陳陽

摘? 要：激光焊接技術是一種先進的焊接技術，因其獨特的性能優(yōu)勢，已在不同領域得到極大的重視和廣泛的應用。本文詳細闡述了激光焊技術的原理、分類、優(yōu)勢及局限性，介紹了激光焊接在碳鋼、不銹鋼、鋁合金、鎂合金及鈦合金等不同工程材料的應用特點，對激光焊接在不同材料中的研究現狀進行了詳細論述，展望了激光焊接發(fā)展前景。

關鍵詞：激光焊接? 優(yōu)勢? 不銹鋼? 鋁合金? 鎂合金? 鈦合金

中圖分類號：TG44 ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2021）04（c）-0050-04

Characteristics of Laser Welding Technology and Its Application in Engineering Materials

CHEN Yang

（Hunan Branch of China Classification Society Quality Certification Company， Changsha， Hunan Province， 410100 China）

Abstract： Laser welding technology is an advanced welding technology， because of its unique performance advantages， it has been paid great attention and widely used in different fields. This paper expounds the principle， classification， advantages and limitations of laser welding technology， introduces the application characteristics of laser welding in different engineering materials such as carbon steel， stainless steel， aluminum alloy， magnesium alloy and titanium alloy， discusses the research status of laser welding in different materials in detail， and looks forward to the development prospect of laser welding.

Key Words： Laser welding; Advantages; Stainless steel; Aluminum alloy; Magnesium alloy; Titanium alloy

焊接水平高低是衡量國家機械制造水平和科技水平高低的重要手段之一，直接影響到產品加工效率和質量。與傳統(tǒng)的氣保焊、氬弧焊、電子束焊等焊接方法相比，激光焊接技術因其具有熱量集中、熱輸入量小、熱影響區(qū)小、焊接速度快、深寬比大、形變小、無需接觸、無需真空等諸多優(yōu)點，成為最具發(fā)展?jié)摿Φ暮附臃绞街唬言诟餍袠I(yè)中得到廣泛應用。

1? 激光焊接的分類

依據激光焊接焊縫的原理來分類，激光焊接可分為熱傳導激光焊接和深熔激光焊接。熱傳導激光焊接原理是利用激光束輻射加熱待加工材料表面，表面熱量通過熱傳導方式向材料內部傳遞，通過調節(jié)激光脈沖的寬度、功率和頻率等參數，使工件熔化，形成熔池完成焊接。深熔激光焊接是在激光束照射下，材料表面蒸發(fā)形成小孔，小孔吸收激光束的能量，使小孔四周材料熔化。隨著光束前進，小孔和小孔周圍熔融金屬向前移動，從而形成焊縫。由此，材料表面是否有孔狀熔池是區(qū)別熱傳導激光焊接和深熔激光焊接的關鍵。

激光焊接常用的激光器有氣體激光器、固體激光器、光纖激光器。氣體激光器即CO2激光器，其功率能達到20kW甚至更大，輸出的激光波長為10.6μm的遠紅外光，大部分金屬對該種光的反射率高達80%～90%。固體激光器，使用較多的為Nd：YAG激光器，其功率一般為4～6kW，輸出激光波長為1.06μm的近紅外光，雖然功率低、波長短，但反射率低僅為20%～30%，有利于材料表面吸收，適合銅合金等高反射材料的焊接。光纖激光是2002年以后發(fā)展起來的新型激光器，其采用摻雜不同的稀土離子的光纖為基質材料，輸出激光波長范圍在1.08μm左右，光束為光纖傳輸，電光轉換率高，光纖激光體積小、運行成本低、光束質量高、激光功率高。三者對比如表1所示。

依據激光束輸出方式的差異，激光焊接分為連續(xù)激光焊和脈沖激光焊。連續(xù)激光焊接常用于薄板的焊接，例如大功率二氧化碳氣體激光器;脈沖激光焊接常用于微小型元件的焊接，如電子器件、儀表器件等。

2? 激光焊接的優(yōu)勢及局限性

與其他焊接技術相比，激光焊接技術具有很多獨特的優(yōu)勢[1]：（1）激光束功率密度高，焊接效率高，可以對高熔點、難熔金屬、異種金屬、非金屬進行焊接，且焊縫性能優(yōu)良。（2）聚焦光斑小，被焊工件受熱區(qū)小，不易變形;加熱速度快，作用時間短;深寬比大，甚至可以焊接非常精密的微小型元件。（3）激光束操控靈活，通過光學鏡片可以實現任意方向的聚焦。針對其他焊接方法難以達到的位置也可實現焊接。（4）激光焊接可以實現與計算機聯機，精確定位，自動焊接，而且激光可在真空中焊接。（5）激光焊接屬于非接觸焊接，無接觸污染，無機械應力和機械變形。

當然，激光焊接也存在一定的不足之處[1]：（1）與其他焊接弧光一樣，激光對眼睛和皮膚易產生損傷。（2）因激光聚焦后尺寸小，成型焊縫窄，要求焊件裝配精度高，激光束焊點與焊縫位置精確定位。（3）因激光能量有限，焊透厚度有限，對于厚度大于19mm以上的工件不適宜采用激光焊接。（4）不同材料對于激光的吸收率存在著差別，焊接時需根據材料的吸收率選擇不同波長的激光進行焊接，并采取適當的焊前表面處理提高吸收率。（5）激光功率密度高，熱影響區(qū)小，金屬材料在焊接后期冷卻速度大，易產生熱裂紋。（6）激光焊接設備價格昂貴，前期投資高。

3? 激光焊接在工程金屬材料上的應用

3.1 碳鋼材料的激光焊接

碳鋼材料激光焊接性能優(yōu)良，焊縫質量主要取決于雜質含量的高低，雜質含量低則焊接效果好。對于中、高碳鋼和合金鋼，采用激光焊接時，為避免焊接裂紋，需預熱和焊后處理，減小焊接應力。

激光焊可對雙金屬實行焊接，常見的為雙金屬鋸條的焊接。雙金屬鋸條既有高速鋼良好的切削性能，又有彈簧鋼良好的彈性，因此需將兩種鋼焊接在一起。然而，兩種鋼含碳量高，物理性能相差大，采用傳統(tǒng)焊接方式具有一定的局限性，易在焊縫處產生裂紋。楊帆通過試驗及理論研究了激光焊的各項焊接參數對1mm厚W6542高速鋼與65Mn彈簧鋼雙金屬激光焊接接頭組織的影響，給出了最優(yōu)試驗參數，為雙金屬鋸條的生產實踐提供了理論參考[2]。

萬瓦級激光具有超高功率密度，可大幅減少坡口加工及焊道層數，降低層間清理次數等，極大提高了焊接生產效率，對于中厚鋼板的焊接具有極大的技術優(yōu)勢。蔣寶[3]通過研究指出萬瓦級光纖激光焊接時，羽輝的存在、焊縫塌陷和底部駝峰的產生是影響中厚鋼板萬瓦級光纖激光焊接穩(wěn)定性的主要問題，通過改變焊接姿態(tài)、采用電磁支撐系統(tǒng)、底部氣壓法或焊縫背面強制成形等方法均有助于獲得良好的焊縫成形。

3.2 不銹鋼材料的激光焊接

一般情況下，與常規(guī)焊接方法相比，不銹鋼采用激光焊接獲得的焊接接頭性能更加優(yōu)良。激光焊接速度快，熱影響區(qū)小，不銹鋼敏化情況減弱，且不銹鋼導熱性差，易獲得深寬比焊縫。

鐵素體不銹鋼成本低，可在很多場合替代奧氏體不銹鋼。但傳統(tǒng)焊接會導致其焊縫和熱影響區(qū)晶粒嚴重長大，接頭脆化。張紅霞[4]采用鎢極脈沖氬弧焊、鎢極氬弧焊和激光脈沖焊3種焊接方法焊接433鐵素體不銹鋼，發(fā)現脈沖激光焊熱影響區(qū)及焊縫區(qū)晶粒平均尺寸最小，晶粒得到了細化，且抗拉強度最高，焊接接頭斷口中存在韌窩特征，激光焊接接頭的韌性優(yōu)于其他焊接方法。

奧氏體不銹鋼焊接性能較好，但由于其導熱性差，線膨脹系數大，焊接時會產生很大的應力和焊接變形。激光焊能量密度高，形成的焊縫窄，熱影響區(qū)小，因此焊接變形小。陳俊科對奧氏體不銹鋼激光焊接進行研究[5]，通過調整焊接時的激光功率、焊接速度、保護氣體等焊接參數，獲得了形貌良好、性能優(yōu)質的接頭。

馬氏體不銹鋼的焊接性能比鐵素體不銹鋼、奧氏體不銹鋼差，接頭硬而脆，并伴有冷裂傾向。采用焊前預熱、焊后回火可減少裂紋的產生，但焊接工藝較復雜。余和國[6]對2Cr13不銹鋼進行激光焊接研究，發(fā)現優(yōu)化工藝參數可以抑制焊縫裂紋的產生，焊縫中心區(qū)組織為等軸晶、柱狀晶、枝狀晶，熱影響區(qū)為針狀馬氏體，焊后焊縫接頭抗拉強度達491MPa，為基材的74.4%。

3.3 鋁合金的激光焊接

鋁合金目前廣泛應用于工程機械、軌道、車輛、航空航天、艦船等工業(yè)領域的結構輕量化制造中。激光焊接因其獨特的優(yōu)勢成為鋁合金焊接技術的重要發(fā)展方向，空客A380飛機和奧迪A8車更以激光焊接鋁合金結構的應用作為其先進性的標志。

但目前鋁合金激光焊接存在很多難題，主要包括：（1）鋁合金對激光束反射率高，不利于激光能量的吸收。（2）焊接時易產生氫氣孔和匙孔破滅導致的氣孔。（3）鋁合金激光反射率達到80%，且導熱性好，導致產生“小孔”能量密度閾值高。（4）鋁合金焊接時容易焊縫結晶裂紋和HAZ液化裂紋等熱裂紋。（5）激光焊接過程中Mg、Zn等低熔點合金元素容易蒸發(fā)，降低鋁合金強化效果，導致接頭性能下降。

為提高鋁合金激光焊接性能，國內外學者進行了大量實驗研究。王偉[7]指出2A14鋁合金采用不同焊接速度進行激光焊接時，均存在一個明顯的激光功率閥值。當激光功率低于該閾值時，熱裂紋產生明顯;達到或高于該閾值時，熱裂紋得到一定抑制。張大文[8]對1.5mm厚的5052鋁合金采用了脈沖激光焊接和連續(xù)激光焊接，均獲取最優(yōu)工藝參數。并對最佳焊接工藝參數下的焊縫進行比對，結果表明脈沖激光焊接對鋁合金焊接接頭氣孔抑制效果更為理想，焊縫質量更優(yōu)，抗拉強度高出10%。

3.4 鎂合金的激光焊接

鎂合金因熔點低、與氮和氧親和力強、熱膨脹系數大，焊接難度較大，易出現焊接變形和熱裂紋等。鎂合金傳統(tǒng)的焊接方法主要有氬弧焊、電子束焊、激光焊等。其中氬弧焊熱輸入量大，熱影響區(qū)大，焊接接頭晶粒粗大，強度較低;電子束焊熱量集中，熱影響區(qū)小，但需要在真空環(huán)境下焊接;激光焊熱量集中，熱影響區(qū)小，焊接接頭強度高，且無須真空環(huán)境，加工效率高。

武同[9]采用6kW光纖激光器對2mmAZ31鎂合金進行焊接，通過改變焊接速度、激光頻率以及激光振幅等工藝參數，獲取了最佳焊接參數，且焊縫表面及內部無裂紋、無氣孔，焊接接頭強度可達216MPa，為母材強度的85%以上。郭佳萍[10]采用激光焊對NZ30K稀土鎂合金焊接進行了研究，增加激光功率，鎂合金正面熔寬變化不明顯，背面熔寬顯著增加;提高焊接速度，鎂合金正面和背面熔寬均減小;增加焊接熱輸入量，鎂合金焊接接頭抗拉強度增加，但當焊縫熔透后，抗拉強度隨熱輸入增加變化不大。

3.5 鈦合金的激光焊接

鈦及鈦合金因比強度高、耐蝕性強被廣泛應用于航空航天、海洋裝備和生物醫(yī)學等領域。目前鈦合金的焊接方法有等離子弧焊、鎢極氬弧焊、真空電子束焊、激光焊等。激光焊接技術因其具有能量密度高、熱影響區(qū)小、深寬比大、形變小、無需真空等諸多優(yōu)點，正在成為鈦合金焊接的主要方法。

鈦合金激光焊接時選取合適的焊接參數，可獲得良好的力學性能。崔冰[11]通過對2mm超窄間隙激光焊接10mm厚TC4鈦合金接頭組織及性能研究，選取合適的焊接工藝，可獲得無缺陷的焊接接頭，接頭最大抗拉強度893MPa，可達到母材的84.7%，如表2所示。

鈦合金化學性質活潑，焊接時易吸收氧氣、氫氣、氮氣，使接頭脆化，產生氣孔，降低韌性，焊接時需采用氬氣、氦氣作保護氣。為保證鈦合金激光焊接接頭質量，需選取合適的激光功率、焊接速度及離焦量等參數值。高睿[12]研究了激光功率、速度等參數對TC6組織及性能的影響，指出激光功率為3.1kW、焊速為1.75m/min時，焊接接頭組織細小、均勻，且力學性能優(yōu)良，抗拉強度可達901.7MPa。楊爍[13]對薄壁TC4鈦合金激光焊縫成形進行了研究，指出低速焊接鈦合金時，需嚴格控制激光能量;高速焊接時，激光能量幅度可擴大。激光功率與離焦量比值為100～140W/mm時，焊接接頭熔透效果好。大角度斜向焊接時，鈦合金存在反射現象，降低焊接速度和提高激光功率可以保證焊縫成型質量。

4? 結語

激光焊接作為一種先進焊接技術，憑借其獨特的焊接性能優(yōu)勢，已在鋼鐵行業(yè)、船舶制造業(yè)、軌道交通業(yè)、汽車制造業(yè)、航空航天業(yè)、生物醫(yī)學、輕工業(yè)制造等領域得到了廣泛地運用。隨著對制造加工效率及質量的更高要求，未來激光焊接技術會更加成熟，必將成為主流的焊接技術，起到更加關鍵的作用。

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