激光焊接及相关技术的新进展

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1、激光焊接及相关技术的新进展激光焊接及相关技术的新进展近年来，在激光装备与应用技术领域出现了两个令人瞩目的进展：一是以大功率光纤激光器为代表的激光焊接（切割）装备，凸显了激光加工的高效率、低运行成本和“现场化”的工业应用优势；二是新型、高强材料的出现，牵引和促进了各种激光复合焊接技术的研发，呈现了“一代材料”与“一代技术”的配套效应。这些都标志着一个激光技术应用新时期的到来。因此，了解快速发展中的激光技术，掌握各种激光器的特点和技术性能，对“光加工”在机械制造行业的推广应用有重要的现实意义。一、激光器的功率与光束特性的工程意义机械制造领域中的激光

2、加工大多通过光与物质的相互作用而实现。激光器光束的波长、功率密度、时空等特性是决定光与物质相互耦合效率的重要参数。在工程应用意义上主要表现在输出功率和光束质量两个方面。（1）激光器的输出功率是激光器加工能力的基本指标之一。目前，向工业界提供的CO2激光器功率达45kW；多棒串联的YAG激光器激光输出功率达6kW；半导体泵浦固体激光器的功率达4.4kW；二极管泵浦薄片式固体激光器单模块的输出功率达2kW，组合输出达8kW；尤其是输出功率高达10kW～50kW的光纤激光器已进入工业界应用。（2）光束质量是激光器的一项关键指标，其工程应用意义上的表征

3、有三：一是对激光光斑能量时空分布稳定性的要求，直接关系焊接、切割加工的精度与一致性；二是对激光光束焦点前后能量集中的“有效范围”，直接关系中厚板的焊接、切割质量和机器人对复杂型面进行远程焊接或切割的效率与精度（见图1）；三是关于激光光束的截面形状及其功率密度，直接关系加工的工艺性和适用性。对于金属及其合金，一般，激光束的波长越短吸收率越高。但在深熔焊接模式下，波长对吸收率的影响可以忽略。因此，激光器的功率与光束特性限定了可能实现的加工方法、加工有效尺度以及最终加工质量近10年来，激光加工装备在工业领域的应用现状与趋势为：①CO2激光器是当前工业

4、应用的主流；②Nd:YAG激光比前者具有能量吸收率较高、采用光纤传输的优点，但在功率和运行成本方面受到限制；③光纤激光器（HPFL）以其优良性能和对工业环境的适应性，与目前激光加工中常用的二氧化碳激光器（CO2）、光泵YAG（LP-YAG）、半导体泵浦YAG激光器相比拥有较大优势；④半导体激光器已在材料的表面加工（如熔覆、强化、热处理等）应用中独具特色。后两者将在许多激光加工中，包括切割、焊接、热处理以至激光打标、雕刻、精密打孔等二、激光及其复合热源的应用现状激光焊接以较高的能量密度和对材料较短的热作用时间，有效减少了焊缝区的冶金损伤、热应力和

5、焊接结构的变形，提高了焊接接头的综合力学性能，焊接效率也大大提高。近年来发展中的激光与电弧复合热源，一方面由于电弧稀释等离子体、预热工件并提高了金属对激光的吸收率；另一方面激光可引导电弧，使弧柱的电阻减小，场强降低，提高了电弧的稳定性。因而，改善了激光焊接的工艺适应性，拓展了激光的工业应用范围。以下从新材料、异种材料、接头性能及焊接生产效率等方面提供一些典型的激光应用实例。1．各种新材料和高强材料的焊接如镁合金、铝合金、钛合金、X52、X70中厚管线钢、高强钢、镍基合金、耐热钢以及复合材料等的焊接2．基于激光的异种金属材料焊接黄铜-紫铜、铜-钢

6、、铝-钢等的异种金属材料焊接如图6所示，与传统熔焊方法相比，焊接接头的性能显著提高。3．激光焊接高效化的工程应用近年来激光焊接在汽车白车身的装焊、中厚板的焊接与切割、镀层管板的切割、管线铺设工程、船舶制造中都取得工业化应用新进展，且运行成本不断下降，对传统加工方法的改进或替代、生产效率与产品品质的大幅提升，构成了对激光加工技术有力的需求驱动。另外，值得注意的是激光与电弧的复合热源在提高焊接速度方面的工程意义。例如，激光-TIG复合热源的焊速可以达到激光焊接的两倍以上，这在常规TIG焊难以做到；而激光-MIG复合热源的焊速则比单独MIG提高了一倍

7、以上。在工艺特点上可表达为：①高效节能；②增加熔深；③可进行高速焊；④调节两种热源参数，可改善焊缝成形，热影响区小；⑤提高了坡口间隙的允许公差，更加容易跟踪焊缝。这一优点对于超高强钢、超细晶粒钢、高强铝合金等焊接时低能量输入要求具有重要的应用价值4．激光切割的新动态高的激光功率和光束质量对材料的切割关系密切，切口窄、热影响区小、无挂渣以及高切割速度等是激光切割工艺具有的特点。图10是激光切割的示例。图11是三种不同激光器对不同厚度不锈钢板材切割的速度对比。同时，一机多用的激光设备为制造业用户带来更大的方便和效益三、激光与其他工艺复合的共生态当前

8、，在激光复合工艺的发展中已出现了如双点或双束激光的复合、激光与激光加工对传统工艺的牵引与提升，是在工业领域具有可持续发展生命力的表征。其高质量、高精度