激光焊接技术的研究现状与展望

张世刚 魏巍

摘要：传统焊接方法难以满足大型构件厚板焊接对焊接效率和焊接质量的要求，而高功率激光焊接具有能量密度大、焊接效率高、焊缝深宽比大、接头质量高等特点，成为业界研究和应用的热点。而在铁路运输过程当中，铁道车辆的焊接技术对于我国铁路运输产品的质量以及可靠性等方面的内容有着决定性的影响。对此，相关技术人才吸引国外先进技术的同时，还要不断进行自身技术能力的研究，其中激光加工技术的应用，大大提高了我国机械制造业的技术水平。

关键词：激光焊接;技术;现状;展望

中图分类号：G322文献标识码：A文章编号：1672-9129（2018）06-0054-02

Research Status and Prospect of Laser Welding Technology

ZHANG Shigang*， WEI Wei

（China Electric Power Construction Group Nuclear Engineering Co.， Ltd.， Jinan， Shandong， 250102， China ）

Abstract：The traditional welding method is difficult to meet the requirements of welding efficiency and welding quality for thick plate welding of large components， while high power laser welding has the characteristics of high energy density， high welding efficiency， big depth-to-width ratio of welding seam， high quality of joint， etc， becoming the industry research and application of hot spots. In the process of railway transportation， the welding technology of railway rolling stock has a decisive effect on the quality and reliability of railway transport products in China.To this end， the related technical talents attract foreign advanced technology， but also continue to study their own technical capabilities， among which the application of laser processing technology has greatly improved the technical level of China's mechanical manufacturing industry.

Keywords： Laser welding; technology; present situation; prospect

引用：張世刚， 魏巍. 激光焊接技术的研究现状与展望[J]. 数码设计， 2018， 7（6）： 54-54.

Cite：ZHANG Shigang， WEI Wei. Research Status and Prospect of Laser Welding Technology[J]. Peak Data Science， 2018， 7（6）： 54-54.

引言

自1960年世界上第一台激光器诞生以来，人们对其在焊接领域的应用研究和产品开发工作就一直在进行。经历半个多世纪的发展，尤其是最近10年，激光焊接技术已经在航空航天、造船和海洋工程、核电设备、国防工业等领域得到普遍应用，成为金属材料加工与制造的重要工艺手段，几乎涵盖了所有金属材料。

1  激光焊接系统构成

1.1  主要激光器性能特点

激光器种类繁多，新型激光器也不断被开发，目前在激光焊接领域应用较广的是大功率CO2激光器、大功率Nd：YAG激光器、光纤激光器等^[1]。

1.1.1  大功率CO2激光器

大功率CO2激光器是一种气体激光器，可产生波长10600nm的红外激光，具有转换效率高、光束质量好、功率密度大、运行成本低、既能连续输出又能脉冲输出等优点。根据气体流动方向、放电方向和光轴方向的相互位置不同，大功率CO2激光器主要分为横向流动（简称横流）CO2激光器和轴向流动（简称轴流）CO2激光器两大类。与固体激光器比较，气体激光器的激活离子密度较低，需要较大体积的工作物质，因此气体激光器的体积都比较庞大，不容易做到大能量脉冲输出。

1.1.2  大功率Nd：YAG激光器

大功率Nd：YAG激光器是一种固体激光器，输出的激光波长为1064nm，相当于CO2激光波长的1/10。较小的波长对聚焦、光纤传输和金属表面吸收等有利，与金属的耦合效率较高，加工性能良好。

Nd：YAG激光器可以与光纤耦合，借助时间分割和功率分割多路系统，可以方便地将一束激光传输给多个工位或远距离工位，便于激光加工实现柔性化。

Nd：YAG激光器结构较为紧凑，LD（半导体）泵浦全固态激光器是目前YAG激光器的主要研究和发展方向。目前，国外Nd：YAG激光器最大输出功率达10kW，而包括汽车在内的工业生产中应用最多的则是3kW和4kW的Nd：YAG激光器。最近几年，半导体泵浦Nd：YAG激光器制造技术飞速发展，最大输出功率已经达到和氙灯泵浦Nd：YAG激光器同样级别。Trumpf公司生产的氙灯泵浦Nd：YAG激光器的最大输出功率为5.5kW，而半导体泵浦Nd：YAG激光器的最大输出功率已经达到6kW^[2]。

1.2  激光焊接光学系统

激光光纤传输的优点包括：光纤传输系统比透镜、反射镜、棱镜等系统体积小、结构简单、柔性好、灵活方便，可以加工常规系统不容易加工到的部位;光纤传输系统容易实现一台激光器输出，可轮流或者同时导向多个焊接工位;采用光纤传输系统可以进行远距离传输，而且光束不发散;采用光纤传输系统可以显著改善加工面光束的均匀性，使加工区域的边缘更清晰。

2  激光焊接技术的发展

2.1  激光焊接技术

在铁道车辆不锈钢制车体焊接工作之中主要采用的焊接技术是激光焊接技术。该技术主要通过采用小直径的激光束进行焊接工作的，因此采用激光焊接技术焊接的部位变形程度较小，有效环节焊接变形的问题。除此之外，激光焊接技术在进行搭接焊接工作的过程当中，工作人员可以通过对激光功率和焊接速度进行控制来实现让激光不穿透焊接工件。由于激光焊接技术可以有效控制大街界面的容身，因此通过采用该技术可以实现让激光照射一侧的内面的外观就和材料表面精加工过后一样^[3]，有效提高了铁道不锈钢材质车辆的外观质量。除此之外，激光焊接技术还具备着高效率、高质量以及可以有效提高氣密性、水密性等多方面的优点，因此受到了市场的广泛欢迎。

在我国激光焊接技术之中，最先开始使用的激光振荡器主要以YAG激光器为主，但是由于该激光器的激光束直径比较小以及可维修性非常好等多方那面的特点使其被广泛应用于推进光纤激光器之中。由于激光束共功率过高会导致工作人员的眼睛收到损伤，因此有关部门应当加强激光屏蔽措施。

在一般情况之下，激光焊接并不需要用到填充金属，其通过将母材融化就能够达到接合的目的。

2.2  激光焊接技术在工程机械制造中的应用

切割和打标技术是工程机械制造业中两种常见的生产工艺，除此之外，还要一种比较常用的工艺，即焊接技术。目前焊接技术的主要技术手段是电弧焊。这种传统的焊接技术在工程机械制造业中起到了非常重要的作用，但是却也存在着一定的局限性，比如加工工程量大，需要不断进行矫正，不仅耗时而且质量并不完美。激光焊接技术作为一种新型的焊接方式，它的优点有：通过激光焊接不需和介质表面进行压力接触，所以对加工对象的损耗较小、热输入量大大减少、影响区域比较小、功能强大、焊接质量高等，因其自身优点逐渐被广泛应用于各种领域，并替代传统的电弧焊技术。激光焊接技术在国外已经比较先进，我国对这项技术的应用也十分重视，焊接专家在2013年获得了焊接领域最高学术奖，我国的焊接技术也处于世界先进水平，并且有着广阔的发展前景。

2.3  焊接自动化技术

现如今市场主流的铁道车辆焊接技术都可以通过机器人进行应用，但是许多焊接作业需要焊接技能水平较高的焊工才能够进行，因此要像有效对机器人进行有效完善就必须要解决以下三个方面的问题。首先第一点就是提高定位性能，这主要是因为机器人身上的焊接定位传感器存在着不能适应高速焊接作业的问题;第二点就是提高示教性能^[4];第三点就是提高机器人与操作工作人员之间的协作性。在机器人的可移动范围之内工作人员无法接近，这在一定程度上影响了机器人工作的精确性，随着临近传感器技术的发展，其能够高精度检测人体接近的范围，因此通过该传感器可以实现机器人和工作人员共同作业的目的。

3  结束语

综上所述，随着高功率激光器的发展，激光焊接技术的研究逐渐从薄板深入到大厚板的焊接。在这样的时代背景之下，对我国铁道车辆焊接技术进行研究分析，寻找其进一步发展的方向就至关重要，借此可以有效提高我国铁道车辆的市场竞争性，为我国社会经济的进一步发展打下坚实的基础。

参考文献：

[1]      李英民.激光加工技术在工程机械制造中的应用探讨[J].山东工业技术， 2018（16）：43.

[2]      崔少丽.铁道车辆的焊接技术现状与前景[J].现代商贸工业，2018，39（20）： 174-175.

[3]      彭礼，陆殿春，李德君.座椅金属件机器人激光焊接技术应用及展望[J].机器人技术与应用，2018（03）：44-48.

[4]      王天鸽，唐新华.负压激光焊接技术研究进展[J].航空制造技术，2018，61 （08）：48-54+66.

[5]      游德勇，高向东.激光焊接技术的研究现状与展望[J].焊接技术，2008，37（4）： 5-9.