有关激光加工的综述

赵思博 李成栋

DOI：10.16660/j.cnki.1674-098x.2101-5640-0638

摘  要：自从出现激光焊接技术，人们对它的重视程度越来越高。现代科学技术水平不断提高，各国不断努力开发的激光焊接技术愈加纯熟，相对于传统焊接方式的优势也愈加凸显，激光焊接凭借自己独特的优势，广泛地渗透到与其相关的各个领域，对于我国工业经济发展起到重要的推动作用。本文重点介绍了当前激光焊接技术的工作原理、发展现状以及对未来发展的展望。

关键词：激光焊接  原理  现状  展望

中图分类号：TG44                           文献标识码：A                  文章编号：1674-098X（2021）03（c）-0001-3.5

An Overview of Advanced Welding Methods - Laser Welding

ZHAO Sibo  LI Chengdong

（Jiangsu Ocean University， Lianyungang， Jiangsu Province， 222000 China）

Abstract： Since the emergence of laser welding technology， people have attached great

importance to it.With the rapid development of modern science and technology and the continuous improvement of the level， countries continue to work hard to develop and explore， laser welding technology has become more sophisticated， and its advantages over traditional welding methods have become more prominent. Laser welding also relies on its own unique advantages， widely penetrated into various fields related to it， and has played an important role in promoting the development of my country's industrial economy. This article focuses on the current working principle of laser welding technology， development status and prospects for future development.

Key Words： Laser welding; Theory; Current situation; Outlook

就当前社会而言，不管是军用领域还是民用领域，焊接技术无疑已经成为人们赖以需求的保障工业以及许多相关领域的关键技术。它是先进生产力和先进科学技术下的产物，更是促进社会先进生产力水平提高的重要推动技术。激光焊接技术相对落后的手工焊接技术有着诸多种类的先进之处，企业对于激光焊接技术的需求也是越来越高。虽然有着诸多亟待解决的重难点问题，但随着科学技术的不断迅猛发展，激光焊接技术无疑有着极其巨大的发展空间。

1  激光加工的简介

激光焊接技术最早出现在上世纪中后期，相对于落后的人工焊接技术，它的操作时间更短、变形更小、深度更大、操作更简单[1]。如今，激光焊已深入渗透于空间探索、船舶制造、汽车工业、医疗器械、电子制造业等诸多领域[2]。

激光焊接技术是依赖激光发出的巨大热量将材料熔化来完成焊接目的的工艺，以必要的某种方式来激励激光头部的特定介质（诸如CO2与某类气体的混合体等）[3]，然后让其在震荡腔中来回循环的震荡，进而形成达到焊接要求的高密度光束，当光束与工件发生接触之后，工件被焊接部分开始急剧升温，当温度达到焊接部分的熔点时，材料开始熔融，此时便可进行焊接。激光焊接实际上就是激光光束与非透明材料之間相互接触，进而发生物理化学反应的过程。因为激光焊接不用和被焊接的材料接触，不用在操作的过程中施加压强，又因为没有接触，不存在电极，也就不会产生如电极污染或者受损的问题，当然也不用考虑工具损耗和替换等耗时耗力的情况，因此十分方便[4]。没有磁场的影响，定位可以变得相当精准，能够达到进行微型工件的大批量生产工艺的要求。激光焊接可以在任何情况下进行，不用必要的真空条件，这样一来，就可以有效减少木材的使用量，简洁的保护了环境[5]。而且它可以焊接各种材料，包括熔点极高的多种材料，甚至陶瓷和玻璃制品，在异型材料的一些方面，焊接效果也相对传统焊接好很多[6]。激光切割与激光焊接原理相似，不过要使材料达到更高的温度，使材料达到气化的条件，将材料从中断开[7]。激光切割与焊接有类似的优点，具有清洁性、精准性、高效性等优点，和焊接技术相辅相成，广泛应用于金属制造、机械加工、零件装配等领域，较为客观的改善了以往传统切割技术下恶劣的生产环境，提高了生产效率，成为切割金属的主流技术[8]。

2  激光焊接的国内外现状

2.1 国外研究现状

包括美国在内的很多西方国家的激光焊接的技术水平已经比较成熟并逐步深入。早在上个世纪末，这些国家就已经把激光焊接充分应用到工业生产中[9]。并且攻克了很多前所未有的难点，技术水平有了极大的提高。由于工业发展的依赖，对这一技术的充分探究，美、德两国早就把这种技术应用于军事和宇宙探索中去了，比如美国在军事领域船舰方面大力普及这一技术，德国为了使国家的海军力量得到加强，将此技术成果用于研发海下潜艇船体的重点的部分。在亚洲，日本的激光焊接技术已经相当成熟，早已应用到如航空航天、汽车、船舶、医疗器械的制造等领域。很长时间里，先进的西方以及日本等国家为于本国的科技发展技术创新创造了完美的发展条件和政策的鼓励，吸引了大量相关专业人才，优厚的待遇及便利的条件催生了一片创新的局面，这种良性循环也带来了其国家迅猛的发展。工业生产的格局也因受到这一技术的影响发生了翻天覆地的变化与革新，企业的产品质量越来越高，生产效率也是大幅提升。对于这一技术各国都在不断努力研究，所涉猎的领域也越来越多，应用范围也越来越广，各国工业正在因此而不断加速发展。近年来，许多国外科技人员的目光已经不单单趋于传统单一的焊接方式，对它的移动方式以及内部发热的源头等方面展开考究，并研究出最合适的焊接重要操作系数，提高了多种激光焊接方式的水平，例如，激光-电弧复合焊接[10]、激光深熔焊等。为探究焊缝缺陷的形成原理，激光焊接的研究开始借助现代高科技产品，来不断深入研究有关焊接工艺的各方面不足。激光焊接的材料内部变化十分的复杂，多个研究团队甚至尝试通过引进磁场等外部能量来刺激激光焊接过程，探究其对焊缝缺陷的改善情况，不断优化，从而提高焊接的强度、刚度和整体质量[11]。

2.2 国内研究现状

由于改革开放之前资源和人才极度匮乏，直到我国改革开放的实施才开始逐步踏足这一领域。到了十九世纪末期才将现代激光技术和传统焊接技术结合起来，这时候的激光焊接技术只能说是初具雏形，有着很长的路要走，也有着极大的发展和进步空间。即使条件如此苛刻，经过科学研究人员的多年的努力，我国的激光焊接技术已经从无到有，从单一到多元，现在已经逐步完善，慢慢的跟上了世界的脚步。虽然和国外还有一定的差距，但是不得不说差距一直在被我们逐步的缩小，并且逐渐到达了世界的前列。当下，对于激光焊接技术的研究开发，主要集中在激光器、自动检测技术、异种材料的焊接及激光切割质量等方面[12]。此外，气体激光器的研发也随机产生，开发出的气体激光器，显著提升了激光功率，光束质量和密度得到大幅提高，极大的促进了企业生产力的发展。其中效果最为优良的是扩散性冷却板条式的二氧化碳，得到眾多企业的关注和应用。与此同时，在激光焊接技术的研究中仍旧存在着许多难题[13]，例如，高强度钢的焊接还很难做到完善，激光焊接成本较高，对于整个工程不便于全面覆盖[14]。文献[15]介绍了两种激光切割技术：微水导激光切割技术、隐形切割技术。而王扬等人又对前者进行更进一步的探究，促进了激光与水束耦合技术的发展以及介绍了其加工系统[16]。在国内，此方面的研究还远远不够，应该加大这些方面的研究，尽快解决此类难题，为祖国在焊接领域的发展起到推进作用。综合以上叙述，现如今我国的激光焊接技术已经得到了长足的发展，并逐渐被广泛应用到实际的生活中。

3  激光焊接在各个领域的应用

3.1 激光焊接技术在船舶方面的应用

我国是造船大国，但不是造船强国，想大力发展工业制造船舶的工艺，就要对焊接技术这一重要方面加大研究力度[17]。随着各国对海洋区域的竞争，船舶制造业得到快速的发展，传统的焊接工艺已经难以适应行业的发展要求，所以对激光焊接普及和应用就极为迫切。其可适用于船舶的不锈钢焊接、异种材料焊接等[18]。由于船身的主要制造工艺就是焊接，在制造船舶的过程中，焊接时长最高约能占到总工时的40%[19]。而激光焊接由于其独特的优势，相比于传统焊接，不论是在较长的甲板还是细小的零部件位置处，都可以轻松的解决存在的焊接问题。最主要的就是激光焊接技术相对于传统焊接技术有低畸形形变且强度更高的优势，不管是军需还是民用，都可以让人们拥有更安全可靠的船体。另外，由于船体不止一种材料组成，而激光焊接对于异种金属非金属材质，能够很好地将其焊接在一起，且热形变很小，从而减少了对形变后的焊缝的处理过程，降低了处理时间，提高了工作效率。

3.2 激光焊接技术在航空航天方面的应用

随着科学技术的发展，世界各国开始不止于对海洋陆地领土的争夺，更是把目标延伸至天空甚至是宇宙，也因此使得航天航空事业迎来了巨大的发展。大家都知道，飞机、火箭的组成极为繁琐，需要成千上万的零部件构成，而相当一部分这样的零部件都是依靠焊接来完成连接组合的。航空飞机最重要的导航部件是雷达，对于雷达的核心部件，微波组件的气密封来说，激光焊接由于无需接触、焊接区域几乎无缝隙、清洁无污染等优点，对微波组件的密封极为合适[20]。激光焊接技术也使得飞机整体的密闭性更好，自重相对减小，进而减少了油耗，机翼、机舱、机头等强度更高，飞机起飞着陆更加安全稳定。从成本和质量上来讲，可以说是低价高配。

3.3 激光焊接技术在医疗方面的应用

这一技术应用于医学领域革新了多种的技术和医疗器械。在制备精密医疗仪器的时候利用激光焊接几乎没有焊渣和飞屑的产生，并且仪器的柔顺度很好，因此可以很大程度提高仪器的洁净性和安全性[21]。通过激光焊接生产的精密仪器的精度极高，所制造的设备在神经医学、生殖医学、仿生学等方面的使用给无数的病员带来了希望，医生也可以更加精准的操作，康复的概率也得到了提升;也可以应用于口腔修护，用于制作口腔的修复体，具有焊接强度高、更高精度、安全性更高等优点，因此特别适合应用于某些精密的修复体之间的无缝连接[22]。

3.4 汽车方面

同样的，在汽车方面激光焊接得到了极大的发挥空间，整个车厢包括底盘都需要焊接来完成，而激光焊接的使用对于车的强度及质量有了质的飞跃，特别是整体结构强度和热量散失方面的应用[23]。此外，激光焊接的应用使得车身更加美观，车体的封闭性更加良好。车身装配精度得到有效提高，此外使车身的刚度更是提升达30%，进而提高了整部车的安全性能[24]。采用激光焊接技术完成拼接的焊板重量较以往更轻，但质量更佳，综合以上原因，整台车的制造成本得到减少、运输成本也随之减少、装配步骤也更加简单，省时省力且质量更高[25]。

4  结论与展望

激光焊接从无到有经历了数十年的发展，技术已经较为成熟，现在已经应用到诸多领域，在工业方面尤为突出，尤其是机械制造业，甚至塑料加工方面也有了零的突破，更推动了制造业在精密领域的发展，提高了我国生产力水平，在某种程度上间接的提高了我国的国防力量。相信在以后的临床手术、智能切割等方面会有更完善的应用。激光焊接在焊接厚度方面能有更深的突破、在材料成本方面有所减少、提高焊接能量转化率、焊接产生的焊缝更加完善。总之，激光焊接相对于其他焊接方式有着诸多不可比拟的优势，在农业、工业、以及第三产业都有着很大的发展潜力和广阔的应用前景。

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