激光焊接技術(shù)的研究現(xiàn)狀與展望

張世剛 魏巍

摘要：傳統(tǒng)焊接方法難以滿足大型構(gòu)件厚板焊接對焊接效率和焊接質(zhì)量的要求，而高功率激光焊接具有能量密度大、焊接效率高、焊縫深寬比大、接頭質(zhì)量高等特點，成為業(yè)界研究和應(yīng)用的熱點。而在鐵路運輸過程當(dāng)中，鐵道車輛的焊接技術(shù)對于我國鐵路運輸產(chǎn)品的質(zhì)量以及可靠性等方面的內(nèi)容有著決定性的影響。對此，相關(guān)技術(shù)人才吸引國外先進技術(shù)的同時，還要不斷進行自身技術(shù)能力的研究，其中激光加工技術(shù)的應(yīng)用，大大提高了我國機械制造業(yè)的技術(shù)水平。

關(guān)鍵詞：激光焊接;技術(shù);現(xiàn)狀;展望

中圖分類號：G322文獻標(biāo)識碼：A文章編號：1672-9129（2018）06-0054-02

Research Status and Prospect of Laser Welding Technology

ZHANG Shigang*， WEI Wei

（China Electric Power Construction Group Nuclear Engineering Co.， Ltd.， Jinan， Shandong， 250102， China ）

Abstract：The traditional welding method is difficult to meet the requirements of welding efficiency and welding quality for thick plate welding of large components， while high power laser welding has the characteristics of high energy density， high welding efficiency， big depth-to-width ratio of welding seam， high quality of joint， etc， becoming the industry research and application of hot spots. In the process of railway transportation， the welding technology of railway rolling stock has a decisive effect on the quality and reliability of railway transport products in China.To this end， the related technical talents attract foreign advanced technology， but also continue to study their own technical capabilities， among which the application of laser processing technology has greatly improved the technical level of China's mechanical manufacturing industry.

Keywords： Laser welding; technology; present situation; prospect

引用：張世剛， 魏巍. 激光焊接技術(shù)的研究現(xiàn)狀與展望[J]. 數(shù)碼設(shè)計， 2018， 7（6）： 54-54.

Cite：ZHANG Shigang， WEI Wei. Research Status and Prospect of Laser Welding Technology[J]. Peak Data Science， 2018， 7（6）： 54-54.

引言

自1960年世界上第一臺激光器誕生以來，人們對其在焊接領(lǐng)域的應(yīng)用研究和產(chǎn)品開發(fā)工作就一直在進行。經(jīng)歷半個多世紀(jì)的發(fā)展，尤其是最近10年，激光焊接技術(shù)已經(jīng)在航空航天、造船和海洋工程、核電設(shè)備、國防工業(yè)等領(lǐng)域得到普遍應(yīng)用，成為金屬材料加工與制造的重要工藝手段，幾乎涵蓋了所有金屬材料。

1 ?激光焊接系統(tǒng)構(gòu)成

1.1? 主要激光器性能特點

激光器種類繁多，新型激光器也不斷被開發(fā)，目前在激光焊接領(lǐng)域應(yīng)用較廣的是大功率CO2激光器、大功率Nd：YAG激光器、光纖激光器等^[1]。

1.1.1? 大功率CO2激光器

大功率CO2激光器是一種氣體激光器，可產(chǎn)生波長10600nm的紅外激光，具有轉(zhuǎn)換效率高、光束質(zhì)量好、功率密度大、運行成本低、既能連續(xù)輸出又能脈沖輸出等優(yōu)點。根據(jù)氣體流動方向、放電方向和光軸方向的相互位置不同，大功率CO2激光器主要分為橫向流動（簡稱橫流）CO2激光器和軸向流動（簡稱軸流）CO2激光器兩大類。與固體激光器比較，氣體激光器的激活離子密度較低，需要較大體積的工作物質(zhì)，因此氣體激光器的體積都比較龐大，不容易做到大能量脈沖輸出。

1.1.2? 大功率Nd：YAG激光器

大功率Nd：YAG激光器是一種固體激光器，輸出的激光波長為1064nm，相當(dāng)于CO2激光波長的1/10。較小的波長對聚焦、光纖傳輸和金屬表面吸收等有利，與金屬的耦合效率較高，加工性能良好。

Nd：YAG激光器可以與光纖耦合，借助時間分割和功率分割多路系統(tǒng)，可以方便地將一束激光傳輸給多個工位或遠(yuǎn)距離工位，便于激光加工實現(xiàn)柔性化。

Nd：YAG激光器結(jié)構(gòu)較為緊湊，LD（半導(dǎo)體）泵浦全固態(tài)激光器是目前YAG激光器的主要研究和發(fā)展方向。目前，國外Nd：YAG激光器最大輸出功率達10kW，而包括汽車在內(nèi)的工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用最多的則是3kW和4kW的Nd：YAG激光器。最近幾年，半導(dǎo)體泵浦Nd：YAG激光器制造技術(shù)飛速發(fā)展，最大輸出功率已經(jīng)達到和氙燈泵浦Nd：YAG激光器同樣級別。Trumpf公司生產(chǎn)的氙燈泵浦Nd：YAG激光器的最大輸出功率為5.5kW，而半導(dǎo)體泵浦Nd：YAG激光器的最大輸出功率已經(jīng)達到6kW^[2]。

1.2? 激光焊接光學(xué)系統(tǒng)

激光光纖傳輸?shù)膬?yōu)點包括：光纖傳輸系統(tǒng)比透鏡、反射鏡、棱鏡等系統(tǒng)體積小、結(jié)構(gòu)簡單、柔性好、靈活方便，可以加工常規(guī)系統(tǒng)不容易加工到的部位;光纖傳輸系統(tǒng)容易實現(xiàn)一臺激光器輸出，可輪流或者同時導(dǎo)向多個焊接工位;采用光纖傳輸系統(tǒng)可以進行遠(yuǎn)距離傳輸，而且光束不發(fā)散;采用光纖傳輸系統(tǒng)可以顯著改善加工面光束的均勻性，使加工區(qū)域的邊緣更清晰。

2 ?激光焊接技術(shù)的發(fā)展

2.1? 激光焊接技術(shù)

在鐵道車輛不銹鋼制車體焊接工作之中主要采用的焊接技術(shù)是激光焊接技術(shù)。該技術(shù)主要通過采用小直徑的激光束進行焊接工作的，因此采用激光焊接技術(shù)焊接的部位變形程度較小，有效環(huán)節(jié)焊接變形的問題。除此之外，激光焊接技術(shù)在進行搭接焊接工作的過程當(dāng)中，工作人員可以通過對激光功率和焊接速度進行控制來實現(xiàn)讓激光不穿透焊接工件。由于激光焊接技術(shù)可以有效控制大街界面的容身，因此通過采用該技術(shù)可以實現(xiàn)讓激光照射一側(cè)的內(nèi)面的外觀就和材料表面精加工過后一樣^[3]，有效提高了鐵道不銹鋼材質(zhì)車輛的外觀質(zhì)量。除此之外，激光焊接技術(shù)還具備著高效率、高質(zhì)量以及可以有效提高氣密性、水密性等多方面的優(yōu)點，因此受到了市場的廣泛歡迎。

在我國激光焊接技術(shù)之中，最先開始使用的激光振蕩器主要以YAG激光器為主，但是由于該激光器的激光束直徑比較小以及可維修性非常好等多方那面的特點使其被廣泛應(yīng)用于推進光纖激光器之中。由于激光束共功率過高會導(dǎo)致工作人員的眼睛收到損傷，因此有關(guān)部門應(yīng)當(dāng)加強激光屏蔽措施。

在一般情況之下，激光焊接并不需要用到填充金屬，其通過將母材融化就能夠達到接合的目的。

2.2? 激光焊接技術(shù)在工程機械制造中的應(yīng)用

切割和打標(biāo)技術(shù)是工程機械制造業(yè)中兩種常見的生產(chǎn)工藝，除此之外，還要一種比較常用的工藝，即焊接技術(shù)。目前焊接技術(shù)的主要技術(shù)手段是電弧焊。這種傳統(tǒng)的焊接技術(shù)在工程機械制造業(yè)中起到了非常重要的作用，但是卻也存在著一定的局限性，比如加工工程量大，需要不斷進行矯正，不僅耗時而且質(zhì)量并不完美。激光焊接技術(shù)作為一種新型的焊接方式，它的優(yōu)點有：通過激光焊接不需和介質(zhì)表面進行壓力接觸，所以對加工對象的損耗較小、熱輸入量大大減少、影響區(qū)域比較小、功能強大、焊接質(zhì)量高等，因其自身優(yōu)點逐漸被廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域，并替代傳統(tǒng)的電弧焊技術(shù)。激光焊接技術(shù)在國外已經(jīng)比較先進，我國對這項技術(shù)的應(yīng)用也十分重視，焊接專家在2013年獲得了焊接領(lǐng)域最高學(xué)術(shù)獎，我國的焊接技術(shù)也處于世界先進水平，并且有著廣闊的發(fā)展前景。

2.3? 焊接自動化技術(shù)

現(xiàn)如今市場主流的鐵道車輛焊接技術(shù)都可以通過機器人進行應(yīng)用，但是許多焊接作業(yè)需要焊接技能水平較高的焊工才能夠進行，因此要像有效對機器人進行有效完善就必須要解決以下三個方面的問題。首先第一點就是提高定位性能，這主要是因為機器人身上的焊接定位傳感器存在著不能適應(yīng)高速焊接作業(yè)的問題;第二點就是提高示教性能^[4];第三點就是提高機器人與操作工作人員之間的協(xié)作性。在機器人的可移動范圍之內(nèi)工作人員無法接近，這在一定程度上影響了機器人工作的精確性，隨著臨近傳感器技術(shù)的發(fā)展，其能夠高精度檢測人體接近的范圍，因此通過該傳感器可以實現(xiàn)機器人和工作人員共同作業(yè)的目的。

3 ?結(jié)束語

綜上所述，隨著高功率激光器的發(fā)展，激光焊接技術(shù)的研究逐漸從薄板深入到大厚板的焊接。在這樣的時代背景之下，對我國鐵道車輛焊接技術(shù)進行研究分析，尋找其進一步發(fā)展的方向就至關(guān)重要，借此可以有效提高我國鐵道車輛的市場競爭性，為我國社會經(jīng)濟的進一步發(fā)展打下堅實的基礎(chǔ)。

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