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佛山市中恒三禾激光科技有限公司
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摘要：簡要介紹了激光及激光器的原理和發展狀況，比較了幾種常用的焊接激光器；指出激光焊接機器人和激光電弧復合熱源焊接是激光焊接技術的發展方向；列舉了激光焊接技術在現代工業中的應用。
關鍵詞：激光；焊接激光器；激光焊接機器人；復合焊接
前言
激光是20世紀以來，繼原子能、計算機、半導體之后，人類的又一重大發明。激光指在能量相應于兩個能級能量差的光子作用下，誘導在高能態的原子向低能態躍遷，并同時發射出相同能量的光子。其產生的基本條件包括泵浦源、激活介質和諧振腔等。激光具有方向性好、單色性好、相干性好和光脈沖可以極窄的特點。
愛恩斯坦于1917年就已經提出了受激發射的基礎理論，但真正具有應用價值的激光器的出現卻遲后了幾十年。1960年第一臺紅寶石激光器出現，1983年1 kW CO2氣體激光器首次上市，1990年出現了10 kW CO2氣體激光器，1993年1kW Nd:YAG固體激光器首次上市，1994年2kW Nd:YAG固體激光器上市，1995年3kW Nd:YAG固體激光器上市，同年出現30kW CO2氣體激光器。近年來，不斷有不同類型的大功率激光器的上市。目前在焊接領域能實用的CO2氣體激光器的最大功率約為30 kw，固體激光器約為10 kw。
1 焊接激光器
由于激光具有非常好的優點，上世紀70年代，激光技術就已經開始在焊接領域應用，目前在焊接方法領域的研究比例中，激光焊接約占20％，僅次于氣體保護焊。焊接用激光器要求功率密度高（104 -1015 W/cm2）、功率密度分布呈基模態、光束質量好。常用的焊接激光器主要包括如下幾種：CO2氣體激光器、Nd:YAG激光器、光纖激光器、碟形YAG激光器和半導體陣列激光器等。表1為幾種焊接激光器性能參數的比較。
表1 幾種焊接激光器性能參數的比較
|
|
CO2激光器 |
燈泵浦Nd:YAG |
激光泵浦Nd:YAG |
光纖激光器（激光泵浦） |
碟型激光器（激光泵浦） |
半導體激光器 |
|
激光介質 |
混合氣體 |
晶體棒 |
晶體棒 |
光纖（鐿） |
晶體薄碟 |
半導體陣列 |
|
波長nm |
10,600 |
1,060 |
1,060 |
1,070 |
1,030 |
800~960 |
|
光束傳輸 |
鏡片 |
光纖 |
光纖 |
光纖 |
光纖 |
鏡片 |
|
輸出功率kW |
20 |
4 |
6 |
10 |
4 |
6 |
|
光束質量mm.mrad |
25 |
12 |
12 |
5 |
2.5 |
80 |
|
能量效率% |
10 |
3 |
10 |
20 |
20 |
35 |
2 激光焊接機器人
將激光用于焊接機器人是激光焊接的一種重要形式。焊接機器人具有多自由度、編程靈活、自動化程度高、柔性程度高等特點，是焊接生產線的重要組成部分。將激光器安裝在
焊接機器人上進行焊接，大大提高了焊接機器人的焊接質量和適用范圍，在船板、汽車生產線中激光焊接機器人具有越來越重要的地位。圖1為CO2激光焊接機器人進行焊接的示意圖。
圖1 CO2激光焊接機器人
3 激光電弧聯合焊接法
激光焊接具有焊縫深寬比大、熱影響區窄、焊接速度快、焊接線能量低、焊接變形小、聚焦后的光斑直徑?。?.2~0.6 mm）和能量密度高（106 W/cm2）的特點，但是對焊接接頭裝配精度和間隙要求高，焊縫易出現氣孔、裂縫和咬邊等缺陷，設備投資大，能量轉換效率低。而常規的熔化極電弧焊雖然焊接速度慢、焊接線能量大、熔深小、熱影響區大、焊接變形大，但是設備投資小，對間隙不敏感，能填充金屬。因此，近年來激光焊接的發展趨勢之一就是采用激光＋電弧的聯合焊接方法，將激光和電弧兩種熱源的優點集中起來，彌補單熱源焊接工藝的不足。圖2為激光和電弧復合熱源的焊接示意圖。圖3為三種焊接條件下的焊縫熔深的對比，上面那幀圖像為電弧焊的熔深、中間為激光焊的熔深、下面為激光＋電弧復合熱源的熔深，從中可以看出，復合熱源的焊縫具有很好的焊縫熔深和深寬比。
圖2 激光+電弧復合熱源焊接示意圖
圖3 三種焊接條件下的焊縫熔深
目前激光-電弧聯合焊的種類主要有如下三種：
(1) 百瓦級激光能量+電弧復合。熱源顯示為電弧的特性，激光功率能量比較?。èQ500W），激光主要起穩定和壓縮電弧、提高電弧能量利用率的作用，多用于激光+TIG的復合焊接，比較適合薄板焊接。
(2) 千瓦級激光能量+電弧復合。熱源兼有激光和電弧的特性，能夠充分利用二者的優點，多用于激光+MIG/MAG的復合焊。適用于鋁合金、鎂合金、碳鋼、低合金高強鋼、超高強鋼等材料的焊接。
(3) 萬瓦級激光能量+電弧復合。熱源顯示激光的特點，具有較大的焊縫深寬比，大多采用大功率的CO2激光與MAG焊的復合，難以實現全位置柔性化焊接，主要用于船板等大厚板的焊接，設備投資較大。
圖4為采用復合熱源進行5 mm鋼板焊接的效果圖，激光器采用功率為4kw的YAG激光器，電弧焊的電流為290 A，電壓為29 V，焊接速度可達到3 m/min。圖5為復合熱源進行5 mm鋁合金焊接的效果圖，同樣采用4 kW的YAG激光器，電弧焊的電流為162 A，電壓為24 V，焊接速度可達2.5 m/min。焊接質量、焊接速度等方面明顯優于單熱源焊接的結果。
圖4 復合熱源進行鋼板焊接的效果圖 圖5 復合熱源進行鋁合金焊接的效果圖
綜上幾點，激光-電弧復合熱源焊通過兩種方法的優勢互補, 達到了1+1>2的效果。 主要優點如下：
(1) 焊接能量集中，焊接速度快，熔深大，比激光焊和電弧焊都好；
(2) 電弧過程穩定，即使是在小電流條件下如15A的情況下也能穩定焊接；
(3) 焊縫成型美觀，變形小，焊后矯正量小，比激光焊好；
(4) 單位線能量低，焊接變形小，與激光焊相當；
(5) 對接頭間隙不敏感，比激光焊好很多；
(6) 可以通過焊絲改善焊縫的性能，比激光焊好；
(7) 大擴大了激光在工業中的應用范圍，促進了焊接自動化程度。
4 激光焊接在工業中的應用情況
隨著大功率激光器的出現，激光焊接在機械、汽車、造船、航空航天、鋼鐵、海洋工程、零件表面修復等工業領域獲得了日益廣泛的應用。目前歐美及日本的一些造船廠已經采用激光焊接技術，具有典型代表意義的是德國的Meyer造船廠已經全部采用激光電弧聯合焊接方法進行輪船的焊接。下面以一組圖片展示激光焊接在工業中的應用情況（見圖6，圖7，圖8，圖9）。
圖6 激光焊接用于德國Meyer船廠船舶生產 圖7 激光焊接用于寶馬汽車生產
圖8 激光焊接用于海洋管道生產 圖9 激光焊接用于1.5噸活塞桿的修復
5 總結
(1) 激光焊接技術是先進制造方法之一，可能取代現有的熔焊及火焰切割方法，甚至部分機加工方法。
(2) 激光焊接機器人及便攜式激光焊接機是激光技術的重要方向。
(3) 激光電弧聯合焊是一種具有重大前途的工藝方法。
(4) 研制大功率先進的激光器，將是發展激光焊接、切割及加工的重要方向。