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1、潘際鑾等：激光焊接技術(shù)的發(fā)展激光焊接技術(shù)的發(fā)展潘際鑾鄭軍屈岳波（清華大學機械工程系先進成形制造教育部重點實驗室北京100084）摘要：簡要介紹了激光及激光器的原理和發(fā)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(shù)的發(fā)展方向；列舉了激光焊接技術(shù)在現(xiàn)代工業(yè)中的應用。關(guān)鍵詞：激光；焊接激光器；激光焊接機器人；復合焊接1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(fā)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(tài)的原子向低能態(tài)躍遷，并同時發(fā)射出相同能量的光子。其產(chǎn)生的基本條件包括泵浦
2、源、激活介質(zhì)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(jīng)提出了受激發(fā)射的基礎(chǔ)理論，但真正具有應用價值的激光器的出現(xiàn)卻遲后了幾十年。1960年第一臺紅寶石激光器出現(xiàn)，1983年1kWCO2氣體激光器首次上市，1990年出現(xiàn)了10kWCO2氣體激光器，1993年1kWNd:YAG固體激光器首次上市，1994年2kWNd:YAG固體激光器上市，1995年3kWNd:YAG固體激光器上市，同年出現(xiàn)30kWCO2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(lǐng)域能實用的CO2氣體激光器的最大功
3、率約為30kw，固體激光器約為10kw。2焊接激光器由于激光具有非常好的優(yōu)點，上世紀70年代，激光技術(shù)就已經(jīng)開始在焊接領(lǐng)域應用，目前在焊接方法領(lǐng)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—1015W/cm2）、功率密度分布呈基模態(tài)、光束質(zhì)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(shù)的比較。表1幾種焊接激光器性能參數(shù)的比較CO2激光器燈泵浦激光泵浦光纖激光器碟型激光器半導體激光Nd:YAGNd:YAG（
4、激光泵浦）（激光泵浦）器激光介質(zhì)混合氣體晶體棒晶體棒光纖（鐿）晶體薄碟半導體陣列波長nm10,6001,0601,0601,0701,030800~960光束傳輸鏡片光纖光纖光纖光纖鏡片輸出功率kW20461046光束質(zhì)量25121252.580mm.mrad能量效率%103102020351第五屆全國計算機在焊接中的應用學術(shù)與技術(shù)交流會論文集，2008年10月29日-11月3日，廣西南寧3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(chǎn)線的重要組成部分。將激光器安裝在
5、焊接機器人上進行焊接，大大提高了焊接機器人的焊接質(zhì)量和適用范圍，在船板、汽車生產(chǎn)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1CO2激光焊接機器人4激光電弧聯(lián)合焊接法激光焊接具有焊縫深寬比大、熱影響區(qū)窄、焊接速度快、焊接線能量低、焊接變形小、聚焦后的光斑直徑小（0.2-0.6mm）和能量密度高（106W/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(xiàn)氣孔、裂縫和咬邊等缺陷，設(shè)備投資大，能量轉(zhuǎn)換效率低。而常規(guī)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(qū)大、焊接變形大，但是設(shè)備投資小，對
6、間隙不敏感，能填充金屬。因此，近年來激光焊接的發(fā)展趨勢之一就是采用激光＋電弧的聯(lián)合焊接方法，將激光和電弧兩種熱源的優(yōu)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。激光束MAG電極激光誘導等離子云金屬蒸汽電弧氣體保護區(qū)熔池小孔工件焊接方向圖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(lián)合焊的種類主要有如下三種：(1)百瓦級激光能量
7、+電弧復合。熱源顯示為電弧的特性，激光功率能量比較小（≦500W），激光主要2潘際鑾等：激光焊接技術(shù)的發(fā)展起穩(wěn)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(yōu)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(xiàn)全位置柔性化焊接，主要用于船板等大厚板的焊接，設(shè)備投資較
8、大。圖4為采用復合熱源進行5mm鋼板焊接的效果圖，激光器采用功率為
