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焊接是工業(yè)界用來連接材料的一種工藝技術。隨著現(xiàn)代焊接工業(yè)的發(fā)展，材料工程中對材料連接的連續(xù)性、結(jié)構的整體性以及顯微組織的要求越來越高。如今，激光焊接技術比以往任何時候都變得更加重要，這是因為焊接易于控制，可以提高設計的靈活性，從而使得激光焊接技術可以利用一臺激光器來完成多項任務。激光焊接可以采用光纖傳輸也將激光焊接技術的應用帶入一個新紀元。這是因為光纖傳輸可以使得焊接幾乎可以在任何位置來實現(xiàn)，即使在激光頭不能到達的時候依然可以實現(xiàn)遠程焊接。此外，激光焊接同機器人相結(jié)合，減少了人工的應用，可以完全實現(xiàn)自動化和系統(tǒng)總成控制。激光焊接的理論研究和應用開始于1962年，從此以后，激光焊接的應用開始迅速的發(fā)展，并成為一種新穎的焊接技術而得到人們的接受和應用。如今，隨著激光設備價格的下降和性能的提升，激光在工業(yè)中的應用越來越普遍。

激光與材料的相互作用

由于激光具有單色性、相干性、定向傳輸和能量密度高等獨特的性質(zhì)，激光焊接的應用同其他連接技術相比，得到了廣泛的應用。激光聚焦的能量同電子束一樣，具有高能量密度。但卻又不同于電子束，因激光焊接可以在真空中進行，而電子束卻不行。而且，激光焊接時的能量傳輸是可控的、可調(diào)制的，從而使得即使是一臺激光器也可以實現(xiàn)多種用途。激光的用途非常廣泛，以材料的激光加工為例，可以實現(xiàn)熱處理、焊接、材料去除、合金化、熔覆、切割、鉆孔等，如圖1 所示。

圖1 材料的激光加工時激光可以實現(xiàn)的功能

激光焊接工藝

焊接是機械制造工業(yè)中進行制造生產(chǎn)的重要過程。但是，在傳統(tǒng)焊接工藝中，必須對出現(xiàn)的裂紋、夾渣、未熔合、未穿透、不可接受的焊接形狀、弧燒傷、飛濺、不理想的冶金變化、過度的變形和熱誘導應力等進行盡可能的降低和預防。而采用激光來進行焊接時，由于具有低的熱輸入、小的熱影響區(qū)、無需去瘤去渣、低的焊接變形、高的焊接速度、機械造成的材料損傷和工裝損傷、對震動和沖擊的抗力大、對熱敏感材料的損傷少，可靠性高等而成為非常有競爭力的焊接技術。

另外一方面，焊接的生態(tài)環(huán)境必須復合環(huán)境保護和衛(wèi)生標準，即復合ISO 9000， ISO14001和ISO18001等。但是傳統(tǒng)的焊接技術，如FCAW、SAW、SMAW、GMAW在焊接過程中會產(chǎn)生CO2、CO、NOx、O3以及有害的金屬蒸汽，如Mg、Ni、Cr、Co、Pb等。由于焊接工業(yè)的迅速發(fā)展，焊接造成的污染以及氣體粒子越來越多，而且這些粒子的顆粒又比較小，很容易被人體吸收。然而，這一狀況的存在對環(huán)境非常有害，且對焊接工人的審題也造成巨大的危害。

為了減少CO2的排放和石油化石能源的過度消耗以及保護環(huán)境和操作人員的身體健康，越來越多的更高性能的材料被開發(fā)出來并得到應用。如不銹鋼的應用、復合材料、超高強度鋼、鈦合金、鎂合金、鋁合金和高耐磨材料等，在應用時暨考慮到了環(huán)境友好的需要，也考慮到如何焊接的問題。電子束焊接、攪拌摩擦焊和超聲波焊接均屬于環(huán)境友好類型的焊接技術，這是因為他們的排放幾乎為零。前提是只需要按照操作規(guī)范來執(zhí)行就行。激光焊接也是一種環(huán)境友好型的生產(chǎn)工藝，其排放也幾乎為零。這是因為在現(xiàn)代焊接工業(yè)中已經(jīng)有有效的過濾系統(tǒng)來排煙和排塵過濾。

由于激光光源可以靈活的進行分光、調(diào)制、整形等，使得同一光源可以實現(xiàn)不同的應用。尤其是通過光纖傳輸這一特點將激光焊接的應用帶入一個新的歷史高度。這可以實現(xiàn)全位置的激光焊接，即使是激光頭不能到達的位置也有可能通過遠程焊接來實現(xiàn)。此外，激光焊接與機器人的結(jié)合，減少了人力的應用，同時還易于實現(xiàn)自動化和系統(tǒng)操作。在加上激光設備成本的不斷降低，激光焊接技術的應用范圍和焊接能力也得到迅速的增加。

激光焊接的優(yōu)點

激光焊接有許多優(yōu)點，從而使得該技術成為替代傳統(tǒng)焊接最有競爭力的一項替代技術。

自愈合（無需焊料）的焊接技術

激光焊接技術的眾多優(yōu)點之中，可以不使用填料就可以進行焊接是其中之一。如果裝配和對接位置精準的話，可以實現(xiàn)精準焊接和定位焊接。同時激光焊接是非接觸焊接，從而不會受到被焊接材料導電性和磁性的影響。同時，自愈合（無需填料）焊接還可以排除焊瘤焊渣的不利影響，同時不受焊縫寬度和焊縫深度的限制。單道就可完成焊接，在傳統(tǒng)焊接的時候，需要多道多層才能完成。同時激光焊接后的材料機械強度高、對震動和沖擊的抗力大，同時引起的熱變形比較小，增減了激光焊接結(jié)構（產(chǎn)品）的穩(wěn)定可靠性。然而，在有些場合也是可以使用填料進行焊接的。

可焊接大厚度的材料

激光焊接可以在不使用填充材料的條件下一次穿透焊接50mm的深度（2016年的數(shù)據(jù)），一般來說，20mm的板可以采用2萬瓦的激光器輕易實現(xiàn)焊接。另一方面，如果采用多道焊接和添加填料焊接的話，則焊接深度就沒有限制。一般來說，可焊接的厚度不僅同材料特性相關，還同激光功率相關，如下圖所示為激光焊接參數(shù)的特征描述及其所帶來的優(yōu)勢。

圖2 激光焊接時的參數(shù)及其帶來的效果

異種材料焊接

在工程實踐中，不管從技術角度還是從經(jīng)濟角度，異種材料的焊接是不可避免的事情。盡管異種材料的焊接面臨著冶金不相容的問題，人們?nèi)匀辉谧巫尾痪氲奶剿鳟惙N材料的焊接。如使用傳統(tǒng)方法進行焊接的話，有著諸多的選擇，如氣體保護焊、埋弧焊、乃至高能量密度的等離子弧焊和電子束焊接。除去以上的熔化焊接技術，還有壓力焊。摩擦焊、電阻焊、釬焊和錫焊、機械連接等手段可以避免熔化焊接所帶來的問題。但在高溫應用場合，粘結(jié)焊接和錫焊等制品就不能獲得滿意的結(jié)頭和經(jīng)受住時間的考驗。解決的辦法就是采用電子束焊接和激光焊接。這兩種焊接方法引起了人們的廣泛興趣。由于激光焊接不需要真空且適應性強，激光焊接可謂獨領風騷。

目前異種材料的焊接已經(jīng)取得了一些可喜的成績，如Al/鋼、鋼/Kovar、Cu/鋼以及Cu/Al焊接已經(jīng)得到了應用。異種材料的焊接只是滿足特殊場合的應用，如圖3為異種材料之間可以實現(xiàn)焊接的組合圖。圖4為激光焊接鈦合金與其他金屬時的組織及其拉伸性能。圖5為激光焊接金屬與塑料的示意圖（上）即焊接PET與304不銹鋼時得到的實物圖。

圖3 不同元素組合進行激光焊接時金屬的相容性

圖4 鈦合金與其他監(jiān)護材料繼續(xù)擰異種激光焊接時得到的顯微組織和拉伸強度

圖5 激光直接接焊接金屬與塑料（上）和焊接PET與304不銹鋼的實物圖（下）

復合焊接

復合焊接技術得到了深入的研究并在許多場合得到了應用。其中激光-GMAW由于操作簡單且易于安裝在機器人上進行操作而在汽車工業(yè)中得到大量的應用。同時在造船、航空等工業(yè)中的厚板連接上也得到了應用。如圖6為鈦合金與316不銹鋼進行復合焊接時形成的機理示意圖。

圖6 鈦合金和316 不銹鋼的復合焊接機理圖

可光纖傳輸

激光可以通過光纖傳輸且能量損失少，從而使得激光可以實現(xiàn)遠程焊接，激光也可以通過鏡片來傳輸。這是激光焊接的柔性比傳統(tǒng)焊接要好的重要原因之一。

遠程焊接

近年來，利用大的聚焦鏡、高功率激光來實現(xiàn)高速3D掃描加工，從而實現(xiàn)了遠程焊接。遠程焊接只需要轉(zhuǎn)動激光頭或改變掃描振鏡的方向就可以實現(xiàn)遠距離焊接。這大大的縮短了原先焊接時工件或者激光頭空運轉(zhuǎn)的時間，從而使得加工效率大大提升。最新的激光遠程焊接配備了3D掃描系統(tǒng)和機器人傳輸系統(tǒng)。

圖7 傳統(tǒng)激光焊接（左圖）和遠程焊接的軌跡示意圖（右圖）

環(huán)境友好

傳統(tǒng)的焊接技術如GMAW、埋弧焊等等都會釋放出有毒有害的金屬蒸汽或顆粒物，不符合環(huán)境和衛(wèi)生防護標準。而激光焊接幾乎是零排放。配備吸塵吸煙設備后，達到零排放。

光源豐富

激光光源種類豐富，幾乎所有波段的光都可以制造出相應波段的激光器，從而可以實現(xiàn)不同焊接對象的焊接，并能達到滿意的焊接效果，這也是迄今為止，沒有一種焊接設備可以同激光相媲美。常用于焊接的激光光源有二氧化碳激光、YAG激光、Nd玻璃激光、Yb：YAG：Nd:YAG、Er:YAG、KrF、ArF、XeCl、半導體激光（GaAs、InGaAs、GaAlAs、GaN）等。

圖8 豐富多樣的激光光源的來源

應用廣泛

激光焊接作為一種新的且重要的連接技術，在高強鋼、鍍鋅鋼、鋁合金、不銹鋼、鎳基合金和鎂合金中得到了廣泛的應用。同時成為航空航天、汽車、電子、石油化工、電力、造船等行業(yè)中重要的焊接手段。同時，目前在廚房衛(wèi)浴等制品的焊接中而已開始占據(jù)著重要的位置。