)展趨勢主要有如下3點。

1)對于焊接材料的研發(fā)。除了對碳素鋼、不銹鋼等鋼材料的研究，還包括對鋁合金、鎂合金和鈦合金等有色金屬材料的研究，現(xiàn)在對異種材料、高溫合金、復(fù)合材料和塑料[13]的研究又掀起一輪新的高潮。

2)針對焊接工藝的優(yōu)化。為了避免激光焊接的一些缺陷，發(fā)揮它的特有優(yōu)勢，人們考慮到研發(fā)與激光焊接相配套的復(fù)合工藝(如激光-電弧復(fù)合焊接等)來提高激光焊接的質(zhì)量[14]。這種技術(shù)已經(jīng)在大眾汽車公司、奧迪汽車公司等得到了應(yīng)用。

3)開發(fā)智能化的激光焊接加工系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要包括在線監(jiān)控、實時反饋處理。結(jié)合先進(jìn)的計算機技術(shù)和機器人技術(shù)，該系統(tǒng)可以大幅提高激光焊接的工作效率和焊接質(zhì)量。

可以預(yù)見，在不久的將來，激光焊接會在航空航天、汽車制造和造船等不同領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用。

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責(zé)任編輯鄭練

Current Status and Prospect of Research on Laser Welding Technology

WANG Zhi, HU Fangyou, CUI Aiyong, LIU Haodong

(Naval Aeronautical Engineering Institute Qingdao Branch, Qingdao 266041, China)

Abstract：As a result of the advantage of laser， the applications of laser in the field of welding are accelerated. Laser promotes the development of laser welding technology. The present status and trend in development of the laser is summed up briefly. The present status of the application about laser welding technology in the aviation, automotive industry and shipbuilding industries is mainly indicated. Finally, the development of laser welding technology in the future is prospected.

Key words:laser, laser welding, trend of development, research status

收稿日期：2015-10-09

作者簡介：王志(1991-)，男，碩士研究生，主要從事激光焊接在航空飛行器維修領(lǐng)域的應(yīng)用等方面的研究。

中圖分類號：TG 441

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A