雷射焊接技術最新研究進展及應用現狀？

與傳統焊接技術相比，雷射焊接（見圖1）具有能量密度集中並可調控，不與焊接的工件產生接觸，焊接效率高，焊後焊縫窄且強度高等優點，被積極應用於汽車、船舶、航空航天等裝備製造業領域中，並不斷向更多材料加工終端領域擴展。

世界各製造業大國為更好應對未來製造業競爭，相繼提出本國製造業升級換代的國家戰略，比較著名的為德國工業製造4.0和美國的工業網際網路，其積極地推出製造業產業升級的新政策，鼓勵製造業的技術創新並給予重點資助，其中雷射焊接作為高端裝備技術重要的一部分而備受關注。在激烈的技術研發競爭的同時，中國順應時代潮流，抓住歷史機會，不失時機的提出了「中國製造2025」，雷射焊接技術作為戰略新興技術，其引領製造業產業升級被提上日程。但是，雷射焊接「產、學、研」並不能很好地對接，存在一定局限性和不足，如在某些應用場合其不能很好地解決氣孔和飛濺等缺陷，單焦點雷射焊接作為熱源無法控制溫度循環等不足。根據焊接的現實需求，雷射焊接通過解決實際難題而提出了多種新的技術，如Imperial CollegeLondon的 W. Steen 教授提出了雷射-電弧複合焊接的思想。雷射-電弧複合焊接技術的發展在某種程度上彌補了單一雷射焊接的不足，擴大了雷射焊接的應用範圍。雷射與電弧的相互作用，發揮兩者的優點，降低了焊接間隙尺寸的要求，減少焊接時出現的裂紋和氣孔，有利於提高焊接部位的性能。

迄今為止，雷射焊接技術已發展為多種種類，如熱傳導雷射焊、雷射深熔焊、雷射填絲焊、雷射-電弧複合焊、遠程雷射掃描焊以及雷射釺焊等多種類型，其發展出雷射焊接焊縫追蹤和高速攝像機對焊縫過程進行實時監測等中間過程控制，以及雷射焊接缺陷處理，其共同解決雷射焊的相關局限性和不足。

2 國內外研究進展

近年來，國內外的研究團隊從雷射的移動方式、熱源組合等角度不斷探索研究最合適的工藝參數，提高了多種雷射焊接方式的技術，包括雷射深熔焊、雷射-電弧複合焊接等。雷射焊接的研究不在流於表象，而是通過高速相機、光譜分析等現代表徵方法研究焊接的工藝特性，嘗試探索焊縫缺陷的形成機理。另一方面，雷射焊接的內在變化較為複雜，各研究團隊嘗試通過引進磁場、多電弧和電場等外部能量應用到雷射焊接過程中，重點研究其對改善焊縫的缺陷，提高其力學性能和焊接質量。

2.1 雷射焊接工藝研究

採用雷射焊接可以獲得高質量的接頭強度和較大的深度比，與傳統焊接技術相比，具有較大的功率密度，對難以焊接的材料有較好的焊接效果，能夠對不同性能的材料進行焊接。因此國內外學者對其進行了大量的研究。

國內對雷射工藝的研究主要集中於從各焊接工藝的焊接速度、雷射功率、離焦量、雷射脈衝波形和保護氣流量等參數上，並進一步對焊接接頭的力學性能、組織演變和調控等進行了深入研究。雷射壓力焊接是一種獨特的雷射焊接技術，該技術將雷射誘導加熱與傳統的平滾焊相結合。雷射壓力焊接的工作原理是：將需焊接的工件用雷射束局部熔化，然後在高壓下軋制產生焊接接頭。由於熔化區相對狹窄，避免了產生收縮和氣體腔等焊接缺陷，該技術還可用於連接薄板。北京工業大學雷射工程研究院黃婷副教授團隊研究了純鋁雷射壓力焊接過程中的組織演變，如圖2所示。該團隊研究了純鋁焊接過程中微觀組織演變的基本方面。通過深入分析雷射壓力焊接過程中試件的微觀組織，推斷出在軋制之前就開始了凝固過程，因此新結晶的材料經歷了塑性應變。

雷射-電弧複合焊接（見圖3）作為21世紀極具前景的加工方法，被許多學者深入研究。長春理工大學的張川通過調整工藝參數的方式，對於50CrV/SPHE 異種鋼的焊接工藝進行研究，分析對焊縫成形和熔滴過渡的影響，研究結果顯示雷射功率在 2800～3400W範圍內，焊絲受熱均勻，焊接過程穩定。華中科技大學的王磊將振蕩掃描與雷射-電弧複合焊接相結合，彌補焊縫的缺陷。採用橫向、縱向和圓形三種振蕩掃描方式焊接鋁合金材料，利用高速攝像機和光譜分析熔滴的變化，結果顯示圓形的掃描方式優化的參數範圍遠大於橫向和縱向，且可以促進和等離子體的相互作用形成直徑更小的熔滴，其有利於細化晶粒。等離子電弧的能量相比之下更加集中，北京化工大學的馮聰等人發現雷射-等離子電弧焊接在平板焊接方面對於間隙和錯邊有良好的適應性。

國外對焊接工藝的研究集中於改善焊接條件和引進外部能量。J.A. Francisa等為了探索該工藝應用於連接大型、安全關鍵的核部件的潛力，如蒸汽發生器或壓水堆（PWR）中的增壓裝置，採用真空雷射焊接技術，以150mm/min的速度，使用16kW的雷射，在兩個焊道中，生產SA5083級鋼的80mm厚焊縫。並介紹了真空雷射焊接的優點，以及與電子束焊接在工藝物理方面進行了比較。得出真空雷射焊接值得進一步發展，因為它為未來的核能建設計劃提供了重要的希望。Bunaziv I等人在採用光纖雷射-MAG複合焊接的同時考慮了冷金屬轉移脈衝（CMT+P）電弧模式，用金屬芯焊絲焊接45mm厚高強度鋼（對接雙面焊），比較了不同的脈衝方式和前後導弧對焊縫的影響。對比傳統的脈衝電弧焊，發現兩者都能提供高質量的焊接。但是CMT+P模式可以在有限的進給速度範圍內提供更穩定的熔滴轉移。

2.2 雷射焊接過程控制

雷射焊接技術是一種不需接觸的焊接技術，其速度較快，焊接效率更高，中間過程處理對焊接接頭的性能有重要作用。國內雷射焊接過程的控制（見圖4）主要集中於藉助光學器件對焊接的過程進行監控，比如採用雷射焊接焊縫追蹤和高速攝像機對焊縫進行實時監測。如黃磊等通過高速攝像機監控系統，實時在線監控雷射焊接DP780鍍鋅高強鋼的氣孔和飛濺形成過程，並從動力學的角度對氣孔逃逸路線進行了研究。

馬國棟等人將雷射焊接頭與CCD視頻跟蹤模塊集成在一起，提出一種採用一字線雷射進行自動化焊縫檢測的方法。該方法利用雷射三角測量法，得到焊縫的高度、寬度等形狀信息。如圖5一字雷射檢測原理，雷射焊接時，一字雷射垂直打在焊縫上，經待焊工件上表面的漫反射，成像在CCD像平面上。像平面上的每一焊縫特徵點將唯一確定待焊工件表面上的一點。在跟蹤算法方面，採用精度高、速度快的核相關濾波器目標跟蹤算法，分別對常見的直線型和曲線型焊縫位置進行跟蹤。實驗所得數據擬合曲線與焊縫形態誤差在5%以內，吻合度較高，實時跟蹤效果良好。

國外的研究主要對焊接的過程中添加外部能量和使用人工智慧模型對焊接進行模擬和預測等工作進行了細緻的研究。Haeusler A 等人通過使用附加的參數、振蕩頻率和振幅，並結合帶疊加圓周運動的線性饋電的空間功率調製方式，針對鋰離子電池和大功率電子器件的互連中使用到的銅材料焊接進行了研究。結果顯示，不僅可以增加連接面積，還可以增加雷射焊接過程的穩定性和焊縫的質量特性。在焊接某些特殊金屬時，焊料在熔池中並不能充分混合，導致焊縫中元素分布不均勻。德國的Ustundag O等人基於此進行了研究，他們利用振蕩磁場在熔池中形成非保守的洛倫茲力分量，以改善整個材料厚度上的元素分布。通過光譜法（EDS）分析兩種跟蹤元素（Ni、Cr）的分布，結果顯示當磁場向焊接方向旋轉30°時，焊料分布有了根本的改善。這一研究對於磁場在焊接方面的使用提供了數據支持。A. Belitzki等人提出了一種能夠最大限度地減小多焊縫複雜框架結構變形的方法，將人工神經網絡建立的元模型應用於雷射焊接的過程中，根據子區域內的焊接參數預測局部變形。利用遺傳算法有效地尋找出適合全局結構的焊接參數。結果表明，該方法能有效、可靠地識別出10億多個潛在參數組合中的畸變最小參數。

2.3 雷射焊接缺陷處理

雷射焊接的應用十分廣泛，但是焊接過程中常常伴隨著裂紋、焊接氣孔和飛濺等焊接缺陷。國內外對其進行了大量的研究，他們採用振蕩、脈衝等方式與雷射焊接相結合，在研究原理的同時，還重視與工業設備的結合，積極運用新的產品推動自身的研究，其研究具有很高的實用性。

國內的研究主要集中於如何解決雷射焊接的焊接接頭缺陷，對焊接缺陷的形成機理也進行了細緻研究。很多研究團隊通過仿真分析、掃描電鏡等方式研究熔池飛濺、菲涅爾吸收效應等問題。高功率的雷射照射在工作表面上，使材料迅速汽化並產生匙孔，所以熔池與匙孔的菲涅爾吸收效應決定了焊接的質量。焊接缺陷伴隨著雷射焊接的過程中產生，如圖6為雷射焊接鍍鋅DP780高強鋼產生的氣孔缺陷。湖南大學的彭南翔針對雷射深熔焊的匙孔和菲涅爾吸收進行了研究，發現雷射在匙孔中多次反射造成菲涅爾吸收總功率密度分布並不均勻，靠近匙孔底部孔壁上的密度要大於上方孔壁，而影響密度分布的重要因素就是雷射的反射。單焦點雷射焊接方式仍具有一定的局限性。比如無法控制焊接時的溫度循環，在焊接熱敏感性高的材料時，焊縫的內部容易出現裂紋等多種問題。為了穩定焊接過程，許多學者研究了雙焦點雷射焊。華中科技大學龐勝永等人研究了鋁合金在雷射雙焦點串行排布的方式下匙孔的穩定性及熔池內部的流動。其建立了關於鋁合金雙焦點雷射焊接的焊接瞬態熔池及熔池內部流動的耦合模型，採用光線追蹤法建立熱源模型，考慮了菲涅爾吸收效應、蒸汽反衝力及熔池內部流動等影響。研究結果顯示雙焦點雷射焊接更加穩定可控，匙孔的波動明顯弱於單雷射焊接的方式。

與國外相比，國內的研究針對雷射束的光束形態變化方面的研究較少，大多集中於改變雷射束的數量上而來對雷射焊接缺陷的研究。而國外的研究團隊嘗試使用了新型的光學元器件，嘗試探究匙孔坍塌和熔池飛濺的形成機理。國外一些學者也嘗試了新的工藝方法來改善雷射焊接的不足，如採用光束振蕩或雷射功率調製，來減少缺陷的發生。VolppJ等人採用了一種新開發的多焦點光束成形光學元件，該元件可在軸向產生多束腰雷射，在附加區域用於修改鍵孔中的能量輸入，以解釋飛濺形成的機理，並評估軸向光束成形在雷射深熔焊接過程中抑制缺陷的潛力。結果表明，在高強度的光照射下，可以有效地減少噴濺的數量，避免了鎖孔坍塌，保證了上部鎖孔段有足夠的能量輸入，可以減少液體飛濺。

3 雷射焊接的應用現狀

雷射焊接技術經過多年的研究和發展，其應用涵蓋了汽車、油氣管、電車設備等裝備製造業領域。本文主要介紹雷射焊接系統的核心零部件的應用及其材料加工方面的工程化應用。

3.1 雷射焊接系統核心零部件

（1）雷射器 雷射焊接系統中，最核心的零部件是雷射器，其用來產生雷射。雷射器的種類很多，但是其結構相同，即由激勵系統、雷射活性介質和光學諧振腔三部分組成。雷射器經過多年的發展，其性能已經有了很大的提高。雷射器有很多種，比如光纖雷射器、半導體雷射器、CO2雷射器等，如圖7所示。

國外的優秀雷射器企業還有Coherent、Trumpf等，其雷射器具有先天優勢，經過多年的研發和改進，其光束質量較高，光電轉換效率高，穩定性較好。半導體雷射器的光斑比光纖雷射器的光斑更加集中，功率分布更加均勻而且所用的能耗更低。比如TruDiode 系列的高效型半導體雷射器以最佳的應用結果、極低的投資成本和運行成本贏得用戶青睞。該雷射器提供最高數千瓦的穩定雷射功率。典型應用為深熔焊、熱傳導焊接、雷射金屬熔覆以及釺焊和塑料焊接，可達40%的高效率降低生產的運行成本。由於無需多餘的諧振腔結構，TruDiode 雷射器十分精巧。CO2雷射器是常見的氣體雷射器，可以利用CO2分子的能級結構得到不同波段的譜線輸出。在熱性能上優於固體雷射器，依靠氣體的流動可以累積大量的熱量，適合作為大功率雷射使用。

而國內雷射器發展具有後動優勢，經過多年的技術攻關，國內出現了一大批優秀的雷射器企業，如銳科雷射、創鑫雷射等優秀國產雷射器品牌，憑藉著優秀的雷射器產品、親民的性價比、產品本土化策略，其迅速獲得了較大的國內雷射器市場份額。如圖7b為銳科生產的準連續光纖雷射器，其功率較小，涵蓋75~300W，兼容性較好並具有更高的電光轉換效率、更好的光束質量、更少的維護成本，因此是雷射點焊、雷射縫焊等需要長脈寬、高峰值的工業應用理想選擇。

（2）雷射焊接頭 隨著雷射焊接技術的發展，雷射焊接頭也根據功能和需求而推出了多種類型的雷射焊接頭，如圖8所示，從左到右依次是最高可承受50kW功率的焊接頭、雷射振鏡掃描頭、焊接擺動頭雙光點 & 光束整形頭。

據實際的焊接需求，焊接頭設計並應用到實際的焊接加工場所，其提供了不同焊接要求的解決方案。比如雷射需要分出多束光來提高焊接效率，此時應用掃描振鏡焊接頭能夠有效地解決高效率的要求。如圖8的擺動焊接頭，其能有效改善焊縫內部和外觀質量，提高易產生缺陷材料的焊接性。

3.2 雷射焊接技術的工程化應用

雷射焊接從開始應用於汽車（見圖9）製造等領域逐漸向船舶、航空航天、半導體、電子行業和消費品拓展，由傳統的領域延伸到了更深入的多種多樣的材料加工終端應用領域。

在汽車製造過程中，雷射焊接技術主要用於車身不等厚板的拼焊、車身焊接和汽車零部件的焊接，通過採用雷射焊接技術，可降低車身重量並達到節能減排的效果、可降低汽車製造過程中的衝壓和裝配成本，提高車身的裝配精度、車身的剛度和汽車車身的一體化程度，進而提高汽車的舒適性和安全性。

雷射焊接在汽車工業的應用較為廣泛，如圖9b為國內某汽車零部件企業的車間，其車門進行雷射釺焊焊接，其使用較大的雷射光斑（2 ~ 4mm），雷射功率為 2 ~ 4kW，採用接觸式跟蹤對邊緣節點進行試校，焊後發現其焊縫相對其他焊接方法窄，有效提升了車身整體美觀性，經過試驗得出，相比普通焊接，其強度獲得了較大提升。

雷射焊接需要根據實際所需連接材料的性質選擇相應的保護氣體，且雷射焊接的速度較快、焊接效率更高、作業面積較小，加工工件形變小，某些情況下不需要進行消除殘餘應力的熱處理，在機械製造中採用雷射焊接技術可以極大地提高焊接產品的質量，提高製造行業的工作效率；雷射焊接技術滿足醫療器械製造過程的高潔淨性的要求，在焊接過程中不需要添加任何粘合劑，幾乎不產生焊渣和碎屑，因此雷射焊接技術的出現大大促進了醫療器械的發展；船舶所用的板材與普通機械產品的板材選取有著很大的差異，採用雷射焊接技術，可以有效地解決焊縫更長、船板出現翹曲變形問題。

雷射焊接過程處理的工程化應用覆蓋面比較廣泛，其可應用於焊縫定位、橫截面掃描、表面成形在線監測等。如圖10為基於相干幹涉成像技術的全新焊接全過程監測系統LDD-700，其3D成像模式使LDD-700適應不同工藝的齒孔幾何變化，這是一種精確深度測量的基本能力。強大的軟體支持定製化監測解決方案，滿足不同工藝需求。

雷射焊接在石油管道的連接也有廣泛的應用，使用機器人雷射焊接，不僅能提高焊接作業效率和提高焊接可靠性，還能提高焊接接頭質量。

經過多年持續聯合攻關，我國承擔的ITER校正場線圈（以下簡稱「CC」）全尺寸盒體超大功率雷射封焊技術於2018年7月在中國科學院等離子體物理研究所按期完成認證。作為線圈製造與集成中技術要求最高、挑戰最大的關鍵環節，該項技術的突破得到了國內外同行的高度評價，並被ITER國際組織官網綜合報導。同時，該項技術的突破不僅保證了ITER所有CC線圈製造與集成進度，更是實現了國內萬瓦級雷射焊接技術從實驗室走向工程應用的重要突破。在焊接結束後，通常採用特定的預變形或返工對工件進行處理來補償熱引起的變形。然而這些方法對於連接複雜結構是不可行的。因此，雷射焊接允許低熱負荷的材料，因為熱量是高度集中在時間和空間的。然而，熱輸入往往會造成相當大的元件變形和殘餘應力。複雜結構的熔焊連接往往受到熱致元件變形的限制，因為這往往意味著昂貴的措施。

雷射焊接作為一種先進的高能束焊接技術，具有無需真空環境且熱輸入集中、熱變形小、焊縫深寬比大、精度高、易於實現自動焊接等特點，被最終確定為最合適於CC線圈盒封焊的最佳方法。經過上百次焊接結構和工藝參數優化，近期中科院等離子體物理研究所使用20kW雷射焊接設備完成了CC線圈盒全尺寸原型件的焊接。檢測結果表明，焊縫質量完全滿足ISO 13919-1B級要求，盒體外形尺寸焊接變形≤2mm，盒內繞組表面溫度遠低於200℃，多項指標均滿足接收標準，如圖11所示。

4 總結與展望

雷射焊接從工藝加工、焊接過程處理和焊接缺陷解決的研究和工程應用獲得了較大的發展，從現有研究和工程實踐看，國內外學者主要從以下兩個方面來深化雷射焊接的研究並解決工業應用難題。第一，基於實際工業需求，研究雷射焊接過程中出現缺陷的原因，並不斷改進優化加工工藝參數，改善或者消除雷射焊接缺陷；第二，嘗試用磁場、振蕩等外來能量與雷射能量相結合，探求新的加工工藝，提高焊接穩定性並嘗試解決雷射焊接缺陷，提高焊接接頭的性能。

雷射焊接從最初的熱傳導雷射焊到現在多場耦合的雷射焊接研究，使得雷射的應用領域不斷擴大。雷射器的創新也在不斷進行，比如半導體雷射器在光電轉換效率上有所提升，而且能耗更低、光斑更加集中，逐漸成為新的雷射器的發展趨勢，國內外的學者也在不停研究新的雷射設備。隨著新型雷射裝備不斷突破創新，可以預見在不久的將來，雷射焊接技術的應用領域將不斷應用於更多材料加工終端領域，助力中國製造業的產業升級。