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激光焊接技术最新研究进展及应用现状

发表时间：2020/10/21 来源：《基层建设》2020年第19期作者：夏志国1 张云2 吕庆宇3 朱鹏4

[导读] 摘要：随着我国各类产业的蓬勃发展，传统焊接方法已经无法完全适应各行业的需求，而激光焊接作为一种现代化技术，其自身带有的特点恰好迎合了这种需求，因此在制造业、电子产业、医学行业等都有广泛应用。

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        摘要：随着我国各类产业的蓬勃发展，传统焊接方法已经无法完全适应各行业的需求，而激光焊接作为一种现代化技术，其自身带有的特点恰好迎合了这种需求，因此在制造业、电子产业、医学行业等都有广泛应用。
        关键词：激光；焊接技术；研究进展；应用现状
        引言
        激光凭借其高单色性、高方向性、高亮度以及高相干性的应用优势，使激光焊接技术在近几年里得到了飞速的发展，并已经成为焊接领域中的一大热门研究技术。相比于传统的焊接技术，激光焊接技术所具有的高功率密度，能够显著提高焊接速度，并且在应用过程中不会受到电磁场与大气的影响，这使其具有非常广泛的适用性，在现代工业中有着广阔的应用前景和发展空间。
        1激光焊简介
        激光焊接过程中，金属材料通过吸收激光的辐射能量，温度升高形成液态熔池，并使其长到一定尺寸，然后激光束延固体界面移动，使被焊构件间的初始焊缝逐渐消除而熔池后部逐渐冷却，实现微小区域内金属的加热与冷却的精细平衡，获得高质量焊缝。激光焊接技术的原理在1960年左右，世界第一部激光器诞生了，随着激光器的诞生，研究人员立刻将激光器投入到了实际运用中，也就是焊接技术的运用，在这样的背景下，激光焊接技术也随之诞生了。激光焊接技术的诞生为众多焊接行业的发展注入了生机与活力，然而由于激光器种类繁多，因此人们对激光器的选择也直接影响着实际工作中的使用情况。人们将激光器按照功率分为两种，分别是激光传热熔化焊与激光深熔焊。激光传热熔化焊的原理是通过被焊接部位吸收激光束，从而产生热量，在工件表面形成熔池，然后熔化，最终可以进行焊接工作；激光深熔焊则是利用激光使加工材料汽化，在工件表面形成空腔，然后利用相对空气的运动使得空腔附近金属熔化，最终完成焊接。
        2激光焊接技术现状
        激光焊接技术是一种高效的焊接工艺，主要是通过聚焦处置激光束的能量，形成高能量激光脉冲，以此对材料与物质进行加工。通常，激光焊接技术多用来对微小部位的焊接。与传统焊接技术相比，激光焊接具有深度较大，不易变形，焊接速度较快，所需设备简单，操作便利等优势，即使在特殊环境中，激光焊接技术也能够正常使用，对于难溶材料，钛、石英等，也能产生良好效果。但是，在激光焊接技术实际应用中，仍存在一定缺陷，如：对焊接配件要求较高，激光束不能出现偏移，否则会影响焊接，操作设备成本较高等。直接影响了激光焊接技术的发展。然而，随着科技的不断发展，研究人员对激光焊接技术的不断完善，相信激光焊接技术终将突破种种困难，最终取代传统焊接技术，被广泛应用于多个方面。当前，在激光焊接技术应用中，常见激光器有：CO 2激光器、半导体激光器、YAG激光器。其中，CO 2激光器与Nd：YAG激光器的研发时间较早，激光焊接技术相对完善，已经被广泛应用于各个领域中。CO 2激光器是气体激光器，碳酸气、氦气、氮气等混合气体为激光活性介质，激光器发射光波长为10.6μm，能够连续工作，电光转化的效率约为10-30%，输出功率在0.5kW-50kW之间。Nd：YAG激光器是固体激光器，掺杂Nd的YAG晶体是激光活性介质，发射光波的长度为1.06μm，能够脉冲输出或连续输出，电光转化的效率约为3-10%，输出功率约在0.1kW-5kW之间。虽然，无论是电光转化效率，还是输出功率，Nd：YAG激光器都低于CO 2激光器，但是，因前者的发射光波较短，焊接材料对激光束的吸收率明显高于后者，对于高反射率材料，Nd：YAG激光器能够发挥更佳的焊接效果。

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并且，Nd：YAG激光器能够以光纤传输，与机器人加工系统较为匹配，能够进行远程控制与自动化深入高产，因此，在激光焊接技术中，Nd：YAG激光器应用较为广泛，所处地位较高。
        3激光焊接技术的应用
        3.1激光焊接技术在汽车制造业的应用
        由于我国人民物质生活水平的不断提高，人们对汽车的需求也就越来越大，因此，我国汽车制造业面临着较好的市场，在这样的趋势下，汽车制造业的企业想要提高自身的竞争力，就应当把关注点放在如何提高汽车质量上。在制造汽车的过程中，激光焊接技术的运用可以有效保障汽车质量，而运用最先进的激光焊接技术也能有效提高制造人员的工作效率。早在上世纪，激光焊接技术就已经被运用在汽车制造业中，著名的奔驰和大众等品牌都采用了这一技术，并且随着激光焊接技术的日渐完善，其应用的汽车制造企业也越来越多。激光焊接技术的有效运用为各大汽车制造企业争夺了不少的经济效益。然而我国当前采用激光焊接技术的汽车制造企业数量还较少，但是随着我国市场前景越来越好，相信激光焊接技术必将成为汽车制造企业的工艺主流。
        3.2激光焊接技术在电子工业的应用
        激光焊接技术在电子工业领域的应用也较为广泛，这主要是由于它热影响区域较小的特性所决定的。通常，激光焊接技术在电子工业领域都是应用在较小电子元件方面的，这可以完美发挥激光焊接技术的优越性。传统模式下的焊接技术稳定性不足，精准度较差，热影响区域较大，焊接较为困难，而运用激光焊接技术则解决了这些难题，成功弥补了传统模式下焊接技术的不足之处。激光焊接技术在电子工业领域广受好评，虽然目前普及范围还不算广泛，但随着我国科技力量不断发展，相信激光焊接技术的运用也会成为电子工业领域最主流的工艺之一。
        4展望
        近年来激光焊的研究取得巨大进展，其应用领域也不断扩展，也使我们相应地对激光焊接技术提出了更高的要求。目前国内的研究方向主要集中在两方面：一是对焊接过程进行有效的动态监测和调控，二是降低激光焊接的成本。想要完成高精度的动态调控，只进行单一的传感反馈调节是远远不够的，需要将光学传感、电学传感、力学传感等诸多传感技术进行综合运用。任何一项技术的普及都绕不开成本问题。想要降低应用成本，一方面可以从降低设备费用上下手，另一方面可以考虑改进现有的激光焊接技术，使激光焊接的能量利用率得到较大提升。国内现有的仪器制造能力还不足以使激光焊接设备的成本在未来较短时间内达到普及化的程度，所以最可行的措施就是改进现有的激光焊接技术。目前，很多学者尝试将激光焊接与其他焊接方法相结合，如相对成熟的激光-电弧复合焊接，两者实现优势互补，提高了焊接质量和激光能量的利用率。相信随着激光的复合焊接技术相关机理的深入研究，将使其应用取得突破性进展。
        结束语
        综上所述，激光焊接技术在实际应用中有着传统焊接技术所无法比拟的应用优势，该技术不仅具有极高的能量密度，而且不依赖于真空环境，不会受到导电材料的影响，正是这些技术优势，使其不仅在服务业、农业等基础领域中得到了广泛应用，在生物医学、钢铁生产、精密仪器制造等高端领域中也崭露头角。并且，在智能化技术的带动下，激光焊接技术也将向着智能化的方向发展，越来越多先进的激光器也将相继被研制出来，这些都将为激光焊接技术的快速发展提供强大的技术支撑。
        参考文献：
        [1]Alfano R R，Sriramoju V．Method for pocosecond and femtosec－ond laser tissue welding：US8974444B2[P]．2015-3-10．
        [2]陆斌锋，芦凤桂，唐新华，姚舜.激光焊接工艺的现状与进展[J]．焊接，2008（4）：53-57，71．
        [3]王金凤，陈银银．不锈钢薄板激光焊接工艺研究[J]．热加工工艺，2012，41（1）：108-110.