激光焊接技术的应用研究进展与分析

刘浩东，戴京涛

海军航空大学青岛校区航空机械工程与指挥系，山东 青岛 266041

0 前言

激光焊接是指利用高能量密度的激光束聚焦后照射材料的待连接处，使材料表面因吸收高强度的激光能量而熔化，然后通过在激光离开后冷却固化实现材料焊接的方法。其具有焊接性能优越、焊接变形小、焊接质量稳定、焊接速度快、自动化程度高及可实现难焊材料的焊接等优点［1-2］。

激光焊接技术作为一种先进的加工再制造手段，在现代航空航天、国防领域以及国家建设中扮演着越来越重要的角色［3-8］。对激光焊接技术进行研究具有重要的理论价值和现实意义。文中在大量研究国内外激光焊接技术相关文献报道的基础上，对不同激光焊接的研究现状进行了总结分析。

1 激光自熔焊接工艺

激光自熔焊接工艺是激光焊接的基础工艺，其以高能量密度的激光束作为热源，作用于待焊材料并引发其产生固液相变从而实现待焊材料的原位连接，被焊材料在焊接过程中因高温汽化而在基体表面产生的气流波，对接头有清洁作用。激光自熔焊接属于非接触焊，具有抗电磁干扰、无污染的优点［9］。但由于激光自熔焊的光斑直径小，焊接热循环过程中的升温速度和冷却速度都极快，因此，对焊接过程中熔池温度场、流场以及温度场对材料的影响等方面的研究难度较大。同时，激光自熔焊接还存在焊接间隙适应性差以及对焊缝的成分和组织控制困难等问题［10］，因而行业内以激光自熔焊为基础研究开发了多种新型焊接工艺。

2 激光复合焊接工艺

激光复合焊接工艺又称为激光增强焊接技术，是指将激光焊接与其他焊接方法相结合形成的新型焊接工艺，其优点是能够充分发挥相应焊接方法的优势并避免各自的不足。

激光复合焊接技术中应用最为广泛的是激光电弧复合焊接技术，英国学者Steen［11］在20世纪70年代末最先提出该技术，并指出电弧对激光焊接具有能量增益的作用。Tusek等［12］对激光-电弧复合焊的研究表明，在合适参数下，该工艺能够得到比激光焊接工艺更加优异的焊缝质量。Birdeanu等［13］将脉冲Nd：YAG激光与脉冲TIG电弧进行复合后焊接3.0 mm厚度的奥氏体不锈钢，并分析了工艺特点和TIG参数对该工艺稳定性的影响。

激光-GMAW（熔化极气体保护焊）复合焊接工艺包括激光-MIG（熔化极惰性气体保护焊）复合焊和激光-MAG（熔化极活性气体保护焊）复合焊，其原理与激光电弧复合焊基本相同，区别仅是保护气体不同。与激光电弧复合焊相比，激光-GMAW复合焊接可焊更厚的板材，并且焊接的适应性和电弧的方向性也更好［14］。Sathiya等［15］利用CO2激光-GMAW复合焊接工艺焊接5 mm厚AISI904L不锈钢，研究了不同保护气对焊缝质量的作用规律。C.Roepke等［16］对激光-GMAW复合焊接的激光和电弧功率以及激光电弧的距离对DH36低合金钢的接头微观组织的影响进行了研究，发现在未改变接头微观组织形态的条件下，扩大激光-电弧的距离有利于增加铁素体的比例进而改善接头的力学性能。Zhao等［17］研究了光纤激光-GMAW复合焊接过程中易出现气孔缺陷的问题，结果表明，在熔池中通入适量的氧气可以抑制气孔缺陷的形成。

英国学者Walduck等［18］在20世纪90年代最先提出激光-等离子弧复合焊接技术。等离子弧焊的实质为具有压缩效应的钨极气体保护焊，其焊接稳定性和电弧能量均高于普通电弧，并且引弧电流较低，易于引燃，另外，其电极位于焊炬喷嘴中，可有效防止金属蒸气、熔池溅射以及其他污染物侵蚀电极［19］。近些年，Emmelmann 等［20］通过 2～4 mm 厚Q235B钢板激光-等离子弧复合焊接实验研究了不同焊接工艺参数的作用规律，发现该焊接工艺对焊接参数的变化非常敏感，工艺参数的轻微变化都会对焊接质量产生较大影响。Kim等［21］通过开展CO2激光-微等离子弧复合搭接焊镀锌板的研究，初步解决了溅射、接头浅层小坑及内部气孔等问题，并且其弧输入能量较激光-TIG复合焊降低约40%。

激光-搅拌摩擦复合焊接工艺是在搅拌头前部施加激光来预热工件，从而减小装夹力和推动力，并降低磨损和提高焊接速度［22-23］，可焊接熔点较高的材料。Able等［24］利用激光-搅拌摩擦复合焊接工艺对铝合金进行焊接，发现激光预热可降低夹具的夹紧力和扭矩，并提高焊接效率和减少搅拌头磨损。Merklein等［25］研究了1 mm厚DC04钢与AA6016铝合金激光-搅拌摩擦复合焊，得到了相似结论，并且钢铝结合界面处未观察到金属化合物相。

3 激光-场耦合焊接工艺

激光-感应加热耦合焊接不仅可以减缓焊缝冷却速度，抑制裂纹的出现，而且能够提高材料对激光的吸收率，从而增加焊接熔深［26］。Pinto等［27］利用激光-感应加热耦合焊接工艺对Q690E高强钢进行对接焊，解决了普通激光焊接存在的接头硬度过高的问题，有效地降低了熔合区硬度，但随着板材厚度的增加，硬度降低效率减弱。Chiang等［28］利用激光-感应加热耦合焊接工艺焊接3.6 mm厚IN-738镍基高温合金，发现通过粉末填充可以抑制焊缝疏松以及未焊满等缺陷，并且更易于得到无裂纹焊缝。

激光-电磁场耦合焊接是通过外加电磁场抑制激光等离子体的屏蔽效应并改善熔池的流场，从而增大焊接效率，提高焊接稳定性，改善焊接质量，该方法具有广阔的应用前景［29-30］。Bachmann等［31］对激光-电磁场耦合焊接工艺对熔池流场的影响进行了模拟，结果表明，外加磁场对熔池流场具有显著影响，并利用实验对模拟结果进行了验证。Schneider等［32］通过开展6 mm厚AlMg3板激光-电磁场复合焊接实验，分析了激光照射点在磁极间的位置对焊接质量的影响，结果表明，在最优工艺参数下，气孔数量下降80%，表面粗糙度下降50%。Bachmann等［33］模拟分析了稳态磁场对熔池边界的热毛细对流和自然对流等的影响，结果表明，当磁场强度为80 mT和135 mT时，磁场可以抑制熔池的重力下垂现象。

激光-振动场耦合焊接是基于振动时效发展起来的焊接工艺，可归类为振动焊接［34］。该工艺的基本原理为利用振动场破坏熔池表面的等离子屏蔽，从而增大对激光的吸收率，达到用较小的功率焊接材料的目的［35］。陈轩等［35］进行了激光-振动场耦合焊接工业纯铁的实验研究，结果表明，施加高频振动可增加焊接熔深，并细化焊缝晶粒。何晓峰等［36］开展了激光-振动场耦合焊接不锈钢的实验，研究了焊接速度和振动频率对接头宏观形貌、微观组织及显微硬度的影响，结果发现枝晶的数量和大小均得到抑制，等轴晶的数量增加，晶粒尺寸减小而显微硬度增大。彭必荣等［37］开展了激光-振动场耦合焊接316不锈钢实验，研究了不同振动频率和焊接速度下的接头组织，结果表明，柱状晶得到细化，并且焊后奥氏体的晶界处产生的网状高温铁素体和点状碳化物明显减少。

激光-超声场耦合焊接工艺是在普通振动场（低频和高频）与激光耦合的基础上进行改进得来的一种新工艺，由于激光焊接熔池的存在时间极短（约2 ms），一般的机械振动频率远小于激光熔池的存在时间，因此对激光焊接熔池的凝固行为的影响具有相当的局限性，而超声场的振动频率在20 kHz以上，对激光焊接熔池凝固行为的影响更为有效。刘浩东等［5，38］开展了超声场辅助激光焊接TC4钛合金工艺的研究，结果表明，焊缝组织的晶粒度较普通激光焊接细化约15.8%，焊件的残余变形降低约50%，并且接头的组织形态更加均匀。

4 激光填丝焊接工艺

针对激光自熔焊存在的焊接装配间隙适应性差、焊缝无余高以及无法控制焊缝合金成分等问题，国外学者开发了激光填丝焊工艺，并取得了大量研究成果。

Dilthey等［39-40］研究了激光填丝焊技术对装配间隙的适应性，分析了填丝量与装配间隙之间的关系及其对熔池冶金的作用。Coste等［41］利用处于较低摆动频率的激光束为热源，根据预先检测的间隙量，通过实时改变送丝量形成了无凹陷焊缝形貌。Salminen等［42］开展了对接间隙 1 mm、厚度 6 mm St52/37板材的激光填丝焊实验，发现焊接速度、送丝速度以及激光功率等对焊接质量的敏感性较无间隙填丝焊均显著降低。Ohashi等［43］采用可提供宽热源分布的组合热源，提高了焊接装配的最大间隙。Alexandre等［44］采用激光填丝焊开展了6016铝合金与镀锌板的异种金属焊接试验，并利用“Tagu‐chi”法获得了钢铝异种金属激光填丝焊的最优工艺参数。Tommi等［45-46］使用额定功率为 3 kW 的 Nd：YAG激光器，通过在窄间隙坡口进行多道激光填丝焊实现了20 mm厚奥氏体不锈钢的焊接。

当未对焊丝进行加热时，激光的部分能量将作用在焊丝上，导致焊接速度降低，故引入激光热丝焊工艺。该工艺减少了焊丝对激光能量的消耗，使焊接速度得到显著提高。Mathieu等［47］分别开展了钢铝激光热丝焊接和冷丝焊接实验，结果表明，增大热丝电流可提高送丝速度，并且填充热丝的焊接试件的抗拉强度大于普通激光填丝焊。Yamamoto等［48］开展了1 mm厚高强钢板的大间隙（1 mm）激光热丝大间隙焊接试验，分析了送丝角度和落点以及焊丝的加热电流等参数的作用效果，结果表明，电流存在最佳变化范围，最佳的送丝落点位置为距熔池后缘3 mm处，送丝与光束的最佳角度为70°。李俐群等［49］开展了厚板高强钢激光热丝焊接的研究，解决了普通激光填丝焊易出现的焊缝侧壁与焊层间存在熔合不良的缺点。温鹏等［50］进行了10 mm厚不锈钢的窄间隙激光热丝焊的研究，结果表明，焊丝的加热电流对焊接稳定性和焊接效率均有较大的影响。

5 激光填粉焊接工艺

由于激光填丝焊工艺对送丝机构的精度和稳定性要求高［51］，并且容易发生粘丝和顶丝等问题，同时其涉及的工艺参数较多，操作较复杂，故而大批量的应用受到诸多限制。为规避上述缺点，激光填粉焊工艺应运而生，相关研究表明［52-53］，激光填粉焊具有焊接柔性高、粉末分布规律、覆盖范围大且落点和合金成分便于控制等优点。

Shannon等［54］研究表明，同轴填粉焊接的装配间隙能够达到试件厚度的20%。Oztoprak等［55］研究了利用填充司太立合金粉对铜进行激光焊接，粉末在试件上部1.5 mm处熔化并过渡至试件表面而形成熔池，解决了铜的高反射带来的焊接问题，但焊缝的边缘位置稍有不规则。Pelletier等［56］研究了利用填充奥氏体不锈钢粉末对铜板进行激光焊接，结果表明，接头的硬度介于不锈钢与冷轧铜板之间。徐磊等［57］开展了镀锌钢激光填粉焊接实验研究，通过提高送粉速度有效地改善了焊缝塌陷，但缺点是接头表面存在未熔颗粒与部分孔洞。邹宇峰等［58］通过激光填镁粉末实验缓解了普通激光焊接5052铝合金时存在的镁元素烧损的问题，使焊缝强度提高约36%。杨武雄等［53］进行了高强铝合金激光填粉焊接的实验研究，减少了焊缝的气孔和热裂纹等缺陷，并使接头的拉伸强度提高了约15%。张盛海等［59］开展了2219铝合金激光填粉焊接的实验研究，结果表明，粉末的添加使激光的功率阈值下降50%，并且焊缝的成形、饱满度及余高等均有所改善，另外，焊接过程中的等离子体相较普通激光焊接更为稳定。王涛等［60］对激光填充硅粉焊接异种金属低碳钢与铝合金进行了实验研究，结果表明，硅粉可以改善熔池的流动性，使熔融金属更易于铺展在结合界面，并且可以抑制金属间化合物（Fe-Al）的生成。

6 激光双光束焊接工艺

激光双光束焊接工艺于20世纪80年代被提出，其系统是由互成一定角度的两束激光合成，或由一束激光经分光器分为两束平行的激光。该工艺的研发是为提高焊接稳定性及对焊接装配间隙的适应性，从而达到提高焊接质量的目的。

Glumann等［61］研究了光束间距和两激光束功率比对焊缝的深度和宽度的影响，结果表明，在束间距分别为1 mm、10 mm、20 mm时，焊缝的宽度和深度改变非常微小。Narikiyo［62］利用互成特定角度的两束Nd：YAG激光开展了304不锈钢的焊接实验，发现两激光束均会产生各自的匙孔，并且当激光束总能量或两光束间的夹角达到特定值时，熔池底部会出现两匙孔分离的现象。Chen等［63］开展了脉冲Nd：YAG激光与连续半导体激光复合焊接0.05 mm厚AA5052-H19铝合金的实验研究，结果表明，激光双光束焊接工艺可获得更大的熔深、更优的焊接质量以及高于母材约2倍的硬度。Iqbal等［64］基于激光双光束焊接工艺研究了一种新的焊接方法，可解决镀锌板搭接焊中熔池中易出现锌蒸气残留的问题，并认为该焊接方法在汽车工业中具有良好的应用前景。

由于双光束激光焊接在国内的研究起步较晚，目前还处于实验室阶段，工程中的应用和相关报道均较少。张澐龙等［65］对不同入射角工艺下的2099/2060铝锂合金T型接头焊接试验进行了研究，结果表明，降低激光功率和提高焊接速度能够有效地控制气孔缺陷。欧阳自鹏等［66］研究了双光束双侧同步激光焊接铝合金T型接头的稳定性，结果表明，蒸汽的反冲压力和重力以及表面张力的附加压力是维持焊接小孔稳定的主要作用力。

7 结论

文中综述了激光自熔焊、激光复合焊、激光-场耦合焊、激光填丝焊、激光填粉焊、激光双光束焊等焊接技术的原理，分析了各焊接过程的机理及相关影响因素，并着重介绍了各焊接技术的研究现状。需要特别说明的是，除了上文综述的一系列激光焊接技术外，还有诸多其他焊接技术，比如激光双光束填丝焊技术、激光电弧复合双面焊技术、负压激光焊接技术、活性剂激光焊接技术、热压激光焊接技术等，同时，随着时代的进步和技术的发展，新型的激光焊技术亦层出不穷，不同激光焊接技术具有不同的应用特点和领域，相关从业人员可根据特定的施工对象对焊材和焊接质量的要求，综合考量后进行选择使用。