有關(guān)激光加工的綜述

趙思博 李成棟

DOI：10.16660/j.cnki.1674-098x.2101-5640-0638

摘? 要：自從出現(xiàn)激光焊接技術(shù)，人們對(duì)它的重視程度越來(lái)越高?，F(xiàn)代科學(xué)技術(shù)水平不斷提高，各國(guó)不斷努力開(kāi)發(fā)的激光焊接技術(shù)愈加純熟，相對(duì)于傳統(tǒng)焊接方式的優(yōu)勢(shì)也愈加凸顯，激光焊接憑借自己獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，廣泛地滲透到與其相關(guān)的各個(gè)領(lǐng)域，對(duì)于我國(guó)工業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展起到重要的推動(dòng)作用。本文重點(diǎn)介紹了當(dāng)前激光焊接技術(shù)的工作原理、發(fā)展現(xiàn)狀以及對(duì)未來(lái)發(fā)展的展望。

關(guān)鍵詞：激光焊接? 原理? 現(xiàn)狀? 展望

中圖分類號(hào)：TG44? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-098X（2021）03（c）-0001-3.5

An Overview of Advanced Welding Methods - Laser Welding

ZHAO Sibo? LI Chengdong

（Jiangsu Ocean University， Lianyungang， Jiangsu Province， 222000 China）

Abstract： Since the emergence of laser welding technology， people have attached great

importance to it.With the rapid development of modern science and technology and the continuous improvement of the level， countries continue to work hard to develop and explore， laser welding technology has become more sophisticated， and its advantages over traditional welding methods have become more prominent. Laser welding also relies on its own unique advantages， widely penetrated into various fields related to it， and has played an important role in promoting the development of my country's industrial economy. This article focuses on the current working principle of laser welding technology， development status and prospects for future development.

Key Words： Laser welding; Theory; Current situation; Outlook

就當(dāng)前社會(huì)而言，不管是軍用領(lǐng)域還是民用領(lǐng)域，焊接技術(shù)無(wú)疑已經(jīng)成為人們賴以需求的保障工業(yè)以及許多相關(guān)領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)。它是先進(jìn)生產(chǎn)力和先進(jìn)科學(xué)技術(shù)下的產(chǎn)物，更是促進(jìn)社會(huì)先進(jìn)生產(chǎn)力水平提高的重要推動(dòng)技術(shù)。激光焊接技術(shù)相對(duì)落后的手工焊接技術(shù)有著諸多種類的先進(jìn)之處，企業(yè)對(duì)于激光焊接技術(shù)的需求也是越來(lái)越高。雖然有著諸多亟待解決的重難點(diǎn)問(wèn)題，但隨著科學(xué)技術(shù)的不斷迅猛發(fā)展，激光焊接技術(shù)無(wú)疑有著極其巨大的發(fā)展空間。

1? 激光加工的簡(jiǎn)介

激光焊接技術(shù)最早出現(xiàn)在上世紀(jì)中后期，相對(duì)于落后的人工焊接技術(shù)，它的操作時(shí)間更短、變形更小、深度更大、操作更簡(jiǎn)單[1]。如今，激光焊已深入滲透于空間探索、船舶制造、汽車工業(yè)、醫(yī)療器械、電子制造業(yè)等諸多領(lǐng)域[2]。

激光焊接技術(shù)是依賴激光發(fā)出的巨大熱量將材料熔化來(lái)完成焊接目的的工藝，以必要的某種方式來(lái)激勵(lì)激光頭部的特定介質(zhì)（諸如CO2與某類氣體的混合體等）[3]，然后讓其在震蕩腔中來(lái)回循環(huán)的震蕩，進(jìn)而形成達(dá)到焊接要求的高密度光束，當(dāng)光束與工件發(fā)生接觸之后，工件被焊接部分開(kāi)始急劇升溫，當(dāng)溫度達(dá)到焊接部分的熔點(diǎn)時(shí)，材料開(kāi)始熔融，此時(shí)便可進(jìn)行焊接。激光焊接實(shí)際上就是激光光束與非透明材料之間相互接觸，進(jìn)而發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)的過(guò)程。因?yàn)榧す夂附硬挥煤捅缓附拥牟牧辖佑|，不用在操作的過(guò)程中施加壓強(qiáng)，又因?yàn)闆](méi)有接觸，不存在電極，也就不會(huì)產(chǎn)生如電極污染或者受損的問(wèn)題，當(dāng)然也不用考慮工具損耗和替換等耗時(shí)耗力的情況，因此十分方便[4]。沒(méi)有磁場(chǎng)的影響，定位可以變得相當(dāng)精準(zhǔn)，能夠達(dá)到進(jìn)行微型工件的大批量生產(chǎn)工藝的要求。激光焊接可以在任何情況下進(jìn)行，不用必要的真空條件，這樣一來(lái)，就可以有效減少木材的使用量，簡(jiǎn)潔的保護(hù)了環(huán)境[5]。而且它可以焊接各種材料，包括熔點(diǎn)極高的多種材料，甚至陶瓷和玻璃制品，在異型材料的一些方面，焊接效果也相對(duì)傳統(tǒng)焊接好很多[6]。激光切割與激光焊接原理相似，不過(guò)要使材料達(dá)到更高的溫度，使材料達(dá)到氣化的條件，將材料從中斷開(kāi)[7]。激光切割與焊接有類似的優(yōu)點(diǎn)，具有清潔性、精準(zhǔn)性、高效性等優(yōu)點(diǎn)，和焊接技術(shù)相輔相成，廣泛應(yīng)用于金屬制造、機(jī)械加工、零件裝配等領(lǐng)域，較為客觀的改善了以往傳統(tǒng)切割技術(shù)下惡劣的生產(chǎn)環(huán)境，提高了生產(chǎn)效率，成為切割金屬的主流技術(shù)[8]。

2? 激光焊接的國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀

2.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀

包括美國(guó)在內(nèi)的很多西方國(guó)家的激光焊接的技術(shù)水平已經(jīng)比較成熟并逐步深入。早在上個(gè)世紀(jì)末，這些國(guó)家就已經(jīng)把激光焊接充分應(yīng)用到工業(yè)生產(chǎn)中[9]。并且攻克了很多前所未有的難點(diǎn)，技術(shù)水平有了極大的提高。由于工業(yè)發(fā)展的依賴，對(duì)這一技術(shù)的充分探究，美、德兩國(guó)早就把這種技術(shù)應(yīng)用于軍事和宇宙探索中去了，比如美國(guó)在軍事領(lǐng)域船艦方面大力普及這一技術(shù)，德國(guó)為了使國(guó)家的海軍力量得到加強(qiáng)，將此技術(shù)成果用于研發(fā)海下潛艇船體的重點(diǎn)的部分。在亞洲，日本的激光焊接技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，早已應(yīng)用到如航空航天、汽車、船舶、醫(yī)療器械的制造等領(lǐng)域。很長(zhǎng)時(shí)間里，先進(jìn)的西方以及日本等國(guó)家為于本國(guó)的科技發(fā)展技術(shù)創(chuàng)新創(chuàng)造了完美的發(fā)展條件和政策的鼓勵(lì)，吸引了大量相關(guān)專業(yè)人才，優(yōu)厚的待遇及便利的條件催生了一片創(chuàng)新的局面，這種良性循環(huán)也帶來(lái)了其國(guó)家迅猛的發(fā)展。工業(yè)生產(chǎn)的格局也因受到這一技術(shù)的影響發(fā)生了翻天覆地的變化與革新，企業(yè)的產(chǎn)品質(zhì)量越來(lái)越高，生產(chǎn)效率也是大幅提升。對(duì)于這一技術(shù)各國(guó)都在不斷努力研究，所涉獵的領(lǐng)域也越來(lái)越多，應(yīng)用范圍也越來(lái)越廣，各國(guó)工業(yè)正在因此而不斷加速發(fā)展。近年來(lái)，許多國(guó)外科技人員的目光已經(jīng)不單單趨于傳統(tǒng)單一的焊接方式，對(duì)它的移動(dòng)方式以及內(nèi)部發(fā)熱的源頭等方面展開(kāi)考究，并研究出最合適的焊接重要操作系數(shù)，提高了多種激光焊接方式的水平，例如，激光-電弧復(fù)合焊接[10]、激光深熔焊等。為探究焊縫缺陷的形成原理，激光焊接的研究開(kāi)始借助現(xiàn)代高科技產(chǎn)品，來(lái)不斷深入研究有關(guān)焊接工藝的各方面不足。激光焊接的材料內(nèi)部變化十分的復(fù)雜，多個(gè)研究團(tuán)隊(duì)甚至嘗試通過(guò)引進(jìn)磁場(chǎng)等外部能量來(lái)刺激激光焊接過(guò)程，探究其對(duì)焊縫缺陷的改善情況，不斷優(yōu)化，從而提高焊接的強(qiáng)度、剛度和整體質(zhì)量[11]。

2.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

由于改革開(kāi)放之前資源和人才極度匱乏，直到我國(guó)改革開(kāi)放的實(shí)施才開(kāi)始逐步踏足這一領(lǐng)域。到了十九世紀(jì)末期才將現(xiàn)代激光技術(shù)和傳統(tǒng)焊接技術(shù)結(jié)合起來(lái)，這時(shí)候的激光焊接技術(shù)只能說(shuō)是初具雛形，有著很長(zhǎng)的路要走，也有著極大的發(fā)展和進(jìn)步空間。即使條件如此苛刻，經(jīng)過(guò)科學(xué)研究人員的多年的努力，我國(guó)的激光焊接技術(shù)已經(jīng)從無(wú)到有，從單一到多元，現(xiàn)在已經(jīng)逐步完善，慢慢的跟上了世界的腳步。雖然和國(guó)外還有一定的差距，但是不得不說(shuō)差距一直在被我們逐步的縮小，并且逐漸到達(dá)了世界的前列。當(dāng)下，對(duì)于激光焊接技術(shù)的研究開(kāi)發(fā)，主要集中在激光器、自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)、異種材料的焊接及激光切割質(zhì)量等方面[12]。此外，氣體激光器的研發(fā)也隨機(jī)產(chǎn)生，開(kāi)發(fā)出的氣體激光器，顯著提升了激光功率，光束質(zhì)量和密度得到大幅提高，極大的促進(jìn)了企業(yè)生產(chǎn)力的發(fā)展。其中效果最為優(yōu)良的是擴(kuò)散性冷卻板條式的二氧化碳，得到眾多企業(yè)的關(guān)注和應(yīng)用。與此同時(shí)，在激光焊接技術(shù)的研究中仍舊存在著許多難題[13]，例如，高強(qiáng)度鋼的焊接還很難做到完善，激光焊接成本較高，對(duì)于整個(gè)工程不便于全面覆蓋[14]。文獻(xiàn)[15]介紹了兩種激光切割技術(shù)：微水導(dǎo)激光切割技術(shù)、隱形切割技術(shù)。而王揚(yáng)等人又對(duì)前者進(jìn)行更進(jìn)一步的探究，促進(jìn)了激光與水束耦合技術(shù)的發(fā)展以及介紹了其加工系統(tǒng)[16]。在國(guó)內(nèi)，此方面的研究還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，應(yīng)該加大這些方面的研究，盡快解決此類難題，為祖國(guó)在焊接領(lǐng)域的發(fā)展起到推進(jìn)作用。綜合以上敘述，現(xiàn)如今我國(guó)的激光焊接技術(shù)已經(jīng)得到了長(zhǎng)足的發(fā)展，并逐漸被廣泛應(yīng)用到實(shí)際的生活中。

3? 激光焊接在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用

3.1 激光焊接技術(shù)在船舶方面的應(yīng)用

我國(guó)是造船大國(guó)，但不是造船強(qiáng)國(guó)，想大力發(fā)展工業(yè)制造船舶的工藝，就要對(duì)焊接技術(shù)這一重要方面加大研究力度[17]。隨著各國(guó)對(duì)海洋區(qū)域的競(jìng)爭(zhēng)，船舶制造業(yè)得到快速的發(fā)展，傳統(tǒng)的焊接工藝已經(jīng)難以適應(yīng)行業(yè)的發(fā)展要求，所以對(duì)激光焊接普及和應(yīng)用就極為迫切。其可適用于船舶的不銹鋼焊接、異種材料焊接等[18]。由于船身的主要制造工藝就是焊接，在制造船舶的過(guò)程中，焊接時(shí)長(zhǎng)最高約能占到總工時(shí)的40%[19]。而激光焊接由于其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，相比于傳統(tǒng)焊接，不論是在較長(zhǎng)的甲板還是細(xì)小的零部件位置處，都可以輕松的解決存在的焊接問(wèn)題。最主要的就是激光焊接技術(shù)相對(duì)于傳統(tǒng)焊接技術(shù)有低畸形形變且強(qiáng)度更高的優(yōu)勢(shì)，不管是軍需還是民用，都可以讓人們擁有更安全可靠的船體。另外，由于船體不止一種材料組成，而激光焊接對(duì)于異種金屬非金屬材質(zhì)，能夠很好地將其焊接在一起，且熱形變很小，從而減少了對(duì)形變后的焊縫的處理過(guò)程，降低了處理時(shí)間，提高了工作效率。

3.2 激光焊接技術(shù)在航空航天方面的應(yīng)用

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，世界各國(guó)開(kāi)始不止于對(duì)海洋陸地領(lǐng)土的爭(zhēng)奪，更是把目標(biāo)延伸至天空甚至是宇宙，也因此使得航天航空事業(yè)迎來(lái)了巨大的發(fā)展。大家都知道，飛機(jī)、火箭的組成極為繁瑣，需要成千上萬(wàn)的零部件構(gòu)成，而相當(dāng)一部分這樣的零部件都是依靠焊接來(lái)完成連接組合的。航空飛機(jī)最重要的導(dǎo)航部件是雷達(dá)，對(duì)于雷達(dá)的核心部件，微波組件的氣密封來(lái)說(shuō)，激光焊接由于無(wú)需接觸、焊接區(qū)域幾乎無(wú)縫隙、清潔無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)微波組件的密封極為合適[20]。激光焊接技術(shù)也使得飛機(jī)整體的密閉性更好，自重相對(duì)減小，進(jìn)而減少了油耗，機(jī)翼、機(jī)艙、機(jī)頭等強(qiáng)度更高，飛機(jī)起飛著陸更加安全穩(wěn)定。從成本和質(zhì)量上來(lái)講，可以說(shuō)是低價(jià)高配。

3.3 激光焊接技術(shù)在醫(yī)療方面的應(yīng)用

這一技術(shù)應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域革新了多種的技術(shù)和醫(yī)療器械。在制備精密醫(yī)療儀器的時(shí)候利用激光焊接幾乎沒(méi)有焊渣和飛屑的產(chǎn)生，并且儀器的柔順度很好，因此可以很大程度提高儀器的潔凈性和安全性[21]。通過(guò)激光焊接生產(chǎn)的精密儀器的精度極高，所制造的設(shè)備在神經(jīng)醫(yī)學(xué)、生殖醫(yī)學(xué)、仿生學(xué)等方面的使用給無(wú)數(shù)的病員帶來(lái)了希望，醫(yī)生也可以更加精準(zhǔn)的操作，康復(fù)的概率也得到了提升;也可以應(yīng)用于口腔修護(hù)，用于制作口腔的修復(fù)體，具有焊接強(qiáng)度高、更高精度、安全性更高等優(yōu)點(diǎn)，因此特別適合應(yīng)用于某些精密的修復(fù)體之間的無(wú)縫連接[22]。

3.4 汽車方面

同樣的，在汽車方面激光焊接得到了極大的發(fā)揮空間，整個(gè)車廂包括底盤都需要焊接來(lái)完成，而激光焊接的使用對(duì)于車的強(qiáng)度及質(zhì)量有了質(zhì)的飛躍，特別是整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和熱量散失方面的應(yīng)用[23]。此外，激光焊接的應(yīng)用使得車身更加美觀，車體的封閉性更加良好。車身裝配精度得到有效提高，此外使車身的剛度更是提升達(dá)30%，進(jìn)而提高了整部車的安全性能[24]。采用激光焊接技術(shù)完成拼接的焊板重量較以往更輕，但質(zhì)量更佳，綜合以上原因，整臺(tái)車的制造成本得到減少、運(yùn)輸成本也隨之減少、裝配步驟也更加簡(jiǎn)單，省時(shí)省力且質(zhì)量更高[25]。

4? 結(jié)論與展望

激光焊接從無(wú)到有經(jīng)歷了數(shù)十年的發(fā)展，技術(shù)已經(jīng)較為成熟，現(xiàn)在已經(jīng)應(yīng)用到諸多領(lǐng)域，在工業(yè)方面尤為突出，尤其是機(jī)械制造業(yè)，甚至塑料加工方面也有了零的突破，更推動(dòng)了制造業(yè)在精密領(lǐng)域的發(fā)展，提高了我國(guó)生產(chǎn)力水平，在某種程度上間接的提高了我國(guó)的國(guó)防力量。相信在以后的臨床手術(shù)、智能切割等方面會(huì)有更完善的應(yīng)用。激光焊接在焊接厚度方面能有更深的突破、在材料成本方面有所減少、提高焊接能量轉(zhuǎn)化率、焊接產(chǎn)生的焊縫更加完善?？傊?，激光焊接相對(duì)于其他焊接方式有著諸多不可比擬的優(yōu)勢(shì)，在農(nóng)業(yè)、工業(yè)、以及第三產(chǎn)業(yè)都有著很大的發(fā)展?jié)摿蛷V闊的應(yīng)用前景。

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