真空激光焊接技術(shù)研究進(jìn)展

李 想，黃瑞生，滕 彬，武鵬博，周 坤

中國(guó)機(jī)械總院集團(tuán) 哈爾濱焊接研究所有限公司，黑龍江 哈爾濱 150028

0 前言

激光焊接的應(yīng)用歷史可以追溯到20世紀(jì)60 年代，與其他焊接方法相比較，激光焊接具有能量密度集中、焊接速度快、精度好、變形小、焊接材料適應(yīng)性廣、易與機(jī)器人配合實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化焊接等優(yōu)勢(shì)。目前激光焊接技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于航空航天器材的制造、船舶制造、電子元件的加工、核電設(shè)備的制造與維護(hù)等多個(gè)領(lǐng)域，并不斷地向著萬(wàn)瓦級(jí)高功率深熔焊的方向發(fā)展。但是隨著激光焊接技術(shù)的發(fā)展，也出現(xiàn)了一些新的問題，比如大功率激光焊接由于等離子體羽輝強(qiáng)烈的吸收、散射和折射等損耗效應(yīng)，使得無法通過增大激光功率而獲得持續(xù)的熔深增加，在焊接過程中易形成多種焊接缺陷，如飛濺、氣孔、縮孔、表面塌陷等，焊縫成形穩(wěn)定性無法可靠保證。

目前許多研究人員已經(jīng)開展了大量高功率激光焊接技術(shù)的相關(guān)研究工作以突破上述問題，例如調(diào)節(jié)適當(dāng)?shù)募す饷}沖頻率[1]，使用產(chǎn)生羽輝量更少的He 氣氛代替常用的Ar 氣氛進(jìn)行激光焊接[2]，在熔池上方增加電場(chǎng)或磁場(chǎng)來減弱等離子體羽輝對(duì)于焊接過程的影響[3]等。然而這些常壓氣氛下的改進(jìn)試驗(yàn)均沒有得到較為理想的效果。受真空電子束焊接技術(shù)的啟發(fā)，同樣作為高能束的激光焊接，學(xué)者們認(rèn)為通過降低環(huán)境壓力的方法可以提高激光焊接的焊縫質(zhì)量和熔深。在隨后的研究中發(fā)現(xiàn)，真空環(huán)境下激光焊接在多譜系合金材料上都能得到理想的焊接效果[4-6]，獲得了類似于電子束焊接具有較大深寬比的深熔焊縫，同時(shí)能較好地抑制焊接缺陷，提高焊接過程穩(wěn)定性。在近十年中，國(guó)內(nèi)外對(duì)真空激光焊接技術(shù)的研究逐漸增多，真空激光焊接等離子體羽輝、熔池動(dòng)力學(xué)、焊縫顯微組織、力學(xué)性能、焊接缺陷、數(shù)值模擬等方面的研究成果相繼發(fā)表。

本文首先介紹真空激光焊接的發(fā)展歷程，其次梳理真空激光焊接的成形特征、羽輝、熔池等內(nèi)容，然后對(duì)真空激光焊接發(fā)展過程中設(shè)備的革新以及在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行介紹，最后總結(jié)現(xiàn)有研究成果并展望了未來真空激光焊接的發(fā)展前景。

1 真空激光焊接發(fā)展歷史

真空激光焊接技術(shù)最早的研究歷史可以追溯到1985 年，為了獲得與真空電子束焊接相同的熔深，大阪大學(xué)Arata等人[7]首次設(shè)計(jì)了真空激光焊接試驗(yàn)裝置并進(jìn)行相關(guān)研究，并詳細(xì)報(bào)道了大氣環(huán)境與真空環(huán)境下的激光焊接基本特性，研究發(fā)現(xiàn)在真空中進(jìn)行激光焊接可以有效抑制等離子體羽輝、增加熔深。在降低環(huán)境壓力后，焊接時(shí)產(chǎn)生嚴(yán)重的等離子體羽輝屏蔽激光束的問題得到了有效解決，進(jìn)而通過降低焊接速度來獲得具有較大熔深的焊縫。最終在10-1Pa的環(huán)境壓力下，激光功率11 kW、焊接速度10 cm/min 條件下獲得了40 mm 熔深的焊縫。此外該團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)即使在5 000 Pa 的環(huán)境壓力下，使用11 kW 功率激光在25 cm/min 焊速下依然可以獲得25 mm 熔深的焊縫。由于相關(guān)研究沒有得到充分的重視，激光器的發(fā)展在短時(shí)間內(nèi)沒有突破性進(jìn)步，此后一段時(shí)間內(nèi)真空激光焊接的相關(guān)研究鮮有報(bào)道。直到1995年，Verwaerde A等人[8]分析了不同真空環(huán)境下等離子體羽輝的形態(tài)，通過對(duì)焊縫形貌分析以及數(shù)學(xué)推導(dǎo)總結(jié)出在較低的真空度下，等離子體羽輝幾乎能夠被完全抑制，匙孔對(duì)激光能量的主要吸收方式由逆韌致吸收轉(zhuǎn)變?yōu)榉颇鶢栁?。此后，研究人員對(duì)真空激光焊接的研究逐漸增多，相關(guān)技術(shù)發(fā)展迅速。

21 世紀(jì)初，隨著焊接用激光器的革新，尤其是能夠獲得大功率優(yōu)質(zhì)激光束的碟片激光器和光纖激光器在焊接研究領(lǐng)域的普及[9-10]，真空激光焊接技術(shù)開始突飛猛進(jìn)的發(fā)展，以日本、德國(guó)、中國(guó)三個(gè)國(guó)家為主的多個(gè)研究團(tuán)隊(duì)對(duì)真空激光焊接進(jìn)行了深入研究。日本大阪大學(xué)在2001 年開始采用YAG固體激光器進(jìn)行真空激光焊接相關(guān)試驗(yàn)[11]，并在之后幾年內(nèi)相繼開展了不同材料的焊接研究工作。該團(tuán)隊(duì)使用16 kW功率的碟片激光器對(duì)304不銹鋼和5052鋁合金兩種材料進(jìn)行焊接，得到了43 mm和23 mm 熔深的焊縫[12]。此外大阪大學(xué)將真空室置于X射線透射實(shí)時(shí)觀測(cè)系統(tǒng)平臺(tái)上，觀察了激光焊接過程中小孔行為、氣泡形成及熔池流動(dòng)，發(fā)現(xiàn)在較低的環(huán)境壓力下，雖然匙孔底部迅速膨脹，但匙孔低端并沒有閉合形成氣泡[12]。德國(guó)研究人員如Youhei[6]等人針對(duì)不同的金屬進(jìn)行真空激光焊接，通過分析焊接過程中的熔池流動(dòng)與匙孔狀態(tài)，得出真空激光焊接可以使匙孔穩(wěn)定的觀點(diǎn)；B?rner[13]研究了真空環(huán)境下焊接質(zhì)量，發(fā)現(xiàn)在1 kPa～10 kPa 區(qū)間，負(fù)壓環(huán)境對(duì)焊縫熔深影響顯著，并同時(shí)探討了羽輝和激光能量的關(guān)系；Reisgen 對(duì)雙相不銹鋼、鈦合金、鎳合金甚至銅合金進(jìn)行的真空激光焊接，均展現(xiàn)了優(yōu)異的焊接工藝特點(diǎn)[14-17]。中國(guó)的研究人員同樣對(duì)真空激光焊接特征進(jìn)行了相關(guān)分析，Bao 等人[18]對(duì)于真空環(huán)境氣氛狀態(tài)的鎂合金激光焊接特性進(jìn)行了研究，哈爾濱工業(yè)大學(xué)李俐群等人[19]分析了激光焊接過程中環(huán)境壓力對(duì)熔池?zé)嵛锢磉^程的影響。此外其他國(guó)家也對(duì)真空激光焊接進(jìn)行了一定的研究[6]。

最近十年內(nèi)，真空激光焊接相關(guān)研究工作更加具體，涵蓋的內(nèi)容更加廣泛。如Peng等人[20]對(duì)于鋁合金和鎳合金的真空激光焊接研究，得到了臨界真空度的觀點(diǎn)，通用汽車中國(guó)科學(xué)實(shí)驗(yàn)室Yang[21]在2013 年提出采用局部真空輔助激光焊的方法以克服傳統(tǒng)真空室局限性，Y Lee 等人[22]提出真空激光焊接下耦合玻璃的污染問題等。

2 真空激光焊接工藝與特性

2.1 焊接工藝特征

真空激光焊接方法經(jīng)過30 余年的發(fā)展呈現(xiàn)出巨大的技術(shù)優(yōu)勢(shì)并具有廣闊的市場(chǎng)發(fā)展前景。該方法有三個(gè)最顯著的特點(diǎn)：熔深大、羽輝小、質(zhì)量高?；谡婵占す夂附犹攸c(diǎn)，學(xué)者們開展了相關(guān)工藝探索。真空環(huán)境可以極大地增加激光的穿透能力，如德國(guó)亞琛工業(yè)大學(xué)Reisgen[23]等人對(duì)比了激光焊接、真空激光焊接（真空度101Pa）和真空電子束的穿透能力，試驗(yàn)結(jié)果如圖1 所示。結(jié)果表明在相同線能量下，真空環(huán)境下激光焊接所獲得的焊縫熔深比大氣環(huán)境下提高了約2.5 倍，并與電子束焊接所獲得熔深尺寸類似。真空激光焊接所需真空度僅為101Pa，而電子束至少需要10-1Pa，說明真空激光焊接方法的成本可能會(huì)更低，且真空激光焊可以達(dá)到與電子束焊類似的低氣孔率[24]，如圖2所示。

圖1 大氣激光焊接、真空激光焊接、真空電子束焊接穿透能力對(duì)比Fig.1 Schematic diagram of liquid flow in the weld pool during weld‐ing under different ambient pressures

圖2 大氣環(huán)境下激光焊接與真空激光焊接氣孔對(duì)比Fig.2 Comparison of gas holes in laser welding and vacuum laser welding in atmospheric environment

Jakobs S等人[25]為了驗(yàn)證真空激光焊接方法的適用性，對(duì)多種合金進(jìn)行焊接試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。結(jié)果表明真空激光焊接方法適用于多種工程常用材料，尤其對(duì)銅合金、鈦合金以及鎳基高溫合金等難焊材料有著極佳的焊接效果。

圖3 真空激光焊接不同材料的焊縫橫截面Fig.3 Vacuum laser welding of weld cross sections of different materials

哈爾濱工業(yè)大學(xué)李俐群[19]等人對(duì)真空激光焊接的極限真空度展開系統(tǒng)研究。首先研究了鋁合金激光焊縫熔深隨焊接環(huán)境壓力的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)當(dāng)環(huán)境壓力低于101Pa時(shí)，熔深基本不再發(fā)生變化。同時(shí)又分析了真空度對(duì)A5083 焊縫氣孔率的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)隨著真空度的提高，焊縫氣孔率顯著降低，當(dāng)真空度高于101Pa時(shí)焊縫中無氣孔存在。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)陳彥賓[26]等人采用工業(yè)CT測(cè)量了不同真空度下鋁合金焊縫氣孔分布及大小，如圖4 所示。發(fā)現(xiàn)隨著真空度的提高，焊縫中氣孔的數(shù)量和尺寸明顯下降，其中工藝氣孔基本被抑制。

圖4 不同真空度下焊縫氣孔分布的三維重建圖Fig.4 Three-dimensional reconstruction of weld porosity distribution under different vacuum degrees

Katayama[27]通過對(duì)不銹鋼進(jìn)行真空激光焊接試驗(yàn)，在不同焊接速度下研究了環(huán)境壓力對(duì)于激光焊接304 不銹鋼焊縫熔深的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)在真空下激光焊接獲得的熔深是大氣環(huán)境下的2倍左右。

2.2 熔池及匙孔動(dòng)態(tài)行為

焊接過程中形成的熔池及匙孔對(duì)焊接成形的影響顯著，其在焊接中的動(dòng)態(tài)行為直接影響焊接接頭質(zhì)量。最早對(duì)于焊接熔池及匙孔行為的分析于1995年提出，Verwaerde等人[8]提出真空激光焊接與大氣環(huán)境下激光焊接的熔池流動(dòng)方式存在顯著差異。之后經(jīng)過多人的研究結(jié)果對(duì)其結(jié)論擴(kuò)充，總結(jié)了真空激光焊接熔池流動(dòng)的特征。如圖5 所示，在大氣環(huán)境下，熔池中的金屬熔化后，沿著匙孔底部向后流動(dòng)，最終在熔池的后端流回初始位置，這樣的流動(dòng)方式會(huì)導(dǎo)致形成的氣泡無法被排出從而在焊縫中形成氣孔。而在真空激光焊接條件下，熔池在匙孔的底部后直接向上流動(dòng)，之后在熔池頂部向后流動(dòng)到匙孔底部。這樣的流動(dòng)方式可以讓匙孔內(nèi)的氣泡在形成后迅速排出，進(jìn)而減少焊縫內(nèi)的氣孔生成[23]。

圖5 不同環(huán)境壓力下焊接過程中熔池中液體流動(dòng)Fig.5 Schematic diagram of liquid flow in the weld pool during welding under different ambient pressures

在大氣環(huán)境下進(jìn)行激光焊接，匙孔難以持續(xù)維持張開狀態(tài)，因此很難保證光路的通暢，此外焊接過程中不穩(wěn)定的匙孔也是產(chǎn)生較多飛濺的原因。在較低環(huán)境壓力下，匙孔壁吸收激光能量的方式主要為菲涅爾吸收，匙孔壁更容易變得平滑，而大氣條件下孔壁則會(huì)產(chǎn)生褶皺，褶皺的突出部分吸收了更多的激光能量，與凹陷部分共同作用使產(chǎn)生的金屬氣體不穩(wěn)定，導(dǎo)致匙孔周期性塌陷[28]，結(jié)果導(dǎo)致較低的環(huán)境壓力使匙孔更容易打開和保持平衡，焊縫中產(chǎn)生的缺陷更少。

上海交通大學(xué)羅燕等人[29]從一側(cè)透明玻璃觀察了真空焊接過程中小孔內(nèi)壁的動(dòng)態(tài)行為，如圖6所示，發(fā)現(xiàn)隨著環(huán)境壓力的降低，激光氣化匙孔前壁產(chǎn)生蒸氣的能力下降，這種蒸氣會(huì)在大氣激光焊接過程中對(duì)匙孔后壁產(chǎn)生不穩(wěn)定的局部壓力，進(jìn)而產(chǎn)生波動(dòng)最終影響匙孔內(nèi)穩(wěn)定性，而當(dāng)環(huán)境壓力低于10 kPa 時(shí)，這種效應(yīng)逐漸消失，保證了焊接過程中匙孔的穩(wěn)定性，從而能有效抑制氣孔缺陷的產(chǎn)生。

圖6 多種環(huán)境壓力下焊接過程中匙孔動(dòng)態(tài)形貌照片F(xiàn)ig.6 Photos of dynamic morphology of keyhole during welding under various environmental pressures

數(shù)值模擬技術(shù)也助力于針對(duì)真空激光焊接匙孔特性的研究。法國(guó)Fabbro[30]、華中科技大學(xué)龐盛永[31]等人對(duì)大氣環(huán)境下匙孔壁蒸氣反作用力計(jì)算模型改進(jìn)，首次引入了環(huán)境壓力對(duì)于匙孔動(dòng)態(tài)行為的影響。研究發(fā)現(xiàn)真空環(huán)境下匙孔壁的平均溫度較大氣環(huán)境下有所降低，如圖7所示，導(dǎo)致真空環(huán)境下焊縫熔深增大。大氣環(huán)境下匙孔壁溫度較高導(dǎo)致匙孔附近熱傳輸作用明顯，使熔池流動(dòng)行為更加復(fù)雜，導(dǎo)致焊縫截面形貌顯著變化。

圖7 激光深熔焊匙孔縱截面溫度分布云圖（t =31.5 ms）Fig.7 Cloud chart of longitudinal section temperature distribution of keyhole （t =31.5 ms）

2.3 等離子體羽輝特性

羽輝的產(chǎn)生是由于高功率、高能量密度的激光照射在材料表面，材料被加熱后急速升溫至熔化然后氣化，從而形成大量的金屬蒸氣，金屬蒸氣在激光的作用下被加熱、電離從而形成致密的羽輝。對(duì)于激光焊接過程，一方面大氣環(huán)境下焊材對(duì)于激光的吸收方式為以等離子體羽輝作為媒介的逆韌致吸收作為主導(dǎo)，另一方面羽輝的存在導(dǎo)致激光本身能量的損失與逸散，這包括羽輝本身對(duì)于激光能量的消光（吸收+散射）作用，也包括羽輝對(duì)于激光束傳輸路徑的擴(kuò)散作用。當(dāng)羽輝受到抑制時(shí)，匙孔對(duì)于激光的吸收方式將以菲涅爾吸收為主導(dǎo)，同時(shí)降低羽輝對(duì)激光能量傳輸?shù)母蓴_作用，極大提高激光能量利用率，如圖8、圖9所示[32-33]。

圖8 不同壓力下激光焊接等離子體羽流Fig.8 Typical CCD camera observations of plasma plume in laser welding under different pressures

圖9 激光焊接過程中羽輝對(duì)于激光的折射作用Fig.9 Refractive Effect of Plume on Laser during Laser Welding

通過針對(duì)等離子體的光譜實(shí)驗(yàn)及相應(yīng)理論計(jì)算，國(guó)內(nèi)外學(xué)者[8，34-35]分析了真空激光焊接過程中等離子體羽輝的物理特性，歸納了真空激光焊接環(huán)境下羽輝對(duì)于焊接過程的影響機(jī)制。激光焊接過程中等離子體的電子密度由環(huán)境壓力所決定，高真空度會(huì)極大地降低等離子體的電子密度，進(jìn)而顯著提高真空激光焊接的熔深與熔池穩(wěn)定性。實(shí)驗(yàn)中觀察了鋁合金、鈦合金、鎳基合金和不銹鋼真空激光焊接過程中等離子羽輝形貌，發(fā)現(xiàn)當(dāng)艙內(nèi)壓力低于101Pa時(shí)，等離子體羽輝的截面面積變化不明顯，如圖10所示。

圖10 等離子體羽輝面積與真空度關(guān)系Fig.10 Relationship between plasma plume area and vacuum degree

上海交通大學(xué)羅燕等人[29]分析不同環(huán)境壓力下探測(cè)激光透過等離子體羽輝的光譜結(jié)果，建立探測(cè)激光衰減的三維分布規(guī)律，由此得到了環(huán)境壓力與等離子體羽輝被抑制的關(guān)系，即等離子體外側(cè)擴(kuò)散型羽輝、中部壓縮型羽輝和匙孔附近駐留型羽輝被完全抑制時(shí)對(duì)應(yīng)的壓力值分別為80 kPa、20 kPa和3 kPa。該團(tuán)隊(duì)還研究了環(huán)境壓力對(duì)羽輝噴發(fā)行為及焊縫成形的相關(guān)性，研究表明隨著真空度的提高羽輝噴發(fā)角度波動(dòng)降低且焊縫成形逐漸改善。

3 真空激光焊接裝備與應(yīng)用

3.1 真空激光焊接裝備研究

真空激光焊接裝備的發(fā)展離不開激光器中光源發(fā)生裝置的不斷革新。真空激光焊接早期大多使用的是以CO2激光器為主的氣體激光器和以YAG 激光器為主的固體激光器，CO2激光器可以獲得較高的激光功率，光束質(zhì)量較好，但是其波長(zhǎng)較長(zhǎng)，導(dǎo)致金屬材料對(duì)光束能量的吸收率大大降低。而YAG激光器雖然提高了吸收效率，但很難獲得高能量的光束，這也是早期真空激光焊接技術(shù)沒有表現(xiàn)出顯著優(yōu)勢(shì)的原因之一。隨著光源發(fā)生裝置的迅速發(fā)展，光纖激光器及碟片激光器因其優(yōu)秀的光束質(zhì)量、焊接特性等開始受到研究人員重視，這也極大推進(jìn)了真空激光焊接的相關(guān)研究。

實(shí)現(xiàn)真空環(huán)境下激光焊接的方式主要有兩種：一種是參考真空電子束焊接的基本設(shè)計(jì)，將激光焊接頭置于真空室內(nèi)部，將其稱為槍頭內(nèi)置式的真空激光焊接設(shè)備。另一種是將激光焊接頭置于真空室上方，在真空室頂部設(shè)置激光耦合窗口，激光通過耦合窗口進(jìn)入真空艙室完成焊接，將其稱為槍頭外置式的真空激光焊接設(shè)備。目前一些研究機(jī)構(gòu)使用的真空激光焊接原型機(jī)為槍頭外置方式。大阪大學(xué)接合科學(xué)研究所2011 年建立了一套可實(shí)現(xiàn)大功率真空激光焊接的裝置，如圖11 所示[12]，真空艙內(nèi)壓力可達(dá)100 Pa，組合兩臺(tái)YAG激光器使激光輸出功率最大可達(dá)26 kW。

圖11 外置槍頭的大功率真空激光焊接裝置Fig.11 High power vacuum laser welding device with external gun head

近幾年，在歐洲市場(chǎng)已經(jīng)出現(xiàn)系統(tǒng)化的真空激光焊接裝置。圖12 為比較有代表性的商業(yè)化真空激光焊接系統(tǒng)，包括德國(guó)Focus Gmbh的LAVA-L95真空激光焊接系統(tǒng)和PTR Strahltechnik GmbH 的LASVACPL01 型真空激光焊接設(shè)備。以上系統(tǒng)化設(shè)備所配備激光器的激光功率一般較小，主要用于在中低功率下較為精密、焊接質(zhì)量要求較高的產(chǎn)品焊接。

圖12 商業(yè)化真空激光焊接系統(tǒng)Fig.12 Commercial vacuum laser welding system

真空室的存在是真空激光焊接走向大規(guī)模應(yīng)用的瓶頸，尤其是對(duì)于船舶等超大型焊縫進(jìn)行焊接時(shí)，無法獲得足夠大的真空室，這也是真空電子束焊接所面臨的尷尬處境之一，但是真空激光焊接對(duì)于真空度的需求不高，在大氣環(huán)境下構(gòu)成局部負(fù)壓就可以滿足真空激光焊接的真空度需求，局部真空激光焊接最早在2013年提出[21]，之后很多研究人員展開了這方面的研究，如上海交通大學(xué)唐新華[36]等人設(shè)計(jì)的抽氣局部真空裝置，實(shí)現(xiàn)了在焊接過程中達(dá)到最低35 kPa 的穩(wěn)定環(huán)境壓力，如圖13 所示，但是在進(jìn)行連續(xù)焊接時(shí)，局部真空室的移動(dòng)會(huì)造成漏氣現(xiàn)象導(dǎo)致氣壓增大，連續(xù)焊接時(shí)熔深不穩(wěn)定，目前尚未找到合適的方法解決。

圖13 局部負(fù)壓環(huán)境激光焊接裝置Fig.13 Laser welding equipment in local negative pressure environment

相比槍頭外置的真空激光焊接裝置，槍頭內(nèi)置的真空激光焊接裝置由于激光焊接頭在真空艙室內(nèi)部，這種方式涉及到傳輸激光的光纖和激光頭配套的水電氣等耦合進(jìn)入真空室問題。相比于局部真空室（連續(xù)焊接氣壓不穩(wěn)定）和槍頭外置的真空激光焊接裝置（柔性低），槍頭內(nèi)置的真空激光焊接裝置柔性好、連續(xù)焊接穩(wěn)定，作為真空激光焊接可選擇的一種裝置裝配方式也有特別的優(yōu)勢(shì)。

3.2 真空激光焊接工程應(yīng)用

德國(guó)亞琛工業(yè)大學(xué)焊接研究所將這項(xiàng)技術(shù)用于汽車傳動(dòng)構(gòu)件的焊接[37]。圖14 為采用真空激光焊接的行星齒輪軸架，在激光功率7.5 kW、焊接速度0.42 m/min、環(huán)境壓力2 kPa下獲得了熔深25 mm的高質(zhì)量焊縫。

圖14 真空激光焊接的行星齒輪軸架及焊接成品效果Fig.11 Planetary gear shaft frame welded by vacuum laser and its welding effect

德國(guó)亞琛工業(yè)大學(xué)與PTR 公司合作開發(fā)了一套真空激光焊接設(shè)備用于傳動(dòng)構(gòu)件產(chǎn)品的生產(chǎn)，其設(shè)備和焊接效果如圖15 所示[37]。并且將其與傳統(tǒng)激光焊接工藝比較，發(fā)現(xiàn)真空激光焊接可節(jié)約99%的保護(hù)用氣且焊后焊縫表面光潔不需要后處理，減少了生產(chǎn)環(huán)節(jié)從而大幅度降低成本，其與激光焊接焊后形貌對(duì)比如圖16所示。由于其優(yōu)異性，真空激光焊接已經(jīng)爭(zhēng)取到來自制造業(yè)的各種合作并進(jìn)行實(shí)物試驗(yàn)。英國(guó)曼徹斯特大學(xué)和德國(guó)亞琛工業(yè)大學(xué)焊接研究所目前在探究真空激光焊接在核領(lǐng)域大型重要部件厚板焊接的應(yīng)用可能性[17]。

圖15 PTR公司真空激光焊接使用設(shè)備和工程應(yīng)用Fig.15 Vacuum laser welding equipment and engineering application of PTR Company

圖16 傳動(dòng)構(gòu)件不同焊接環(huán)境下焊后對(duì)比情況Fig.16 Comparison of transmission components after welding in different welding environments

4 總結(jié)與展望

自從Arata等人于1985年提出了真空激光焊接技術(shù)以來，短短的30余年間這種新型激光焊接技術(shù)得到了穩(wěn)步的發(fā)展。尤其是2010 年左右隨著用于激光焊接的大功率光纖激光器與碟片激光器在科研領(lǐng)域的普及，采用真空環(huán)境提高激光焊接的熔深與焊縫質(zhì)量的方法，已經(jīng)得到了廣泛關(guān)注。研究人員從早期的工藝試驗(yàn)開始，采用模擬實(shí)驗(yàn)、數(shù)值模擬、X 射線檢測(cè)等多種方法分別對(duì)真空激光焊接熔池、匙孔、羽輝等方面進(jìn)行了研究；此外還對(duì)于真空激光焊接過程中產(chǎn)生的一些不足之處提出了改進(jìn)辦法，目前已經(jīng)呈現(xiàn)出逐漸成熟的研究基礎(chǔ)。真空激光焊接以其提高焊縫熔深，減少焊接飛濺和氣孔，提高焊縫成形穩(wěn)定性最終產(chǎn)生高質(zhì)量焊縫的能力，未來有著廣闊的應(yīng)用前景。

然而，目前對(duì)真空激光焊接的物理認(rèn)識(shí)還不全面，相較于其他焊接方法，其工藝成熟度也有所欠缺，這給該技術(shù)的推廣應(yīng)用帶來了很大的挑戰(zhàn)。未來真空焊接技術(shù)的發(fā)展需要從以下方面突破：

（1）在焊接基礎(chǔ)理論和焊接工藝方面，真空環(huán)境下高功率激光焊接能量傳輸、熔池傳熱傳質(zhì)、匙孔行為、焊接缺陷及焊縫成形控制等共性基礎(chǔ)問題和關(guān)鍵工藝問題仍然需要深入研究。

（2）在過程穩(wěn)定性控制方面，真空高功率激光焊接制造過程缺乏形/性協(xié)同調(diào)控方法，焊接過程高精度、快速測(cè)量和數(shù)據(jù)處理技術(shù)不完善，高真空長(zhǎng)時(shí)間可靠柔性焊接關(guān)鍵零部件制造以及多尺度多參量熔池、溫度場(chǎng)和焊接缺陷的高精度、高分辨率數(shù)據(jù)提取技術(shù)有待全面突破。

（3）在裝備集成方面，真空或局部真空激光焊接裝備應(yīng)向高適應(yīng)性和高度集成化的方向發(fā)展，實(shí)現(xiàn)多信息傳感多數(shù)據(jù)融合。