摘要：激光焊接技術(shù)是一種新型的優(yōu)質(zhì)焊接技術(shù)。本文從激光焊接技術(shù)的技術(shù)內(nèi)涵和工藝特點(diǎn)出發(fā)就激光焊接技術(shù)在激光器、等離子體控制和自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)三個(gè)方面系統(tǒng)地進(jìn)行了分析。根據(jù)激光焊接技術(shù)的特點(diǎn)對(duì)其未來發(fā)展方向做出了預(yù)測(cè)。

1 引言

20世紀(jì)60年代，激光的出現(xiàn)是人類史上最重大的科學(xué)成果之一，而在激光工藝技術(shù)中，激光焊接技術(shù)是目前重點(diǎn)發(fā)展的技術(shù)。

20世紀(jì)末，歐美各國(guó)已將激光焊接技術(shù)在工業(yè)制造過程中充分應(yīng)用。而我國(guó)激光焊接技術(shù)剛剛起步，其在工業(yè)發(fā)展的應(yīng)用還需根據(jù)我國(guó)的工業(yè)發(fā)展特點(diǎn)制定出相應(yīng)的策略。

隨著工業(yè)制造的快速發(fā)展，環(huán)保、節(jié)能、高效、敏捷的加工技術(shù)將成為發(fā)展重點(diǎn)，而激光焊接技術(shù)正是符合這一發(fā)展趨勢(shì)的加工技術(shù)，因此它將會(huì)成為21世紀(jì)最有發(fā)展前景的應(yīng)用技術(shù)之一。

2 激光技術(shù)的研究現(xiàn)狀

目前，在激光焊接技術(shù)的研究過程中，其研究領(lǐng)域主要集中在激光器、等離子體控制、自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)及各種材料激光焊及激光切割質(zhì)量等方而。下而將從三個(gè)方而對(duì)激光焊接技術(shù)研究現(xiàn)狀進(jìn)行概述。

2.1激光器的研究現(xiàn)狀

目前，應(yīng)用較為廣泛且技術(shù)較為完善的激光器主要有CO2激光器、Nd:YAG激光器和半導(dǎo)體激光器等。

CO2激光器屬氣體激光器，其激光活性介質(zhì)為碳酸氣、氮?dú)?、氦氣等混合氣體，其中CO2為產(chǎn)生輻射的氣體，氫氣和氦氣為輔助性的氣體，發(fā)射光一般以連續(xù)的方式工作，波長(zhǎng)為10.6微米，電能轉(zhuǎn)化為光能的效率為10%-30%，其輸出功率一般為0.5-50kW;世界上第一臺(tái)激光器所用工作物質(zhì)為紅寶石。

而Nd:YAG激光器屬固體激光器，鉆鋁石榴石(YAG)晶體中加有一定量欽離子是它的激光活性介質(zhì)，發(fā)射光的工作方式為連續(xù)和脈沖，波長(zhǎng)為1.06微米，電能轉(zhuǎn)化為光能的效率為3%-10%，其輸出功率一般為0.1-5kW。

Nd:YGA激光器的電-光轉(zhuǎn)化效率比CO2激光器的低，材料對(duì)其光束吸收率高，對(duì)高反射效率的材料有較好的焊接效果，特別是Nd:YAG激光器可用光纖運(yùn)輸，使得其與機(jī)器人加工系統(tǒng)匹配方便，這對(duì)自動(dòng)化生產(chǎn)和遠(yuǎn)程控制的實(shí)現(xiàn)有著重要的意義，因此在激光焊接中占據(jù)主要地位。

雖然集中開發(fā)研制設(shè)備仍然是CO2激光器，但提高最大輸出功率已不在其中，而光束質(zhì)量及其聚焦性能的提高才是其核心。

研發(fā)提高平均功率是Nd:YAG激光系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)，而此發(fā)展趨勢(shì)受限于難生長(zhǎng)出高質(zhì)量晶體和獲得激光技術(shù)。

近年來，新型激光器正高速發(fā)展，比如CO激光器和光纖激光器。CO激光的波長(zhǎng)是CO2激光的一半，材料對(duì)CO的吸收率大于CO2，相對(duì)于YAG激光器，CO激光器具有其所特有的低成本和輸出易于放大等特點(diǎn)，幾十千瓦的輸出十分容易獲得，適合應(yīng)用于手工業(yè)的制造。光纖激光器也憑借著免維護(hù)，轉(zhuǎn)換效率高于27%，光纖距離大焦距(可達(dá)200m)等眾多優(yōu)勢(shì)占據(jù)工業(yè)市場(chǎng)，具有十分強(qiáng)大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

2.2 等離子體控制的研究現(xiàn)狀

等離子體是不同于固、液、氣的物質(zhì)第四態(tài)，它的出現(xiàn)儼然成為激光技術(shù)而臨的最大問題。激光的高能量密度使金屬汽化，在空氣中當(dāng)汽化后的金屬與激光接觸，出現(xiàn)電離現(xiàn)象便產(chǎn)生了大量的等離子體。等離子體吸收、散射和折射激光束的特點(diǎn)，使光斑聚焦位置偏離，焊接效果直接受到影響。

因此，如何控制等離子體是激光優(yōu)化的最有效方式。日本的YArata發(fā)明了激光擺動(dòng)法避免等離子體的產(chǎn)生。影響激光束傳輸?shù)年P(guān)鍵是等離子體的電子密度，可通過磁場(chǎng)輻射的方式來降低等離子體對(duì)激光束的屏蔽作用。除此之外，也可側(cè)吹輔助氣體或者在低氣壓環(huán)境中進(jìn)行焊接，以此來控制等離子體。

2.3 激光焊接過程自動(dòng)檢測(cè)的研究現(xiàn)狀

激光焊接過程需要實(shí)時(shí)監(jiān)控技術(shù)對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量進(jìn)行控制，這是激光焊接技術(shù)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的研究方向。有研究者系統(tǒng)地闡述了在激光焊接過程中對(duì)聲信號(hào)和光信號(hào)的檢測(cè)，并設(shè)計(jì)了具有可行性的設(shè)計(jì)方案。

Li和Steem等設(shè)計(jì)了用來檢測(cè)等離子體動(dòng)態(tài)電信號(hào)的絕緣噴嘴。高向東等利用視覺傳感技術(shù)和圖像處理技術(shù)，有效地提取了焊接過程中的各種信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了激光焊接技術(shù)的自動(dòng)化控制YoungWhanPark等通過UV和IR探測(cè)器檢測(cè)等離子的紅外線和紫外線輻射，使得焊接過程的在線監(jiān)測(cè)成為可能.

ChangWS和SJNa用數(shù)學(xué)模型論證了熱源控制在焊接過程中的重要作用。SDixon等利用電磁學(xué)轉(zhuǎn)換器檢測(cè)焊接過程中的超聲波，通過材料內(nèi)部的超聲波來反映焊接缺陷。

目前的研究結(jié)果表明:聲、光、電、紫外/紅外線輻射信號(hào)和超聲波信號(hào)可用來檢測(cè)激光焊接過程。

3 激光焊接技術(shù)的最新發(fā)展

3.1新型激光器的研發(fā)

固體激光器和CO2激光器是當(dāng)今市場(chǎng)上應(yīng)用相對(duì)廣泛的激光器。CO2激光器的光束質(zhì)量好、消耗氣體少、運(yùn)行穩(wěn)定可靠、成本低，而固體激光器的使用壽命長(zhǎng)，但成本高。新研發(fā)激光器有準(zhǔn)分子激光器，其單光分子能量更好，并且能夠深入材料內(nèi)部微觀組織中進(jìn)行加工，在非放熱效應(yīng)下，材料的變形率小，這使得激光焊接水平可以大大提高。

3.2 雙焦點(diǎn)激光焊接技術(shù)

在激光雙焦點(diǎn)焊接中，通過聚焦頭的激光束聚焦到工件表面。獲得高質(zhì)量焊縫的關(guān)鍵是較好的激光聚集性。雙焦點(diǎn)激光焊接技術(shù)可在被焊材料上形成兩個(gè)間距很小的焦點(diǎn)，兩個(gè)焦點(diǎn)的疊加即可提高激光的聚集性和穩(wěn)定性。雙焦點(diǎn)激光焊接技術(shù)不僅能使焊縫的深度提高，也可使焊接的速度加快，因而避免溶洞的出現(xiàn)等問題，現(xiàn)在已成為一種新的激光焊接技術(shù)。

3.3 復(fù)合激光焊接技術(shù)

復(fù)合激光焊接技術(shù)是傳統(tǒng)的焊接技術(shù)與激光技術(shù)的結(jié)合，這種技術(shù)具備了二者的雙重優(yōu)點(diǎn)。發(fā)展較為顯著的復(fù)合激光焊接技術(shù)有激光一電弧焊接技術(shù)，激光一電弧復(fù)合焊接技術(shù)既能充分表現(xiàn)出激光焊和電弧焊各自的優(yōu)點(diǎn)又能有效地避免各自的不足。

它的特點(diǎn)為:電弧的加入延長(zhǎng)了焊縫凝固時(shí)間，稀釋了等離子，有效減少氣孔、裂紋等缺陷，激光與MIG電弧焊復(fù)合有效減少焊接裂紋傾向和提高焊縫的力學(xué)性能。復(fù)合激光焊接技術(shù)可實(shí)現(xiàn)較大焊縫的焊接，并且使焊縫的韌性進(jìn)一步提升。

4 結(jié)語

激光焊接技術(shù)有很多獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，如能量密度高、焊縫窄、不需真空環(huán)境和不受導(dǎo)電材料制約等。目前，激光焊接使用中已出現(xiàn)智能化，極大推動(dòng)了高精尖焊接工藝在各個(gè)領(lǐng)域的發(fā)展?，F(xiàn)在激光焊接技術(shù)已成功運(yùn)用到生物醫(yī)學(xué)上，未來很可能用到臨床檢測(cè)、手術(shù)等特殊行業(yè)中。激光器的研發(fā)、雙焦點(diǎn)激光焊接技術(shù)和復(fù)合激光技術(shù)是激光焊接新的發(fā)展方向。

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