国内塑料激光焊接设备的研发进展
【摘 要】综述了一种新型的焊接设备——塑料激光焊接设备，介绍了这种激光焊接塑料技术的发展状况，分析了国内塑料激光焊接设备的生产企业的技术特点，以及结合工业自动化领域来阐述今后该设备的发展方向。
【关键词】激光技术;塑料激光焊接;焊接设备
0.引言
目前，国内生产的塑料焊接设备主要有热熔焊接设备、高频焊接设备、震动摩擦焊接设备和超声波焊接设备等，这些设备要么对焊接的塑料零件外形和尺寸有要求，要么焊后塑料零件有飞边溢出，有时还会有开焊现象出现，另外在焊接过程中使工件震动强烈，大大的降低了工件的使用寿命。而用激光来焊接塑料可以克服上述缺点，既能保证焊接质量又能达到外表美观的效果，随着激光技术的发展，以及成本的降低，将激光技术应用到塑料焊接领域显得格外重要。
1.激光焊接的工作原理
激光焊接技术采用激光透射原理，将两个塑料零件边缘焊接在一起。要求两个零件一个具有良好的透光性，另一个具有良好的吸光性，如图1所示，当激光束3穿过透光性良好的零件1，照射在具有吸光性的零件2表面时，瞬间产生高温，使零件2表面融化，并使两零件粘结在一起。由于塑料尺寸稳定性差，易变形的特性，故塑料零件的实际尺寸与理论尺寸有一定差别。为了使两个塑料工件的焊接面能够无缝紧密的接合在一起，就必须用特殊的夹具将两个零件边缘牢固的夹紧，这样焊后质量较好。
2.塑料激光焊接设备的组成
首先是激光系统，它是实现焊接功能的关键部分。是塑料激光焊接技术的体现，是整套设备的核心技术所在。其次是焊接系统，是整套设备的载体，是实现焊接要求的执行部分。从某一角度来说就是工业自动化生产线。第三是空气净化系统，这部分是辅助功能，目的是提高设备环境保护的能力。最后是控制系统，它是设备运行的灵魂。
3.国内塑料激光焊接企业现状
由于该行业在国内起步较晚，所以大部分企业对其了解也是在研究阶段，况且国外对该技术的封锁，使得我国在对该领域的设备研究方面的企业较少，从目前情况来看可以分为两部分：一类是激光系统的研发和生产，具体说就是激光器及其元器件，这类企业数量较多，且规模都很小，这类企业的产品可以分为三种：a.只生产激光器的零部件;b.生产激光器的零部件，并将其组装成激光器，例如顶尖科仪，苏州德龙等;c.购买国外激光器零件，然后组装成激光器，例如武汉华日，恩耐激光等。另一类是购买激光器，然后集成焊接设备，这类企业数量较少，但规模较大，这类企业又分成两种：a.集成的焊接设备是标准的，上海莱丹;b.焊接设备是非标的，例如沈阳新松、武汉华中等。
第一类企业只是生产激光器及其零部件，从企业生产角度看不能直接被企业应用于实际，必须通过第二类企业来实现集成，但是很多第一类企业都集成国外的激光器零部件，造成激光器的成本受制于人，而国内制造激光器零部件的企业的研发水平又有限，使得我国焊接激光器的研发有待提高。
第二类企业是设备集成商，是最终实现焊接的执行者，对于这类企业，要求他們不但具有激光焊接技术的应用能力，还要有大型加工制造能力，因为焊接质量的好坏一部分因素取决于机械载体的稳定性和设备的自动化水平的高低。
上海莱丹公司是瑞士莱丹在中国的子公司，该公司的塑料激光焊接设备研发的较早，在国内市场上有一定的影响力，该公司的产品均为标准设备。该机型将激光系统、焊接系统和控制系统集为一体，具有占地面积小，成本低的优点，但是对焊接的塑料零件尺寸和形状有限制。
沈阳新松机器人公司自主研制的JL系列塑料激光焊接机填写了国内空白，它将激光焊接技术与自动化装备结合在一起，具有自动化水平高、生产批量大，而且可以焊接异型和三维表面工件等优点，可广泛的应用在汽车行业、航天工业、包装领域、医疗器械、各类电子产品、玩具制品及各种日常消耗品等领域。
4.以沈阳新松JL系列塑料激光焊接机为例简略介绍各系统
4.1焊接系统
该系统包括预挡停，主挡停，焊接，废料挡停等四个工位。焊接工位包括夹具定位、举升、压紧、焊接、释放五个过程。该系统是焊接功能的直接执行者，是整套系统的载体，利用自动化生产线的特点实现每一步动作。
4.2激光系统
主要由激光发射器、光纤以及激光头等组成。激光发射器内部有产生激光的模块，通过光纤导入激光头，从而使其发射激光。
4.3空气净化系统
配备该空气净化系统是为了消除焊接过程中产生的气味，起到过滤空气的作用，达到环保的目的，也是为了操作人员的健康着想。
该系统的工作过程分两部分，首先是在焊接机内部进行吸风，其次是在除尘器内部进行过滤净化空气。重要的是吸风过程分为两次，先是在激光头附进进行一次源头吸风，考虑到吸风的不充分性，在焊接区域内又进行二次过程中吸风，双重吸风达到高标准的环保要求。另外除尘器内部的滤芯有反吹功能，延长使用寿命。
4.4控制系统设计
控制系统是主要分为两部分，一部分是对电气原件的控制，另一部分是通过对系统软件的控制进而对焊接工艺参数进行调整。这里需要说明的是对激光器的控制并非传统的单一方式，它柔和了软件调控，温度值反馈以及信号触发三种方式。重要的是可以随时观察到焊接质量好坏，通过系统输出的图像判定系统的稳定性，如图2：
为了提高自动化水平，满足不同企业的生产要求，该焊接机将激光系统和焊接系统融合在一起。低碳、环保、降低劳动强度、生产效率高，适用于产业化集群的大批量生产，大大降低了生产成本，具有智能化控制系统。但是该设备占地面积较大，各系统分散在外，不便于批量生产和运输，和国外产品还有一定差距。
5.结语 通过上面的论述，可以看出我国激光焊接领域还是比较新的，大部分企业还处于起步阶段，尤其是生产元器件企业规模还很小，有的企业技术还需要依赖进口，这也说明了我国在该技术领域还有待提高。另外制造激光焊接成套设备的企业较少，且还在探索中成长。为了能够更好的和国际化水平接轨，为了我们的激光器元器件不依赖进口，就应该加大对激光器的研发，培样更多的企业生产制塑料焊接成套设备的能力，使我国的塑料加工行业进入一个新的征程。
【参考文献】
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作者：于海等
摘要：激光焊具有能量高度集中、热影响区小、工件变形小、焊接效率高、焊接质量好、自动化程度高等特点，目前已经在很多领域得到广泛应用，但尚未在核电设备制造中进行推广应用。文中提到的激光焊焊接工艺，是在国内同类设备中首次采用，对前期项目核电机组水下燃料储存格架贮存套筒焊接质量问题及激光焊应用中发生的焊接质量问题进行梳理和总结，分析原因，并从焊接参数优化、焊缝变形控制、引弧板和收弧板的应用、清洁度控制等方面提出了技术改进措施，取得了良好效果，为激光焊在核电乏燃料储存格架贮存套筒焊接的应用提供借鉴经验。
关键词：乏燃料贮存格架;贮存套筒;激光焊;工艺参数
DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.11.26
0 前言
核电乏燃料贮存格架是核燃料循环中的核心设备，用于存放停堆换料之前及换料期间准备装入堆芯的新燃料组件和由堆芯卸出的乏燃料组件等[1]，水池为高辐照环境，格架一旦投入使用，整个寿期内将无法进行维修或更换，因此必须保证其质量能满足全寿期的服役要求。水下乏燃料贮存格架套筒的焊接工艺是格架制造过程中的重难点，由于格架方形筒壁厚较薄，且为奥氏体不锈钢材质，焊接过程中极易产生变形，因此对焊接工艺及质量控制提出了较高要求。中广核工程公司梳理了核电项目中储存格架套筒焊接质量问题，结合激光焊技术特点，深入分析缺陷原因并进行技术改进，实现了激光焊在核电设备乏燃料贮存格架生产中的成功应用。
1 乏燃料贮存格架结构及焊接工艺
核电机组水下乏燃料贮存格架是由“ 整体骨架+模块化贮存套筒 ”组成，以“ 华龙一号 ”技术路线为例，每台机组分别有 38 台不同规格的格架，每个格架由1 020 个贮存套筒组成，如图1所示。贮存套筒是一个内腔截面尺寸为 226 mm×226 mm×4 265 mm、壁厚为 2 mm不锈钢材质（022Cr19Ni10）方形筒，是格架的基本单元。贮存套筒由两件C型板组对焊接而成，如图2所示，由于C型板为薄壁不锈钢钢板，线膨胀系数大，焊接变形大，易产生热裂纹，而激光焊具有能量密度大、形成焊缝窄、热影响小等特点，因此采用激光焊。焊接工艺主要参数如表 1所示。
2 乏燃料贮存格架焊接问题分析及工艺改进
2.1 乏燃料贮存格架焊接缺陷统计
前期工程公司CPR1000核电技术路线核电项目中乏燃料贮存格架贮存套筒焊缝曾出现严重的质量问题，主要为焊缝锈蚀和腐蚀，如图3所示。焊缝缺陷主要是焊缝氧化、未焊透、未熔合、凹坑、成型不良等，典型缺陷特征如图4所示。其中未焊透主要发生在焊缝端部，长度3～15 mm。焊接56件套筒出现的焊接缺陷情况统计如表2所示。
2.2 焊接缺陷原因分析
2.2.1 氧化缺陷
焊缝氧化是激光焊焊接贮存套筒时最常出现的缺陷。激光焊焊缝如图5所示，母材及焊缝金属均有不同程度的氧化，由于焊缝背面未采用保护气体，氧化较为严重，焊缝正面出现轻微氧化则主要与保护气体流量不充分有关[2-3]。
2.2.2 未焊透/凹坑/未熔合缺陷
贮存格架激光焊未焊透、未熔合和凹坑缺陷主要发生在起弧和收弧处，主要原因是激光焊在启动时能量存在波动、光束不集中现象，如果直接在焊缝上施焊，焊缝端部极易出现未焊透、未熔合或凹形缺陷，而在焊缝尾部，若熔池无新熔化金属填充，则易形成尾部凹坑缺陷。出现在焊缝中的未熔合缺陷主要与激光焊的线能量低、焊速过快有关。另外，焊接面清理不干净，有油污、锈污等污物也会导致未熔合缺陷的出现。
2.2.3 焊缝成形不良
激光焊接由于具有光斑小、焊缝窄的局限性，对被焊件装配位置和配合间隙精度要求较高。设备和工装组对间隙不一致、焊件不在同一水平面上，是导致焊缝成形不良的主要原因。
焊接参数设置的合理与否对焊缝表面的平整光洁度有着较大影响，其中焊接速度是重要因素。贮存套筒的C型板为薄壁奥氏体不锈钢，焊接过程中易产生变形，为减少焊接变形，需要采用较高的焊接速度以缩短焊接时间，然而高速激光焊接下的熔池特性及高冷却速率容易导致焊缝出现驼峰焊道[4-5]，因此在保证焊接变形符合要求的情况下需要合理控制焊接速度以抑制驼峰焊道。
激光焊过程中的匙孔效应也会导致焊缝成形不良[6]。匙孔主要由等离子体和金属蒸汽组成，气体对激光有较强的吸收辐射作用，所以激光焊接过程中会出现焊接的不稳定，从而使焊接接头的表面凹凸不平。
2.2.4 焊接变形
贮存套筒的C型板厚度为2 mm，属于薄壁板，焊接过程中容易产生变形，因此焊接中须实施防变形控制措施。未改进前的防变形工装采用刚性固定方，即設计单独的工装，借助工装压板，在激光焊机上将待焊的套筒进行固定，如图6所示。由于最初未考虑薄板的刚性，因此在自动压制对中时，若两件C型板左右两侧施压后不在同一水平面，导致激光头测距值出现较大离散、无法满足整条焊缝功率参数一致要求，不仅会出现焊缝成形不良，还会出现焊接变形。
2.2.5 焊缝锈蚀
制造完成的方筒经通规试验后，放置在车间一段时间后，焊缝表面会产生锈蚀，而前期核电项目乏燃料贮存格架出现最多的问题就是焊缝表面大面积锈蚀。对制造车间的焊缝锈蚀部位进行分析，焊缝的锈蚀均呈现出疏松（可轻轻擦拭掉）、点状、不均匀等特征，颜色为亮黄色，且位于焊缝中心，如图7所示。这说明焊缝表面的锈蚀不是焊接氧化所致，因为焊接氧化过程温度较高，氧化层较为坚硬和致密。
焊缝锈蚀主要是外来污染物与强力摩擦共同作用所致。由于不锈钢薄板焊接过程中容易产生变形，因此焊接过程如控制不當，方筒会发生尺寸变形，在方筒后续的通规试验中，板规与方筒直接形成摩擦，较大摩擦导致对应部位表面的钝化膜破坏，当制造车间存在污染物时，尤其是含有S、Cl等腐蚀性元素离子存在时，S2-、Cl-粘附在格架不锈钢表面后，会局部破坏不锈钢钝化膜，促使格架表面发生点蚀，进而出现锈蚀。其形成机理是：在不锈钢划伤或局部破损部位，粘附在不锈钢表面的硫化物相对于基体而言是阳极，因而发生溶解，溶解产生的S2-、HS-破坏周围的氧化膜，使该处基体迅速转变为阳极并开始腐蚀。硫化物会溶解产生H+ （或 H2S）对不锈钢摩擦破坏部位露出的新鲜表面产生活化作用，阻止破坏部位的再钝化，形成点蚀。而当腐蚀性阴离子（如Cl-）在不锈钢钝化膜上吸附后，Cl-或进入膜内后污染氧化膜，或者替代氧的吸附点，形成可溶性金属—羟—氯络合物， 使膜破坏而发生点蚀。因S和Cl同时存在，Cl与硫化物等化学物质相互作用促使不锈钢表面的点蚀快速发生。项目现场格局焊缝出现严重的锈蚀或腐蚀，则主要是由于摩擦、污染物和金属表面破损等因素共同所致。
3 贮存格架焊接技术改进
激光焊虽然具有热量集中、热源准确控制、应力应变小和效率高的优点，但激光焊对装配精度要求较高，且奥氏体不锈钢导热率低、膨胀系数大，因此焊接时防止变形是其技术难点，同时焊接工艺参数的设置和清洁度控制也是贮存格架激光焊的重点和难点。
3.1 焊接变形控制
经过多次现场试验和分析，将原压板工装调整为使用新设计的组对工装，新工装如图8、图9所示。这种方式可以在组对时很好地控制住间隙，同时确保两件C型板在同一水平面上，提高装配精度，满足激光焊机激光测距的要求。
3.2 焊接工艺参数优化
通过采用不同功率、不同速度和不同离焦量数据进行组合焊接、对比试验，找出最合理的参数，在原来的焊接工艺上，提高焊接激光功率，降低焊接速度，增加背面保护气体（Ar）和提高保护气体流量，正面保护气体仍为He，同时将保护气体纯度由原来的99%提高到99.999%，可显著降低焊缝氧化、成形不良等缺陷。优化后焊接参数如表 3所示。
3.3 增加引弧板和收弧板
在焊缝起端和尾端增加引弧板和收弧板（见图10），待相关参数稳定后光束才到达正式焊缝;焊接至尾端时不立即关闭激光，而是继续施焊至收弧板，焊缝尾部的熔池由收弧板熔化金属进行补充。通过“ 两块板 ”的增加，可有效解决焊缝端部和尾部的未焊透和凹坑等焊接缺陷。
3.4 焊接清洁度控制
（1）C型板组对前检查清洁度。
C型板来料时，仔细检查表面是否存在锈蚀，如有锈蚀，则对其进行清理，同时要求装配和焊接在无尘车间完成，确保车间清洁度满足要求，避免奥氏体不锈钢表面被污染。
（2）C型板组对、点焊清洁度控制。
C型板组对、点焊及尺寸检查时，相关人员应配戴洁净手套，避免徒手接触设备造成汗渍污染或使用不洁手套造成铁素体污染等情况发生。在进行组对和点焊时，避免损伤板材表面。
（3）C型板焊接后清理。
如焊接后焊缝表面存在缺陷，在打磨消除缺陷后，使用A级水、酒精或丙酮对表面进行清理。
目前中广核工程公司已将改进后的工艺措施成功应用于乏燃料贮存格架的激光焊接中，基本消除了焊缝氧化、成形不良、焊接变形等问题，改进后质量提升明显，如图11所示。
4 结论
结合核电机组水下乏燃料贮存格架奥氏体不锈钢的焊接性（壁厚2 mm）和激光焊技术特点，分析了氧化、未熔合、未焊透、凹坑、成形不良、变形等缺陷产生的原因，提出通过设计焊接变形控制工装，提高装配精度，优化焊接工艺（增加背面保护气体、提高激光功率、降低焊接速度等），增加引弧和收弧板，消除激光焊接启动时产生的缺陷，加强清洁度控制等改进措施，有效保证了焊缝质量，为激光焊技术在核电制造厂的应用提供了参考经验。
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作者：高俊根
摘要：焊接是一种将材料永久连接，并成为具有给定功能结构的制造技术。近几年中国完成的一些标志性工程来看，焊接技术发挥了重要作用。但传统焊接已不能满足越来越高的技术要求和条件限制，激光焊接便有了很大的发展空间。 激光技术涉及材料学、力学、计算机科学等。研发是一个消耗的过程，其投入要求高，资金回收期较长。单靠企业研发，速度很难跟上，于是有一部分压力转移到国家科研机构。所以产业化需要强大的经济实体后盾和政策支持 。 关键词：焊接技术
关键制造工艺
激光焊接
产业化
焊接是一种将材料永久连接，并成为具有给定功能结构的制造技术。几乎所有的产品，从几十万吨巨轮到不足1克的微电子元件，在生产制造中都不同程度地应用焊接技术。 焊接已经渗透到制造业的各个领域，直接影响到产品的质量、可靠性和寿命以及生产的成本、效率和市场反应速度。 中国2005年钢产量达到3.49亿吨，成为世界最大的钢材生产与消费国，而焊接结构的用钢量也突破1.3亿吨，相当于美国一年的钢产量，成为世界上空前最大的焊接钢结构制造国。 近几年中国完成的一些标志性工程来看，焊接技术发挥了重要作用。例如三峡水利枢纽的水电装备就是一套庞大的焊接系统，包括导水管、蜗壳、转轮、大轴、发电机机座等，其中马氏体不锈钢转轮直径10.7m高5.4m重440t，为世界最大的铸-焊结构转轮。该转轮由上冠、下环和13或15个叶片焊接而成，每个转轮的焊接需要用12t焊丝，耗时4个多月。神舟6号飞船的成功发射与回收，标志着中国航天事业的巨大进步，其中两名航天员活动的返回舱和轨道舱都是铝合金的焊接结构，而焊接接头的气密性和变形控制是焊接制造的关键。由第一重型机械集团为神华公司制造的中国第一个煤直接液化装置的加氢反应器，直径5.5m长62m厚337mm重2060t，为当今世界最大、最重的锻-焊结构加氢反应器，采用国内自主知识产权的全自动双丝窄间隙埋弧焊技术，每条环焊缝需连续焊接5天。 西气东输的管线长4000km，是中国第一条高强钢(X70)大直径长输管线，所用的螺旋钢管和直缝钢管全部是板-焊形式的焊接管。2005年我国造船的总吨位达到1212万吨，占世界造船总量的17%，居于日、韩之后，稳居世界第三位，正向年产2500万吨的世界水平迈进。国内制造的30万吨超级油轮、新型5668标箱集装箱船、15万吨散装货船，以及为世界瞩目的，被称为“中华第一盾”的170舰，都是中国造船界的骄傲，船体是典型的板-焊结构。另外，上海中泸浦大桥是世界最长的全焊钢拱桥;国家大剧院的椭球型穹顶是世界最重的钢结构穹顶;奥林匹克主体育场的鸟巢式钢结构重4万多吨，也是世界之最。这些大型结构都是中国焊接制造的最大、最重、最长、最高、最厚、最新的具有代表性的重要产品。由此可见，焊接在国民经济发展和国防建设中具有非常重要的地位和作用。从“十一五”规划的二十项国家重大技术装备的研制项目可以看出，在百万千瓦级核电机组、超超临界火力发电机组成套设备、高水头超大容量水电机组、大型抽水蓄能机组、30～60万瓦级循环硫化床(CFB)锅炉的成套技术装备、百万吨级大型乙烯成套设备、百万吨级大型对苯二甲酸成套设备、大型煤制气成套设备以及大型煤矿综合采掘成套技术与装备中，焊接制造都是关键制造工艺之一。
但传统焊接已不能满足越来越高的技术要求和条件限制，激光焊接便有了很大的发展空间。
1、激光焊接原理——激光是辐射的受激发射光放大的简称，由于其独有的高亮度、高方向性、高单色性、高相干性，自诞生以来，其在工业加工中的应用十分广泛，成为未来制造系统共同的加工手段。用激光焊接加工是利用高辐射强度的激光束，激光束经过光学系统聚焦后，其激光焦点的功率密度为104~107W/cm2，加工工件置于激光焦点附近进行加热熔化，熔化现象能否产生和产生的强弱程度主要取决于激光作用材料表面的时间、功率密度和峰值功率。控制上述各参数就可利用激光进行各种不同的焊接加工。
2、激光焊接的一般特点——激光焊接是利用激光束作为热源的一种热加工工艺，它与电子束等离子束和一般机械加工相比较，具有许多优点：(1)激光束的激光焦点光斑小，功率密度高，能焊接一些高熔点、高强度的合金材料;(2)激光焊接是无接触加工，没有工具损耗和工具调换等问题。激光束能量可调，移动速度可调，可以多种焊接加工;(3)激光焊接自动化程度高，可以用计算机进行控制，焊接速度快，功效高，可方便的进行任何复杂形状的焊接;(4)激光焊接热影响区小，材料变形小，无需后续工序处理;(5)激光可通过玻璃焊接处于真空容器内的工件及处于复杂结构内部位置的工件;(6)激光束易于导向、聚焦，实现各方向变换;(7)激光焊接与电子束加工相比较，不需要严格的真空设备系统，操作方便;(8)
激光焊接生产效率高，加工质量稳定可靠，经济效益和社会效益好。中国科学院力学研究所发动机科学与工程联合实验室近期在涡轮增压器异种材料激光焊接技术方面取得重要进展，优化后的激光焊接工艺为提高柴油发动机性能提供了重要支持。
目前，柴油发动机应用广泛，在国民经济发展中占据重要地位。作为柴油发动机的关键部件，涡轮增压器对于发动机动力性能的改善有显著作用，其异种材料焊接质量对整机性能有重要影响。 在柴油发动机增压器中，涡轮叶片和涡轴杆的材料不同，参数有很大差异，对两者进行连接时易形成焊接裂纹，具有淬硬倾向。目前，业界多采用摩擦焊方式进行连接，但强度不高、成形精度差是摩擦焊的缺陷。 激光焊接是一种新方式，它利用激光的相干性等特性，很好地解决了焊缝偏熔和未熔合的问题。与传统焊接工艺相比，优化后的激光焊接工艺在满足高焊接强度要求的同时，极大提高了焊接效率，为提高柴油发动机性能提供了重要技术支持。
中国科学院力学所发动机科学与工程联合实验室副主任虞刚认为，随着市场需求的扩大，汽车行业近年来的发展势头很好，但自主技术稀少、自主研发环境欠缺的问题始终没能解决。国内企业与跨国公司合作，很难获得核心技术。“没有核心技术以及后续的研发、改进，将会给产业发展带来不良影响。当前，一些汽车制造企业及科研机构已经开始独立研发，但„拿来主义‟的观念仍然很强，真正的自主研发成果少之又少。”
激光技术涉及材料学、力学、计算机科学等。研发是一个消耗的过程，其投入要求高，资金回收期较长。单靠企业研发，速度很难跟上，于是有一部分压力转移到国家科研机构。中国科学院下属研究所包含所有自然科学及工程研究领域，从技术上讲，是国家最有代表性的部门。虞刚说：“正是在这样的背景下，我们力学所从最基础的角度着手开始攻关。在激光异种材料焊接这个领域，国际上一直没有新进展。经过长期努力，我们力学所取得了突破性进展，领先国际水平。可以说，这是一项百分之百拥有自主知识产权的国际先进技术。”
谈到异种材料激光焊接技术的产业化前景，虞刚说，这项技术已经非常成熟，市场也有这方面的需求，其产业化潜力很大。但产业化有风险。虞刚给记者算了一笔账，如果一项基础研究只要投入1元钱，那么，将这项研究成果变成可用的技术就需要10元钱，而真正的产业化则需要100元钱。“这个比例让很多企业承受不了。 国内大部分企业还不具备这种抗风险的能力，所以许多企业不愿意做。所以产业化需要强大的经济实体后盾和政策支持 。 参考文献：
《实用焊接手册》顾纪清 上海科学技术出版社
《现代焊接生产手册》 上海市焊接协会 上海科技 (2007-05出版) 《焊接技术手册》 河南科学技术出版社2004 年7月(1999-04出版) 《激光原理与技术》 阎吉祥高等教育出版社 【书 号】 7040145677 个人介绍“
姓 名：孟军
性别：男
出生年月：1980.06 毕业院校：兰州理工大学
专业：机电工程学院机械制造
毕业时间：2003.06 工作单位：兰州铁路机电工厂 地址：兰州市红山东路98号 邮编：730000
长期以来，激光焊接和电弧焊接两种工艺由于能源传输的物理过程和能源流动的方式不同，都有其各自的特殊应用领域。激光焊接工艺的热影响区非常窄，焊缝的深宽比也很高，具有较高的焊接速度，但由于焦点直径很小，所以焊缝桥接能力很差。电弧焊工艺能源密度较低，但可以在表面形成较大的聚焦点，缺点是工艺速度较慢。
如果将这两种工艺结合起来，结果会怎样呢?事实证明，两种工艺的混合焊接工艺可以获得非常好的综合效应，在焊接质量、生产工程和生产成本等方面都有明显的优势，因此在汽车工业中得到了广泛应用。
开发
早在20世纪70年代，将激光光束和焊接电弧融合到一起形成焊接工艺的方法就已经为人知晓，但是，此后很长一段时间，人们并没有对这种工艺进行进一步研发。不过，最近研究人员又开始把目光转向这种工艺，试图再将电弧焊接的优势与激光焊接的优势结合起来，形成一种混合型的焊接工艺。
在早些时候，激光器是否适合工业使用尚待证明，而今天，在许多生产企业里，激光器几乎已经成为一种标准设备。将激光焊接工艺与另外一种焊接工艺相结合，被称为“激光混合焊接工艺”，即激光束和电弧同时在一个焊接区域内起作用，二者相互影响、相互支持。
激光焊接不仅需要强大的激光功率，而且还需要高质量的激光束，这样才能获得理想的“深焊缝效应”。例如大众汽车公司目前正在进行的项目就使用灯泵浦固体激光器，激光光束的功率为4kW，激光通过水冷600mm玻璃纤维进行传输，激光束通过焦距为200mm/220mm的调焦模块投射到待焊工件上。
激光电弧混合焊接工艺是将激光焊与电弧焊这两种焊接工艺有机地结合起来，从而获得了优良的综合性能，提高了效率/成本比。如1.5mm+2.0mm AlMgSi1接头激光混合焊接的焊接速度可以达到8.1m/min，并且只需使用4kW的固体激光源。
当利用激光混合焊接工艺焊接金属工件时，钕钇铝石榴石激光束进行聚焦后获得强度为106W/mm2 的光束。当激光束打到材料表面上时，照射点被加热到汽化温度，由于汽化金属逃逸，在焊缝金属上形成汽化空腔，焊缝接头突出的特点是极高的深宽比例，自由燃烧电弧的能量流动密度稍稍高于104W/mm2。除了来自电弧的热量以外，激光束将热量传输给接头顶部的焊缝金属。与顺序配置两种不同的焊接工艺先后连续起作用不同，混合焊接工艺可以看成两种焊接工艺结合起来同时在同一工艺区域内共同作用。根据所用的电弧或激光工艺种类以及工艺参数的不同，工艺之间相互影响的程度不同，产生影响的方式也不同。
把激光和电弧相结合，与将两种工艺单独使用相比，焊缝穿透深度和焊接速度都有所增加。从蒸汽空腔逃逸出来的金属蒸汽与电弧等离子作用，钕钇铝石榴石激光辐射吸收进入工艺等离子中数量微乎其微。根据两种工艺的功率输入比例，总体工艺特性主要决定于激光或电弧。工件表面温度会对激光辐射吸收产生实质性影响。在激光工艺开始之前，必须克服初始反射，特别是铝材表面上的反射，采用特殊启动程序启动焊接，可以起到克服初始反射的作用。在达到汽化温度之后，汽化空腔形成，这时几乎所有辐射能都可以作用在工件上，这时所需的能量取决于与温度有关的吸收情况和通过传导到工件其余部分而损耗能量的多少。在混合焊接工艺中，汽化不仅发生在工件表面，而且还发生在焊丝上，因此可以获得更多的金属蒸汽，反过来又利于激光辐射的输入，防止工艺参数的下降。
在激光混合焊接系统中，焊头(见图1)是最关键的部件，它包括MIG焊枪、激光光学系统、水冷系统及空气清洁系统。焊头的几何尺寸较小，以确保较好的焊接可达性，尤其是在焊接车身时更为明显，此外，焊头还具有良好的可拆卸性，便于安装到机器人上，同时在焊接过程中要求焦距和焊矩具有可调功能。
图1 激光混合焊接焊头
如何防止焊接过程中的飞溅污染激光头的防护玻璃是激光混合焊接工艺的一个重要难题。随着焊接过程中的飞溅对玻璃片的污染程度的增加，会导致作用在工件上的激光能量逐渐减少，甚至可能降低90%。为了解决飞溅污染问题，奥地利Fronius公司在防护玻璃前安装了“Cross jet”系统，可将飞溅转向90°，避免了飞溅沾触防护玻璃，使激光混合焊头不受烟尘和飞溅的污染，长时间保持清洁。激光混合焊头带双循环水冷冷却系统，焊枪设计的负载为250A 100%(指MIG焊)和4kW的激光能源。
优势
电弧焊接的特点是有廉价的能量来源，激光焊接工艺容许大的焊接深度、高的焊接速度、低的热负荷以及狭窄的焊缝接头，在一定密度下，激光光束会在金属材料中产生“深焊缝效应”，只要激光功率足够大，就可以焊接壁厚较大的零件。因此，激光混合焊接容许采用更高的焊接速度，由于电弧和激光束之间的相互作用，工艺稳定性很好，增加了热效率以及改进了工件公差。此外，熔池也比金属极气保护焊接要小一些，热输入较小，热影响区也较小，使得焊接结构变形就比较小，减少了焊后后续校直的工作量。因为有两个不同的焊接熔池，随后来自电弧的热输入会给激光束焊接区域(特别是钢铁)进行回火处理，将硬度值更加均匀地分配到接头的各个部分。
与激光焊接工艺相比，激光混合焊接工艺所需要的投资费用可以大为减少，其优势主要体现在更高的工艺稳定性、更高的桥接能力、更深的穿透性和更大的韧性以及不需要在焊接机头上使用压力轮，显着改进了焊接的可及性。与金属极气保护焊接工艺相比，激光混合焊接工艺的优点为焊接速度更高、当焊接速度更高时穿透性更大、热输入值较低、拉伸强度更高、焊缝接头较狭窄等。
使用激光混合焊接工艺，由于降低了激光束功率，因此可大大减少激光光源的能量消耗，因为激光束设备的效率只有3%。换言之，作用于工件上的激光束功率每降低1kW，则从电网上消耗的功率就大约要降低35kW。激光设备的成本是1kW激光功率为12万美元。当利用混合工艺后，可以使用3kW的激光器，而不需要用4kW的激光器，于是就可以节省12万美元的投资。另外只需要6.5万美元购置额外的MSG设备和焊接机头。
当焊接速度为2.4m/min时，采用激光焊接时焊缝不可能充满，会产生咬边，母材上的渗透也只有很少一点，焊道宽度非常小，因此，拉伸强度低。在激光混合焊接中，额外材料被运送到熔池中，咬边处被金属极气保护焊的焊丝填满，节约了部分激光能量。节约下来的激光能量可用于增加对母材的渗透深度，焊道宽度比材料厚度更大，这对于优化机械性能是很必要的。 应用
大众汽车公司的策略是在汽车行业里尽量多地使用激光焊接工艺。在被称为“D1概念车”的Phaeton型汽车(见图2)上，所有的车门都是激光混合工艺焊接的。大众汽车公司对车门结构的刚性具有很高的要求，如果没有激光混合焊接工艺，则必须使用大的重型铸铝材料。为了与车身完美配合，要求几何公差必须非常小，这样，汽车在行驶中来自风阻的噪音等级会很低。为了生产具有这种刚性的车门，必须很好地混合使用板材、铸件和冲压件。要获得较轻的重量，低密度的铝材是一种完美的实用性材料。
图2 在大众汽车公司的Phaeton汽车上，所有车门均采用激光混合焊接工艺来焊接
Phaeton型汽车车门的焊接由7个气体金属电弧焊缝、11个激光焊缝和48个激光混合焊缝组成，车门焊缝的总长度是4980mm，采用两个铝铸件的激光混合焊接接头，焊丝为AlSi12，直径为1.6mm，保护气体为氩气。增加激光功率，可以获得更高的焊接速度。与单纯激光束焊接工艺相比，将激光束与电弧结合，可以产生更大的焊接熔池，可以对焊根间隙较宽的零件进行焊接。焊接速度范围为1.2～4.8m/min，但是，工艺优化速度为4.2 m/min，送丝速度为6.5m/min、激光功率为2.9kW。
在汽车行业里，许多地方应用搭接焊，而不进行接头坡口准备。当前，这种焊接工作最为先进的工艺是采用冷焊丝激光焊接。当焊丝焊接接头时，多数的激光能量都损失在熔化焊丝上。在带有焊丝的激光焊接里，为了获得所需的公差，必须使用压力轮。因为焊接机头尺寸比较高，在可及性方面有一定的局限性。这种工艺的典型参数是：焊接速度为2.8m/min、激光功率为4kW、送丝速度为6.6m/min。
在德国Neckarsulm市奥迪公司系列汽车的生产中，激光混合焊接工艺被应用到最关键的全铝车身的焊接中。该汽车车身是第二代豪华奥迪A8系列的车身，在设计上追求冲击安全性和抗扭曲变形。激光混合焊接的焊缝符合所有的要求，表现出强韧性、高强度和大熔深的特点。为了满足客户对这款车的高期望值，每一个细节都要精益求精，确保汽车的制造质量。激光混合焊接的窄焊缝可以满足对外观要求较高的工件，那么车身框架顶部的边角处就不必再用塑料条带填塞。在轻型汽车制造领域，所有上面提到的要求以及一些特殊的条件都必须得到满足，而全铝车身的制造过程对这些要求更为严格。
奥迪A8车体的负载结构是由一个空间框架构成。这个框架结构是由铝板挤压成形的，这个结构的可靠性已在第一代奥迪A8的身上得到充分证明，该框架结构是由不同规格的铝板连接而成。最新一代奥迪A8框架的顶部因焊接程度密集而变得格外重要，Fronius公司的激光混合焊机因其优异的性能而承担了这项艰巨的任务，在整个焊接过程中有65条焊缝，焊缝总长度为5m，单个焊缝的长度30～260mm。图3中红线部分为使用激光混合焊进行焊接的奥迪A8框架顶侧梁的焊缝。
图3 红色部分为使用激光混合焊接工艺的奥迪A8框架顶侧梁的焊缝
此外，激光混合焊接工艺还适用于动力传动系统
一、容器、传动桥和车身等。
总结
激光混合焊接是一种新的工艺技术，在汽车行业里有着广泛的用途，特别是在采用激光焊接无法实现零件公差或不够经济时，激光混合焊接工艺的优势更加明显。这种功能强大的焊接工艺，可以达到减少投资、降低制造成本、提高生产率的目的，从而提高综合竞争能力。
激光混合焊接工艺给铝材焊接开辟了一条新途径。近来固体激光器输出功率的提高，使这种工艺的稳定性成为可能。在混合焊接工艺里，激光焊接和电弧焊接被理解为只有一个单一的工艺区(等离子和焊剂)。选择正确的工艺参数，就可以有选择性地影响焊缝性能，如几何形状、结构组成等。增加填充金属，电弧焊接工艺就可以提高桥接能力，同时也可以确定焊缝宽度，减少工件焊接坡口的准备工作量。
1 引言
镀锌钢的镀锌层不但具有物理屏蔽作用，而且对钢基体还起到了电化学保护作用，其良好的抗腐蚀性能使得镀锌钢在许多领域得到广泛的应用，包括电力、交通、建筑、化工、通风供热设施以及家具制造等行业。尤其在汽车制造中，各种普通镀锌钢，高强度镀锌钢，超高强度镀锌钢的应用大幅提高了车身等部件的抗腐蚀性能和汽车的使用寿命。然而，因镀锌钢中镀锌层的存在，使得镀锌钢的焊接工艺性大为降低。原因是在镀锌钢的焊接过程中，镀层锌和基体钢物理特性的极大差异(镀锌层锌的熔点是 420度，沸点是 908度，基体钢的熔点是 1300度，沸点是 2861度)，镀层锌的气化先于基体钢的熔化，这一现象对镀锌钢的焊接过程和质量都有很大影响。目前，镀锌钢的主要焊接工艺有三种：电阻电焊、电弧焊和激光焊接。对电阻点焊而言，由于镀锌层的存在，焊接时电极易于锌层合金化，降低了电极的寿命。而采用电弧焊焊接镀锌钢时，由于锌的低沸点，在电弧刚接触到镀锌层时，锌迅速气化，产生的锌蒸气向外喷射，很容易使焊接产生熔渣粒子、气孔、飞溅、未熔合及裂纹等焊接缺陷，电弧的稳定性也因此受到影响，焊接质量下降，同时焊接过程中还会产生大量烟雾灰尘。另外，由于电弧焊的焊缝宽度较大，且热输入量大，镀层锌的大量气化降低了镀锌钢焊缝处的抗腐蚀性能。镀锌钢采用激光焊接时，同样存在镀锌层的气化，以及焊接气孔、飞溅、未熔合等缺陷。但激光焊接与电阻点焊和电弧焊相比，激光焊接单位热输入量少、热变形小、焊缝深宽比大、焊接速度高、焊缝强度普遍高于母材、镀层锌的损耗低 ,且激光焊接是单边加工、复杂结构适应性好、易于实现远程焊接和自动化。例如，德国奥迪、奔驰、大众、瑞典的沃尔沃、美国通用、福特、意大利菲亚特、日本的日产、本田和丰田等汽车公司，都采用了激光焊接技术，建立了激光焊接生产线，在有的汽车生产中激光搭接焊缝已达到 100米长。在国内汽车厂家，只有少数几家企业(如：上海通用，一汽奥迪，大众等)引进国外的设备和技术，建立了激光焊接生产线。
本文以镀锌钢板为例，在分析镀锌钢板激光焊接特性的基础上，综述了提高镀锌钢板焊接质量的工艺措施，焊接过程的优化仿真及焊接质量的在线检测与控制。
2 镀锌钢板激光焊接特性
激光焊接过程，根据焊接机理的不同可以分为两类：热传导焊与深熔焊。两者之间的根本区别就是是否存在焊接小孔。激光焊接镀锌钢板时，一般采用深熔焊接。但由于镀锌钢板中镀层锌的存在，激光深熔焊接镀锌钢板的过程存在两种特有的焊接特征：锌蒸气和锌等离子体。
(1)锌蒸气
当高能量密度的激光束照射到工件表面时，工件吸收激光能量，温度迅速升高，由于锌的低沸点，镀锌钢板的镀层锌极易气化而形成锌蒸气。当锌蒸气被压入焊接熔池时，对熔池产生扰动，熔池中的气泡不易排出，对焊接过程的影响最大。因为激光焊接熔池的冷却速度很快，熔池凝固时间很短，熔池中的气泡极易使焊缝产生焊接缺陷，如飞溅、熔渣、气孔、未熔合，影响焊缝成形，降低焊缝质量。同时，锌的蒸发使镀锌层的含锌量减少，对镀锌层的防腐性也有一定的影响;还有文献中提到锌层的蒸气对人体有害，影响工作环境。因此解决锌蒸气问题成为镀锌钢板激光焊接的根本问题。
镀锌钢板的激光焊接过程中，锌蒸气的产生可以分为两类：①上表层锌和下表层锌的气化;②叠层搭接焊时中间层锌的气化(如图1 所示)。上下表层锌蒸发而产生的锌蒸气膨胀并向空中自由扩散，对焊接质量无直接影响。镀锌钢板叠层搭接焊中，中间镀锌层气化产生的锌蒸气的膨胀扩散途径有三种：①经由板间间隙膨胀扩散至空气中;②经由焊接小孔膨胀扩散至空气中;③锌蒸气被压入焊接熔池。对于镀锌钢板叠层搭接焊锌蒸气经由板间间隙扩散排出的方式，合适的板间间隙值是控制锌蒸气排出的关键因素，间隙值的选取见本文第三部分第一节第二点板间间隙法。锌蒸气经由焊接小孔排出是另一种有效的途径。但是，焊接
小孔是细长小孔且焊接速度较快，有时锌蒸气无法通过板间间隙和焊接小孔完全排出而被强大的蒸气压力压入焊接熔池，形成熔池中的气泡。当熔池凝固时间足够长，气泡会随熔池的搅拌从内部熔池向熔池表面移动并最终排出到空气中;但如果熔池凝固时间短，熔池中锌蒸气的气泡在向熔池外移动和挤压过程中容易形成飞溅和熔渣，或者留在熔池内形成焊缝中的气孔，严重时会在板间形成大气泡，阻碍板间的熔合。实际镀锌钢板的激光焊接过程中，锌蒸气的迅速产生且蒸气压力大，锌蒸气同时经由上述三种扩散途径排出。
图 1 锌蒸气的扩散.(a)上下表层锌蒸气扩散;(b)中间层锌蒸气扩散 Fig. 1 The diffusion of zinc vapor.(a)On top and bottom surface;
(b)In middle layer. (2)锌等离子体
光致等离子体是激光深熔焊接的重要特征。当激光束照射到镀锌钢板上，表层锌和基体钢吸收激光并迅速气化，形成锌和铁的混合金属蒸气。金属蒸气在激光的辐照作用下电离并形成等离子体。由于锌的气化温度低于铁的气化温度，锌蒸气比铁蒸气更容易产生，锌蒸气气压比铁蒸气气压高8 个数量级;同时当等离子体温度在10000K 时，锌等离子体的电子密度比铁等离子体的电子密度大2 个数量级(Zn：2.2x25450px-3, Fe：4.1x25400px-3)。因此有文献认为,锌的
蒸气将加剧等离子体的产生，是镀锌钢板激光焊接时大量等离子体存在的主要原因。然而，也有文献从理论计算探讨锌蒸气问题时发现：在相同的条件下,锌比铁的蒸气密度约小25%，而锌的电离能(9.36eV)比铁(7.83eV)大,所以在被激光辐照气化的金属蒸气中,锌并不比铁优先电离,也就是说锌蒸气并不加速等离子体的形成。正是因为锌蒸气不易电离,使得在焊接过程中可观察到大量锌蒸气的存在。
无论锌是否加剧了等离子体的产生，在镀锌钢板激光焊接过程中仍然有大量的光致等离子体存在。等离子体对激光束有严重的阻隔作用，它不但对激光束有散射作用，而且会吸收激光能量，使得照射到工件上的能量减少，影响焊接小孔稳定形成，从而降低了焊接过程的稳定性。有关镀锌钢激光焊接的锌行为研究，特别是锌等离子体和小孔效应的实验研究目前比较缺乏。有文献分别对焊接小孔内和小孔外的等离子体做了研究，得出一定浓度的小孔孔内等离子体对激光能量的吸收是有利的，而孔外的等离子体云对焊接过程中激光能量的吸收 有屏蔽作用。
3 镀锌钢板激光焊接质量的提高方法
激光焊接与传统的焊接方式相比，焊接过程更加复杂，包括材料对激光的吸收、材料的固态加热及相变(熔化、汽化)、小孔和等离子体的形成及其在激光能量耦合和传输过程中的作用、小孔内材料蒸汽和熔池内液态材料的流动、材料热物理参数的变化、小孔的稳定性、熔池表面的变形以及各种焊接工艺参数对焊接质量的影响等诸多方面。如本文第二部分所述，激光焊接镀锌钢板时存在锌蒸气和锌等离子体，焊接稳定性减低，焊接时易产生多种焊接缺陷，从而增加了激光焊接过程和焊接质量的控制难度。锌蒸气的抑制和等离子体的控制是实现镀锌钢板激光焊接的关键技术。国内外许多科研工作者开展了镀锌钢板激光焊接的研 究，提高激光焊接镀锌钢板焊接质量的方法可以分为：①寻求特定的工艺措施;②工艺参数优化和焊接过程仿真优化;③在线检测控制。
3.1 寻求特定的工艺措施
镀锌钢板激光焊接过程中锌蒸气对焊接质量的影响最大，因此采取相应措施减少锌蒸气的影响是提高镀锌钢激光焊接质量的首要任务。一般而言，镀锌钢板激光焊接接头的形式有以下几种：搭接、对接、角接、卷边接头等。而实际生产
中，叠层搭接接头形式应用最多，且锌蒸气对该种接头形式的焊接质量影响最为严重。文献中有关解决镀锌钢激光焊接时锌蒸气问题的各种特定工艺措施，其根本途径有两类：①激光焊接过程中不产生锌蒸气或产生极少量的锌蒸气;②使产生的锌蒸气尽可能的顺利排出到空气中。锌蒸气的排出途径又主要有经由板间间隙排出、经由焊接小孔排出、熔池冒泡排出三种方式。同时，也有文献研究了锌 蒸气排出的其他方式，如预先开排气孔、预先切割出排气缝。此外，减少等离子体对焊接过程的影响是提高镀锌钢板激光焊接中的另一个重要任务。
(1) 吹送保护气体
吹送保护气体是激光焊接中最常用的工艺措施，其方式有同轴吹气和侧吹气两种，其控制参数有保护气体种类、气体流速、侧吹方向、侧吹角度、喷嘴尺寸。保护气体在激光焊接中起到的作用主要有三个方面：①对焊缝进行保护，防止焊缝氧化并加快焊缝冷却;②在一定程度上抑制等离子体对焊接过程的影响;③防止溅射物和金属蒸汽对聚焦镜片的污染。同轴吹气保护，气流与焊接时产生的金属蒸汽和等离子体形成对流，降低蒸汽和等离子体的热量，同时增加小孔内的气压，抑制孔内的金属蒸汽和等离子体向孔外喷射，有利于焊接小孔的稳定和降低孔外等离子体的屏蔽作用。而侧吹气体保护，能够吹散熔池表面的等离子体和飞溅，减少焊缝表面缺陷。研究表明，镀锌钢板激光焊接时，合适的吹气方式和吹送气体参数有利于增加熔深，减少焊缝气孔，抑制等离子体的不利影响，得到好的焊缝成形和表面质量。
(2) 板间间隙法
镀锌钢板的叠层搭接激光焊，常在搭接的两层或多层板间留出一定间隙，以便中间镀层锌产生的锌蒸气顺利从间隙中排出。板间间隙法可以通过控制搭接板间的夹紧力控制板间间隙，在板间预夹薄层垫片保证夹紧后板间间隙值，或采用特殊的结构保证合适的间隙值如图2 所示。
图 2 (a)节薄板间隙焊;(b)带圆弧结构间隙焊
Fig. 2 (a)Gap welding of burl sheet metal;(b)Gap welding of the
radius configuration 也有文献提到在板间夹层粉末状材料，完全夹紧时锌蒸气能够从粉末间的间隙排出。采用间隙法焊接时，关键就是板间间隙的控制，许多文献通过试验或理论研究了焊接时板间间隙的问题。间隙过小，锌蒸气不能完全经由间隙排出，焊接过程容易产生焊接气孔、飞溅等缺陷，焊缝强度下降。间隙过大，锌蒸气可能会阻隔焊缝熔合而产生假焊;或由于间隙太大，熔池金属材料因填充间隙而使焊缝上表面凹陷，焊缝质量下降。对搭接焊间隙的研究，板间间隙常在0.1～0.2mm，但也视实际情况不同而定，如：镀层种类及厚度、母材厚度、激光束参数、焊接速度等。有文献对镀锌钢激光搭接焊板间间隙进行了理论研究，并建立了数学模型：
g=AVtZntp-1/2 (1)
其中 g 是间隙值，A 是材料系数(镀锌钢板A=16.1sm-1/2)，V 是焊接速度，tZn 是镀锌层的厚度，tp 是焊接母材的厚度。虽然这种预留间隙的焊接方法在镀锌钢激光焊接时可以很好的排出锌蒸气，减少焊接气孔，能得到较好焊接质量，但此方法需要预留间隙的间隙值的精度要求较高。对于曲面型镀锌钢板焊接时，其间隙值更难以达到理论要求。
(3) 添加元素法
在镀锌钢板激光焊接中添加与锌发生化学反应的异种元素是抑制锌蒸气产生另一种有效途径。文献[11]中提及在保护气体Ar 中混合加入少量O2(2–5%)，利用氧气与锌反应而减少锌蒸气对焊接过程的影响，这种方法不足是增加了焊缝的氧化。文献[5]采用三明治形式的搭接焊，预置铜粉在两层板间，利用铜与锌的冶金反应降低锌蒸气对焊接过程的影响。采用添加铜焊接镀锌钢板，通过焊接过程中的光谱分析表面，锌蒸气的产生明显减少，且焊缝抗腐蚀性和焊缝机械性能没有因铜的加入而降低。铜的添加显著增加了焊接过程的稳定性;添加铜粉的前后，焊缝中的气孔数量由10%降低至1%。
(4)开排气孔的方法
开排气孔的方法是预先在需要焊接的母材上加工出排气小孔，从而使得激光焊接镀锌钢板的过程中产生的锌蒸气能够从排气小孔中排出。文献[11]采用脉冲YAG 激光预先在搭接板的下层板上打出合适的排气小孔，再用1500W 连续CO2 激光焊接双层搭接镀锌钢板。排气小孔与实际焊缝的位置及排气小孔尺寸是获得良好焊接质量的关键。Weichiat Chen通过有限元优化分析和焊接试验发现，焊接速度为9m/min，连续CO2 激光焦点直径0.2mm，预先在下层镀锌钢板上焊缝方向离焊缝中心0.14mm 处打出直径为0.07mm 的排气小孔，焊接时能得到好的焊接质量。激光焊接镀锌钢板采用开排气孔的方法焊接，能减少锌蒸气的影响，减少焊接气孔，得到的焊缝因熔融金属填满了所开的排气小孔形成类似于铆接的结构而增强了抗拉强度;而当焊接速度过高时，因排气小孔无法被熔融金属填满得到的焊缝抗拉强度反而下降。开排气孔的方法与预留间隙法相比，预留间隙法不适于实际生产，其间隙值大小难以保证;开排气孔方法能够解决锌蒸气问题，且焊缝强度更高、可实践性更好，不足的是需要额外开排气孔，增加了工序。
(5) 双光束激光焊接
双光束激光焊接方法是近几年出现的一种新方法。双光束焊接根据所采用的光源分为两种：同一激光源分出的两束激光;两个激光源发出的两束不同激光束(如：CO2+高功率二极管;YAG+高功率二极管)。焊接过程中一束光作为辅助加工，另一束光实现焊接功能。采用双光束激光焊接方法焊接镀锌钢板，根据辅助光束的作用机理分为四类：①延迟焊接小孔闭合;②延迟熔池凝固;③预先切割出细缝;④预先气化锌层。文献[14]先采用YAG 激光在搭接镀锌钢板上切割出一条细缝，再用CO2 激光实现焊接。细缝的作用：一是预先去除部分锌层;二是便于焊接过程中锌蒸气从细缝中排出。切割细缝与焊接过程同时进行有利于保证焊接光束与切缝的位置关系。若采用的双光束是同一光源分出的两束光，前一光束可气化镀锌层(预先气化宽度为焊接熔池的宽度，如2mm)，后一光束实现焊接作用。采用双光束激光焊接镀锌钢板，关键是前后光束的相互位置与功率匹配，在合适的参数匹配下双光束焊接能够解决锌蒸气问题，得到较好的焊缝质量。然而，要得到两束激光必需增加额外的焊接装备，也就增加了加工成本。
(6)脉冲激光焊接
图 3 由焊接小孔形成的一系列焊缝重叠区.(a)平面视图;(b)侧面视图 Fig. 3 A series of partially overlapping spot welds made with a keyhole mode.(a)Plan view;(b)Side view.
脉冲激光与连续激光焊接的区别是焊接小孔的间断出现，焊缝熔池也随着焊接小孔的波动而波动，且相邻两个焊接小孔与熔池之间存在一定的重叠区，如图3所示。研究结果表明，脉冲激光焊接镀锌钢板的关键和难点是控制脉冲激光束参数(脉冲波形、脉冲能量、脉冲宽度、脉冲重复频率、脉冲占空比、平均功率密度峰值、平均功率)和焊接速度的良好匹配，得到合适的重叠率，以便将焊接过程中产生的锌蒸气经由焊接小孔和熔池排出，得到好的熔池一致性和焊接质量。文献[35]同时指出，采用CO2脉冲激光难于YAG脉冲激光实现无孔焊缝，其原因是YAG激光的脉冲峰值功率密度相比CO2激光更高。
(7) 激光填丝钎焊
激光钎焊技术在汽车制造中以得到很好的应用，如车顶与侧围的连接，车厢后盖的激光钎焊。激光填丝钎焊是激光焊接与钎焊技术的组合，具有钎焊的特性，即焊接过程中钎料吸收大部分热量而熔化，母材吸收少部分热量基本不熔化。采用激光填丝钎焊焊接镀锌钢板最大的优势就是，母材吸收热量少，大大减少了镀锌层的气化，减少了锌蒸气的影响，提高了焊接质量。在激光钎焊接焊接过程中关键技术是激光能量在钎料与母材上的分配，要得到好的焊接效果，激光功率、焊接速度、焦点位置、光斑直径、填充材料、送丝速度、送丝方向都要很好的控制匹配。一般而言，激光钎焊过程中减小焊丝与母材的距离与夹角,保证钎料熔化后与母材直接接触可获得较好的焊缝成形，并且采用前方送丝较后方送丝的焊接效果好。其原因是后方送丝时，少量光照在镀锌层上产生锌蒸气出现喷射气孔;前方送丝时，少量光照在熔池中使熔池温度升高无不良影响。在相同的离焦量下，将激光束沿焊接方向倾斜一定角度入射,激光由圆形光斑变成椭圆光斑,激光照射面积增加，有利于钎料铺张，此时焊缝的外观成形优于激光束垂直入射。此外，焊接汽车车顶时，采用带角度的上下板搭接激光填丝钎焊，一定的搭接角度有利于产生的锌蒸气逃逸，提高焊接质量。如要提高激光钎焊的速度，可以对焊丝先行预热(热丝激光钎焊)，增加钎焊的填充量，加快焊丝铺展，提高焊速。激光钎焊采用的填充钎料一般为铜基合金，如CuSi3(熔点950～1050℃)、CuAl
8、CuSn 等，其中CuSi3 用的最多，因为这种材料有好的流动性和挺直性。
(8) 其它方法
文献中除了上述激光焊接镀锌钢板时通过解决锌蒸气问题以提高焊接质量的方法，还有如采用立焊、激光束的来回摆动焊接(与双焦点焊效果相似)以及焊前预先去除焊缝处的锌层等方法。采用立焊焊接镀锌钢板的过程中，金属溶液所受重力与焊接小孔深度方向垂直有利于保持小孔打开和锌蒸气顺利排出，且立焊方式不会对熔池焊缝产生表面下凹现象。立焊方式焊接镀锌钢板与平焊方式相比，焊接过程更稳定，焊缝成形良好，减少了锌蒸气产生的气孔和飞溅。然而，由于实际生产中受到实际焊接条件的限制，立焊方式应用的灵活性受到限制。
3.2 工艺参数优化与仿真优化
对焊接过程的优化是提高焊接质量的重要方法。其中包括：焊接接头形式的优化，焊接参数的优化，焊接过程的机理分析以及焊接过程的建模与仿真分析等。工艺参数优化中最常用正交试验方法，不但能减少试验次数，还能比较各参数的波动对焊接质量的影响程度。激光焊接镀锌钢板试验中，常用来比较优选的工艺参数有：激光功率，焊接速度，焦点位置，吹气气流等。通过镀锌钢板激光焊接的机理研究，建模和仿真优化工艺参数则是分析和认识焊接机理和降低试验费用的重要途径。建模仿真时，激光束加热过程可以被简化为移动点热源和线热源，或者直接由试验拍摄得到实际的小孔热源;所建模型可以是一维、二维或三维。常用的建模与求解方法为有限差分法和有限单元法，人工神经网络方法。有学者对CO2 激光焊接镀锌钢板搭接焊进行了三维建模仿真并分析了多因素的焊接过程，考虑的因素包括：焊接过程中固体、液体、气体三种状态的特性及液体表面张力、气体压力、液体气体流速，焊接小孔模拟，锌和铁蒸气及等离子体现象及对焊接过程的影响。通过复杂的建模仿真与实际镀锌钢板激光焊接试验对比，证实所建模型与实际焊接过程很接近。利用该模型，设置相应的参数可模拟焊接过程分析温度、强度、压力和速度的影响因素，而不用做任何实际焊接试验。
3.3 镀锌钢板焊接过程的在线监控
对加工过程实现在线监控是现代制造过程中保障加工质量和降低成本的重要手段。激光焊接过程的在线检测与控制则是提高焊接质量和实现自动化的关键技术，也是焊接技术发展的必然趋势。焊接过程的在线监测技术可以分为焊前监测、焊中监测和焊后检测，其中焊前检测和焊中监测是提高焊接质量的重要途径。
(1) 焊缝跟踪
焊缝跟踪作为一种重要的焊前监测技术，主要用于对接焊和其他对焊接轨迹有严格要求的焊接过程。镀锌钢板的激光对接焊时，要求板间的对接缝宽非常小(一般在0.1～0.5mm之间)，且不能大于焦点光斑直径(聚焦光斑直径常小于0.5mm)。对于实际生产中的曲线轨迹焊接，由于装夹误差和焊接设备的移动轨迹误差的叠加，理论移动轨迹与实际移动轨迹会产生偏移，焊接时会出现多种焊接缺陷。此时，采用焊缝跟踪技术可提高焊接质量，并有利于实现自动化无人加工。焊缝跟踪技术的研究，包括焊缝偏差信号获取、焊缝跟踪传感器研究、控制系统和控制方法的研究以及焊缝偏差补偿方法等。
(2) 在线检测控制
焊接过程中的信号，如声音、光、电、图像、热等信号常用于焊中监测。光电二极管和高速摄像机是最常用于在线信号采集的一维和二维传感器。在线检测控制可以分为三步：对反应焊接缺陷、焊缝成形质量和焊接过程稳定性等信号的采集;通过傅立叶变换、小波分析等方法作数据提取、处理和分析;基于人工神经网络、智能控制、模糊控制、专家系统等控制系统的实时控制。镀锌钢板的激光焊接过程中，锌蒸气的产生使得信号采集和焊接控制的难度增大，单独采用某一监测控制方法很难实现无缺陷焊接，而有关镀锌钢板激光焊接的在线检测控制的报道较少。
4 结论
锌蒸气和锌等离子体是激光深熔焊接镀锌钢板的过程存在的两种特有焊接特征。镀锌钢板激光焊接的根本问题是锌蒸气对焊接过程的影响，锌蒸气的产生包括上表层锌和下表层锌的气化以及叠层搭接焊时中间层锌的气化。在镀锌钢板的叠层搭接焊中，中间镀锌层气化产生的锌蒸气的膨胀扩散途径有三种：①经由板间间隙膨胀扩散至空气中;②经由焊接小孔膨胀扩散至空气中;③锌蒸气被压入焊接熔池。减少镀层锌的蒸发和顺利排出锌蒸气是提高镀锌钢激光焊接质量的根本途径，其实现工艺措施包括了吹送保护气体、板间间隙法、添加元素法、开排气孔的方法、双光束激光焊接、脉冲激光焊接、激光填丝钎焊、立焊、激光束的来回摆动焊接以及焊前预先去除焊缝处的锌层等方法。工艺参数的正交试验优化、焊接过程的建模与仿真优化以及在线监测与控制技术则是提高镀锌钢激光焊接质量的重要方法。
目前，镀锌钢激光焊接的锌行为研究，特别是锌等离子体和小孔效应的实验研究比较缺乏;锌行为在焊接过程中的数值模拟仿真仍存在困难。此外，镀锌钢脉冲激光焊接机理、采用不同激光器(如光纤激光器、短脉冲激光器等)实现镀锌钢的激光焊接工艺以及镀锌钢与其他材料的焊接机制，还有待更深入的研究。
海洋工程结构因常年在海上工作，其工作环境极为恶劣，除受到结构的工作载荷外，还要承受风暴、波浪、潮流引起的附加载荷以及海水腐蚀、砂流的磨蚀、地震或寒冷地区冰流的侵袭。此外，石油天然气的易燃易爆性对结构也存在威胁。而且海洋结构的主要部分在水下，服役后焊接接头的检查和修补很困难，费用也高，一旦发生重大结构损伤或倾覆事故，将造成生命财产的严重损失。所以对海洋工程结构的设计制造、材料选择以及焊接施工等都有严格的质量要求。而随着海洋石油和天然气工业的发展,海洋管道工程日益向深海挺进,我国作为一个发展中的沿海大国,国民经济要持续发展,就必须把海洋的开发和保护作为一项长期的战略任务。大量的海底管道施工工程对水下焊接技术提出了新的要求。
水下焊接由于水的存在，使焊接过程变得更加复杂，并且会出现各种各样陆地焊接所未遇到的问题，目前，世界各国正在应用和研究的水下焊接方法种类繁多，应用较成熟的是电弧焊。随着水下焊接技术的发展，除了常用的湿法水下焊接、局部干法水下焊接和干法水下焊接以外，又出现了一些新的水下焊接方法。但是，从各国海洋开发的前景来看，水下焊接的研究远远不能适应形势发展的需要。因此，加强这方面的研究，无论是对现在或将来，都将是一项非常有意义的工作。
湿法水下焊接
湿法焊接中，水下焊接的基本问题表现最为突出。因此采用这类方法难以得到质量好的焊接接头，尤其在重要的应用场合，湿法焊接的质量难以令人满意。但由于湿法水下焊接具有设备简单、成本低廉、操作灵活、适应性强等优点。所以，近年来各国对这种方法仍在继续进行研究，特别是涂药焊条和手工电弧焊，在今后一段时期还会得到进一步的应用。在焊条方面，比较先进的有英国Hydroweld公司发展的Hydroweld FS水下焊条，美国的专利水下焊条7018’S 焊条，以及德国Hanover大学基于渣气联合保护对熔滴过渡的影响和保护机理所开发的双层自保护药芯焊条。美国的Stephen Liu等人在焊条药皮中加入锰、钛、硼和稀土元素，改善了焊接过程中的焊接性能，细化了焊缝微观组织。水下焊条的发展促进了湿法水下焊接技术的应用。目前，在国、内外都有采用水下湿法焊条电弧焊技术进行水下焊接施工的范例。
药芯焊丝的出现和发展适应了焊接生产向高效率、低成本、高质量、自动化和智能化方向发展的趋势。英国TWI与乌克兰巴顿研究所成功开发了一套水下湿法药芯焊丝焊接的送丝结构、控制系统及其焊接工艺。华南理工大学机电工程系刘桑、钟继光等人开发了一种药芯焊丝微型排水罩水下焊接方法，从实用经济的角度出发,完全依靠焊接时自身所产生的气体以及水汽化产生的水蒸气排开水而形成一个稳定的局部无水区域,使得电弧能在其中稳定的燃烧。微型排水罩的尺寸和结构决定了焊接过程中无水区(局部排水区)的大小和稳定程度。除此之外，他们还通过复合滤光技术和水下CCD摄像系统，采集出了药芯焊丝水下焊接电弧区域图像，从而为水下湿法焊接电弧的机理分析及水下焊接过程控制奠定了基础。
20081182069光信0802林裕
一、铝合金激光焊接的发展
铝合金密度低，但强度比较高，塑性好，可加工成各种型材，具有优良的导电性、导热性和抗蚀性，在航空、航天、汽车、机械制造、船舶及化学工业中已大量应用。铝合金的广泛应用促进了铝合金焊接技术的发展，同时焊接技术的发展又拓展了铝合金的应用领域，因此铝合金的焊接技术正成为研究的热点之一。
不过，铝合金本身的特性使得其相关的焊接技术面临着一些亟待解决的问题：表面难溶的氧化膜、接头软化、易产生气孔、容易热变形以及热导率过大等。以往的生产实践中，铝合金的焊接常用钨极氩弧焊和熔化极氩弧焊。虽然这两种焊接方式能量密度较大，焊接铝合金时能获得良好的接头，但仍然存在熔透能力差、焊接变形大、生产效率低等缺点。用这些传统的、应用于黑色金属的焊接方法焊接铝合金，并不能达到工业上高效、无缺陷、性能佳的要求，于是人们开始寻求新的焊接方法，20世纪中后期激光技术逐渐开始应用于工业。欧洲空中客车公司生产的A340飞机机身，就采用激光焊接技术取代原有的铆接工艺，使机身的重量减轻18 %左右，制造成本降低了近25 %。德国奥迪公司A2和A8全铝结构轿车也获益于铝合金激光焊接技术的开发和应用。这些成功的事例大大促使对激光焊接铝合金的研究，激光技术已经成为了未来铝合金焊接技术的主要发展方向，因为激光焊接具有其独特的优点：
(1) 能量密度高，热输入量小，焊接变形小，能得到窄的熔化区和热影响区以及熔深大的焊缝。
(2) 冷却速度快，焊缝组织微细，故焊接接头性能良好。
(3)焊接能量可精确控制，可靠性高，针对不同的要求有较高的适应性。 (4)可进行微型焊接或实现远距离传输，不需要真空装置，利于大批量自动化生产。
二、激光焊接铝合金的难点及解决措施 1.铝合金表面的高反射性和高导热性
这一特点可以用铝合金的微观结构来解释。由于铝合金中存在密度很大的自由电子，自由电子受到激光(强烈的电磁波)强迫震动而产生次级电磁波，造成强烈的反射波和较弱的透射波，因而铝合金表面对激光具有较高的反射率和很小
吸收率。同时，自由电子的布朗运动受激而变得更为剧烈，所以铝合金也具有很高的导热性。
针对铝合金对激光的高反射性，国内外学者都作了大量研究，试验结果表明，进行适当的表面预处理如喷砂处理、砂纸打磨、表面化学浸蚀、表面镀、石墨涂层、空气炉中氧化等均可以降低光束反射，有效地增大铝合金对光束能量的吸收。另外，从焊接结构设计方面考虑，在铝合金表面人工制孔或采用光收集器形式接头，开V形坡口或采用拼焊(拼接间隙相当于人工制孔) 方法，都可以增加铝合金对激光的吸收，获得较大的熔深。另外，还可以利用合理设计焊接缝隙来增加铝合金表面对激光能量的吸收(如图1)。从图上可以直观的反应出，将焊缝和激光束的位置关系由图1(a)改为图1(b)或图1(c)，使激光束与缝壁有一定角度后，激光束能够在缝隙内多次反射，形成一个人工小孔，增加了焊件对激光能量的吸收。
图1 改变焊缝几何形状
2. 小孔的诱导和维持
小孔的诱导和维持是铝合金激光焊接中的特有困难，这是由铝合金材料特性和激光光学特性造成的。激光焊接的过程中，小孔可看成是铝合金的黑体，能大大提高材料对激光的吸收率，为母材获得更多的能量耦合，这有利于提高焊接接头的质量。但由于铝合金的高反射性和高导热性，要诱导小孔的形成就需要激光有更高的能量密度。而铝元素以及铝合金中的Mg、Zn、Li沸点低、易蒸发且蒸汽压大，虽然这有助于小孔的形成，但等离子体的冷却作用(等离子体对能量的屏蔽和吸收，减少了激光对母材的能量输入)使得等离子体本身“过热”，却阻碍了小孔维持连续存在。
由于能量密度阈值的高低本质上受其合金成分的控制，因此可以通过控制工艺参数，选择确定激光功率保证合适的热输入量，有助于获得稳定的焊接过程。另外，能量密度阈值一定程度上还受到保护气体种类的影响。研究表明，激光焊接铝合金时使用N2气时可较容易地诱导出小孔,而使用He气则不能诱导出小孔。这是因为N2和Al之间可发生放热反应，生成的Al-N-O 三元化合物提高了对激光吸收率。
三、激光焊接铝合金容易产生的缺陷及消除方法 1.气孔
铝合金激光焊接的主要缺陷之一是气孔，焊缝气孔的形成机理比较复杂，一般认为存在两类气孔:氢气孔和由于小孔的破灭而产生的气孔。氢气孔是由于氢(主要来自表层的湿气与微量水)在熔池金属中的可溶性引起的，激光焊接冷却速度极快，导致氢的溶解度急剧下降形成氢气孔。由于小孔塌陷而形成的孔洞，主要是由于小孔表面张力大于蒸气压力，不能维持稳定而塌陷，液态金属来不及填充就造成孔洞。另外，低熔点、高蒸气压合金元素蒸发导致气孔，表面氧化膜在焊接过程中溶解到熔池中也会形成气孔。
从氢气孔的形成原理可知，表层物质是氢元素的主要来源，因此选择正确的焊前表面预处理可以有效地减少氢气孔的产生。对于由小孔塌陷引发的气孔，则要求选择适当的保护气体并合理控制流量流速，在条件允许下采用高功率、高速度、大离焦量(负值) 的焊接方式，可以进一步消除气孔的产生。
2.热裂纹
铝合金的焊接裂纹都是热裂纹，与冷却时间(或焊接速度)密切有关，主要有结晶裂纹和液化裂纹。铝合金激光焊接产生的结晶裂纹是由于焊缝金属结晶时在晶界处形成低熔点共晶化合物导致的，焊缝金属氧化生成的Al2O3和AlN也会成为微裂纹的扩展源。液化裂纹是熔化的铝合金在凝固过程中局部塑性变形量超过其本身所能承受的变形量的结果。
目前常用的消除热裂纹的方法是使用填充材料，即填丝，这能有效地防止焊接热裂纹，提高接头强度。此外，调整激光能量的输入方式，合理选择脉冲点焊时的脉冲波形，焊缝熔化凝固重复进行，以降低熔池凝固时的凝固速度，这种在凝固过程中增加热循环的控制方法同样可以减少结晶裂纹。
3.Mg、Zn等元素的烧损
使用激光焊接铝合金时，焊缝的加热和凝固速度都非常快，这使得Mg，Zn 等低熔点强化元素发生烧损，导致焊缝硬度和强度下降。Mg 的沸点为1 380 K，比Al 的2 727 K低，Mg首先蒸发烧损。烧损现象使得焊缝成型时的晶粒大小严重不均匀，从金属学角度讲，大晶粒的存在破坏合金元素的强化作用，导致焊缝的强度明显比母材低。
防止合金元素的烧损主要从控制合金成分入手，在保证铝合金质量和接头要求的前提下，降低Mg的含量，添加Mn、Si等元素。
四、铝合金激光焊接的工艺参数
铝激光焊接的工艺参数主要有: 功率密度、焊接速度、焦点位置、保护气体种类及流量等，它们直接决定着焊缝成形。
1.功率密度
激光的功率密度是决定焊缝熔深的最主要因素。当其他工艺参数保持不变时，随着功率密度的增大，焊缝深宽比增大。因为功率密度增大时，蒸汽压力能克服熔化成液态金属的表面张力和静压力而形成小孔，小孔有助于吸收光束能量——“小孔效应”。但是如果功率密度过大，使金属强烈汽化，严重烧损合金，焊缝成型组织的晶粒过大，焊缝的硬度和强度均下降。并且，大量的光致等离子体的冷却和屏蔽作用，使得熔深反而下降。
2.焊接速度
在其他工艺参数不变的情况下，熔深随焊速的增加而减小，焊接效率随焊速的增加而提高。但是速度过快，到达焊缝处的线能量密度较低，会使熔深达不到焊接要求;速度过慢，则线能量密度过高，母材过度熔化和烧损，降低接头性能，甚至引发热裂纹。因此，对一特定厚度的铝合金工件，选择确定激光功率密度之后，存在着既能维持合适的焊缝深宽比又不会使工件过热的最佳焊速，这可以从以往的生产实践中总结经验或者查阅相关文献获得。
3.焦点位置
研究表明，铝合金激光焊接的焦点位置与熔深的关系如图2所示。我们可以看出，熔深随焦点位置的变化有一个跳跃性变化过程：当焦点处于偏离工件表面较大(2 mm) 时，工件表面光斑尺寸较大，因此光束能量密度较低，属于以热传
导为主的熔化焊，熔深较浅; 而当焦点靠近工件表面某一位置(2 mm) 时，工件表面入射光束能量密度值增大到临界值，产生小孔效应，因此熔深发生跳跃性增加。经试验得到，当焦点位置在工件表面上方1 mm 处时焊缝熔深最大。
图2 焦点位置对焊缝熔深的影响
4.保护气
和电子束焊接相比，激光焊接不需要真空环境，但焊接铝合金需采用保护气体，其目的是抑制光致等离子体，并排除空气使焊缝免受污染。光致等离子体的形成不仅来自被离子化的金属母材蒸汽，而且和保护气体本身性质也有很大的关系。通过增加电子与离子和中性原子三体碰撞来增加电子的复合速率，以降低等离子体中的电子密度。中性原子越轻，碰撞频率越高，复合速率越高;另一方面，保护气体本身的电离能应该高，不致因气体本身的电离而增加电子密度。铝合金激光焊接传统上采用的保护气体主要有三种：Ar、N
2、He。理论上He最轻且电离能最高，但是在较低功率、较高焊速下，由于等离子体很弱，不同保护气体差别很小。研究表明，在相同条件下，使用N2容易诱导小孔，主要是N2和Al 之间可发生放热反应，生成的Al-N-O 三元化合物对激光的吸收率要高一些，纯N2 会在焊缝中产生AlN 脆性相，同时易形成气孔。而采用惰性气体保护时，由于质轻而逸出，气孔形成机率小，因此采用混合气体保护效果较好。现在也有采用Ar-O2，N2-O2等气体进行铝合金激光焊接的研究越来越多。
五、先进的铝合金激光焊接技术 1.铝合金的激光-电弧复合焊
现在激光焊接铝合金还处于发展阶段，设备成本高、接头间隙允许度小、工件准备工序要求严等制约了纯激光焊接铝合金的应用。目前，激光-电弧复合焊在德国和日本等发达国家研究比较多，激光-电弧复合主要是激光与TIG电弧、MIG电弧及等离子体复合，分别如图
3、4所示。这种工艺在汽车制造业中已有一定的应用，如德国大众汽车公司的Phaeton前门上就有48处激光-M IG焊道，而且还可以用来焊接车体及轮轴。铝合金激光-电弧复合焊很好地解决了激光焊接的功率、铝合金表面对激光束的吸收率以及深熔焊的阈值等问题。这是因为焊接铝合金时，激光与电弧的相互影响，可以克服单用激光或电弧焊方法自身的不足，产生良好的复合效应——两种热源同时作用在一个相同区域的叠加效应——高的能量密度导致了高的焊接速度，显著提高焊接效率。
图3 激光-TIG复合焊接铝合金原理图
图4 激光-MIG复合焊接铝合金原理图
2.铝合金的双光束激光焊接
单束激光焊接铝合金时，由于小孔的塌陷而容易产生气孔。李俐群[10]等学者研究表明，采用如图5所示的双光束焊接铝合金，焊缝成形美观、无飞溅或凹坑等缺陷，对焊接参数适应性更好;等离子体稳定性提高;气孔大大减少。这是因为采用双光束激光焊接时，第一束激光产生熔池，并对焊接区域附近进行预热积累热量。当第二束激光照射该处时，更多的母材能够熔化，从而使得形成焊缝更宽。同时，第二束激光能把第一束激光形成的小孔后壁气化，防止其塌陷，大大减小了形成气孔的几率。双光束激光焊接铝合金的技术已经在德国军用飞机EADS进气管的焊接上得到了应用。
图5 双光束激光焊接铝合金的原理图
3.铝合金激光填丝焊技术
在新兴的铝合金焊接技术中，搅拌摩擦焊需要针对被焊母材的形状和接口要求设计专用夹具，铝合金激光填丝技术则解决了对工件装夹、拼装要求严的问题，而且用较小功率激光器就能实现厚板窄焊道的多层焊。另外通过调节焊丝成分，改善焊缝区组织性能，对裂纹等缺陷更易控制，显著提高铝合金焊接稳定性与适应性。铝合金激光填丝焊示意图如图6所示。
图6 铝合金激光填丝焊示意图
六、铝合金激光焊接的前景展望
前面已经提到，日本和德国等发达国家已经开始将激光焊接铝合金应用于汽车制造业。由于铝合金具有高比强度、耐锈蚀、热稳定性好、易成形、再生性好和简化结构等一系列优点，在汽车业中倍受青睐。大量的对比研究和反复实践证明，选用铝合金材料是实现汽车轻量化的有效途径。减轻汽车重量以降低能耗、减少污染、提高燃油效率，这是解决汽车节能和环保问题的最有效的措施。而激光焊接技术效率高、热影响区小、能获得良好的接头质量。在铝合金颇受汽车业青睐的大环境下，激光焊接铝合金将会成为越来越成熟的工艺，并被推广至船舶制造行业和航空航天产业。其实，上文也已经提到过，欧洲的空中客车已经在使用激光焊接铝合金的技术部分取代传统的铆接技术。这种自动化程度极高、质量稳定的焊接方式甚至能够满足载人航天和可重复使用航天器对焊接结构的可靠性提出了更高的要求。我们可以预见，铝合金激光焊接技术在近几年将成为航天焊接研究领域工作者热点之一。
科技文献检索作业
题目：激光焊接技术的应用及发展班级：姓名：学号：
激光焊接技术的应用及发展
高伟
(沈阳工业大学 材料科学与工程学院 辽宁 沈阳)
摘 要：激光焊接作为一种新型的焊接方法，已经在越来越多的领域得到广泛的应用。本文对激光焊接技术的概况、国内外激光焊接技术的研究现状、激光焊接技术的应用、激光焊接技术的发展等方面进行了综述。希望对激光焊接技术的应用和发展有一个比较全面的了解。
关键字：激光焊接技术 应用领域 发展
Abstract: As a new technology, laser welding is widely applied in mangy fields. The general situation of laser welding technology, the research situation of domestic and foreign laser welding technology, application of laser welding technology and the development tend of laser welding technology are summaries in this paper. Through this paper we get a quite comprehensive understanding to the laser welding technology application and development. Key words: laser welding, application fields, development 引 言
激光焊接作为一种新型的焊接技术已被广泛的应用于IT、医疗、电子、汽车、机械和航天等行业，为优质、高效、无污染和低成本的现代加工生产开辟了广阔的前景。由于具有很高的适应性、很强的加工能力以及更加先进的质量检测手段，激光焊接在许多行业已经逐步取代了一些传统的焊接技术。
1激光焊接技术的概况
目前激光焊接是激光工艺技术应用的核心内容,同样是目前大力发展的一种焊接技术。一些国外发达国家早已将激光焊接技术应用于工业生产方面,而国内在开发激光焊接技术的时候,州门还要拟定起一个匹配于我国工业的发展规划书。随着工业制造的持续发展,高效的加工技术将会是未来工业发展的必然趋势,而激光焊接则符合这一发展趋势。通过长期实践我们总结出,激光焊接在加工业的应用面非常宽,激光焊接术较之常规焊接技术其焊接品质更高,月加工更有效率。
激光焊接的特点是被焊接工件变形极小,焊接深度/宽度比高,热影响区小,因此焊接质量比传统焊接方法高,它们在工业上的应用越来越广泛。激光焊接还具有不受磁场的影响,不局限于导电材料,不需要真空的工作条件并且焊接过程中不产生X射线等优点。随着制造部门把自动化技术应用到焊接过程,激光和计算机控制的结合能够更好更精确地控制焊接过程,从而提高产品质量。保证激光焊接的质量,也就是激光焊接过程监测与质量控制也已成为激光利用领域的重要内容,包括利用电感、电容、声波、光电等各种传感器,通过电子计算机处理,针对不同焊接对象和要求,实现诸如焊缝跟踪、缺陷检测、焊缝质量监测等项目,通过反馈控制调节焊接工艺参数,从而实现自动化激光焊接。激光可以用于对很多材料的焊接,碳钢、低合金高强度钢、不锈钢、铝合金和钛合金等都可以用激光进行焊接。一般来说,激光焊接的速度跟激光功率成正比,也受到工件的材料类型和厚度的影响。激光焊接的应用也随着激光焊接技术的发展而日趋广泛,目前已涉及航空航天、武器制造、船舶制造、汽车制造、压力容器制造、民用及医用等多个领域。 2激光焊接技术的研究现状
目前,国内一些激光设备与生产单位主要生产kW级的CO2激光设备和1 kW以下的固体YAG激光设备。对激光焊接研究主要集中在激光焊接等离子体形成机理、特性分析、检测、控制、深熔激光焊接模拟、激光-电弧复合热源的应用、激光堆焊、超级钢焊接、水下激光焊接、宽板激光拼焊、填丝激光焊、铝合金激光焊、激光切割质量控制等。
清华大学彭云等人分析了超细晶粒钢的焊接性及激光焊接的特点,进行了400 M Pa和800 M Pa 2 种超细晶粒钢的激光焊接试验,并与等离子弧焊接、MAG焊接进行了比较。无论是碳钢或经合金强化的高强度钢,还是通过特殊冶金加工的高强度钢,在快速加热和冷却的激光焊条件下,一方面接头的硬度大大高于母材,使接头易产生裂纹;另一方面激光的再热作用使HAZ出现软化区。目前,对于高强度钢激光焊接性方面的研究还不足,其应用还缺少更多的数据,需进一步深入研究。
相关资料显示,激光的高能量密度不但可以融化金属,且还能够将金属完全汽化,而金属在气化后与激光束接触,就会出现等离子体。等离子体可以吸收激光束,同时还能够将激光进行反射,这样就会导致光斑聚焦发生偏移,这在很大程度上都影响着激光的焊接质量。因此控制等离子体,尉罢在激光焊接技术的主要问题。近年来国外开发了激光摆动法,其理论为将光束沿悍接方向反复摆动,时间在匙孔出现后和等离子体出现前,这样有效的防止了等离子体的出现。而相关资料显示,等离子体的内质密度为影响激光束传输的核心要素,其可以经磁场辐射遏制等离子体对激光束的屏蔽效应。
另外,我们还进行了一些难熔金属的焊接,如钨、钥、祖等,这些金属的熔点都在2600℃以上,用传统的焊接方法成品率低且质量不能保证,用激光焊接不仅工艺简单,而且成品率均在98%以上。对熔点温度相差很大的两种不同的金属进行激光焊接,例如铜和铁、钢和金、铬和钦、铁和钥、镍和铂等,都可收到很好的效果。激光焊接作为一种特殊的焊接工艺,正逐渐被人们所认识和使用,随着我国改革开放的不断深入,激光焊接技术一定会得到瞩目的发展。
3激光焊接技术的应用
伴随工业激光器的研发以及相关学者对焊接技术的研究,目前此技术已被广泛应用。不过因成本问题,应用激光焊接的基本都是量产焊接的行业,七以口造船业以及汽车制造业等等,同时很多投资较大的特殊行业也会应尾激光焊接技术。在欧美地区,激光焊接已被汽车业以及金属加工业所广泛应用二而在中国,激光焊接术还仅仅被应用在电气等工业。现阶段很多发达国家的主要绍齐来源都要依附于汽车工业,很多发达国家平均每年的汽车出产量少则数千万计,所以,制造技术的完善及发展,始全绪日是相关学者的主要研究课题。利用激光焊接技术,能够有效的控制车体的质量,而且还在很大程度上提高了车身的强度,最主要的是降低了汽车的生产成本。
近年来激光焊接技术已应用于造船领域,一般的船用板材都需要达到一定的厚度,且焊缝较长,所以焊接后的翘曲以及变形为造船业的一大问题。相关资料显示,通过普通焊接工艺,大概有四分之一的工作量都应尾到了船板的整型中。因为激光焊接有较高的能量密度,同时光斑范围较小,热影响范围较常规的弧焊要小很多,焊后无显著的变形从而激卿旱接技术十分适用于造船业。通过激光对塑料施焊,在发达国家已是非常成熟的技术,而此技术在国内正处于发展中。常规塑料焊接基本都是以高频焊、热熔焊以及振动摩擦焊为主,上述焊接技术难以达到那些结构繁琐、加工精度高领域白舫目关要求。 3.1激光焊接技术在汽车制造上的应用
工业上的激光焊接技术是目前激光工业中的第三大领域,在当今社会中已有大幅度的增长和广泛的应用。特别是在制造业的汽车产亚上,车身的部件大部分采用了激光的焊接技术,已取代我国传统的电阻电焊技术。激光焊接技术在国内外都有广泛的应用。例如日本本田汽车车门框和各种材料上的激光焊接。美国的福特汽车的中央门柱焊接技术。通过几个案例可以表明激户己焊接技术在汽车车身的制造上是非常可取的。激光技术不断随着社会改革发展而增加扩大范围,激光在工业上的用途也有了大幅度的提升。德国奥迪、奔驰、大众、瑞典的沃尔沃等欧洲的汽车制造厂早在20世纪80年代就率先采用激光焊接车顶、车身、侧框等钣金焊接,20世纪90年代美国通用、福特和克莱斯勒公司竟相将激光焊接引入汽车制造,尽管起步较晚,但发展很快。意大利菲亚特在大多数钢板组件的焊接装配中采用了激光焊接,日本的日产、本田和丰田汽车公司在制造车身覆盖件中都使用了激光焊接和切割工艺,高强钢激光焊接装配件因其性能优良在汽车车身制造中使用得越来越多。 激光焊接还广泛应用到变速箱齿轮、半轴、传动轴、散热器、离合器、发动机排气管、增压器轮轴及底盘等汽车部件的制造,成为汽车零部件制造的标准工艺。应当看到我国一些汽车制造厂家已经在部分新车型中采用激光焊接技术,而且从激光焊接技术本身研究的角度看,我国一些科研院所在一些具有特色的领域取得了具有特色的成果。随着我国汽车工业的快速发展,激光焊接技术一定会在汽车制造领域取得丰硕的成果和广泛的应用。
在电子工业中对激光焊接技术需求也是必不可少的。主要应用在显像管的电子枪,且在这方面上获得不错成绩,在日本的东芝公司中已成功的将焊接显像电子枪装配到线上。我国有几个厂家也应用了,华中理工大学所研发出来的激光焊接电子枪设备。另外,激光的焊接在续电器、电路引线、计算机配件中获得较大成功。 3.2塑料激光焊接的应用
激光焊接是一项无振动焊接技术,因此它特别适合用于鼠标、移动电话、连接器等加工精密的电子元器件,以及那些需要以更清洁的方式来熔接的复杂部件,例如含有线路板的塑料制品、医疗设备等。在汽车工业中,激光焊接塑料技术可用于制造很多汽车零部件,激光还可以将塑料薄膜焊接在一起,操作过程可以完成的非常快。
塑料激光焊接技术是一种变革性的短流程、数字化、知识化、绿色环保、先进的近净成形新技术，正在成为激光焊接领域的一个热点;它具有成本低、速度快、加工方便、原材料适用范围广、实现精密数控容易、结合性和工艺性好等许多优点$并且以其十分独特的技术和经济优势弥补了常规塑料连接方法的不足。在未来几年，中国将有可能成为全球最大的塑料产品市场要使激光焊接技术在塑料材料高品质，高附加值的加工领域获得应有的地位，这样塑料激光焊接技术所带来的巨大经济效益和社会效益是毋庸置疑的。 3.3激光焊接在船舶制造上的应用
船舶制造中，钢板从储存、运输到下料切割、装配焊接等一直是增加变形的过程，特别是焊接，钢板变形影响很大。很多船厂花费大量人力物力用于焊接变形的火工校正工作。据统计，单船焊接费用占到整个船体制造费用的30%以上。现在船东、船检对船舶的质量要求提高，特别是豪华游船，船体外观要求很光顺，而船厂为达此要求花费很高。而使用激光焊接，速度快，变形小，焊缝窄，光顺美观，节省了大量后续校正工作。激光焊接不仅是制造工艺上的变化，而且也带来了船体结构上的创新和变化。例如，美国在最新建造的新型船舶上广泛使用高强度、低合金钢的T形构件，通过激光焊接技术的采用，令船舶的重量大幅降低。船用复杂结构如“三明治”板、T型和I型结构等，传统焊接方法的热输人量大，易引起工件严重变形、热影响区性能下降等问题;此外“三明治”结构是在两层薄板间加不同形式的撑板来实现整体结构的强度提升和重量减轻，弧焊方法难以完成。采用激光焊接技术这些问题都可解决.激光焊接技术可改进船舶设计的理念、减轻船舶的重量、降低船舶制造成本等。在欧洲，激光焊接已应用于护卫舰、轻型巡洋舰、大型游艇的焊接，它能够提高板的有效载荷，满足轻型设计要求，同时具有较高焊接速度。 3.4其他领域
在其他行业中，激光焊接也逐渐增加，特别是在特种材料焊接方面，我国进行了许多研究，如对BT20钛合金、HE130合金、Li-ion电池等激光焊接。德国玻璃机械制造商Glamaco Coswig公司与IFW接合技术与材料实验研究院合作开发出了一种用于平板玻璃的激光焊接新技术。
4激光焊接技术的发展
目前,在激光焊接技术研究与应用方面处于世界领先水平的国家有德国、日本、瑞士和美国等国。横流连续CO2激光加工设备的输出功率可达20kW,脉冲N d∶YAG激光器的最大平均输出功率也已达到4kW,并且实现了纳秒级的脉冲宽度。激光焊接能够实现的材料厚度最大已达80mm,最小为0.05mm,大部分材料的激光焊接质量均超过传统焊接工艺。激光焊接技术正朝着低成本、高质量的方向发展,具有很大的发展潜力和发展前景。可以预料,激光焊接工艺将逐步占据焊接领域的主要位置,并取代一些传统落后的焊接方法。 5结束语
激光焊接技术是集激光技术、焊接技术、自动化技术、材料技术、机械制造技术及产品设计为一体的综合技术。汽车工业的发展对焊接质量提出了更高的要求。激光焊以其高能量密度、深穿透、高精度、适应性强等优点,在汽车工业中充分发挥了其先进、快速、灵活的加工特点,不仅在生产率方面高于传统焊接方法,而且焊接质量也得到了显著的提高。激光焊接技术发展到今天,其逐步取代电弧焊、电阻焊等传统焊接方法的趋势已不可逆转。在未来的21世纪中,激光焊接技术在材料连接领域必将起到至关重要的作用。
随着技术和工艺方法的不断进步,激光作为非接触柔性制造工具的特性将体现得更为明显。激光制造必然成为便捷高效、绿色环保、节能降耗的先进制造技术,促进我国工业领域的技术进步和产品技术改造,满足国民经济尤其是制造业的发展需要。
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