激光焊接技术的发展.docx

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1、潘际銮等：激光焊接技术的发展激光焊接技术的发展潘际銮郑军屈岳波（清华大学机械工程系先进成形制造教育部重点实验室北京100084）摘要：简要介绍了激光及激光器的原理和发展状况，比较了几种常用的焊接激光器；指出激光焊接机器人和激光电弧复合热源焊接是激光焊接技术的发展方向；列举了激光焊接技术在现代工业中的应用。关键词：激光；焊接激光器；激光焊接机器人；复合焊接1前言激光是20世纪以来，继原子能、计算机、半导体之后，人类的又一重大发明。激光指在能量相应于两个能级能量差的光子作用下，诱导在高能态的原子向低能态跃迁，并同时发射出相同能量的光子。其产生的基本条件包括泵浦

2、源、激活介质和谐振腔等。激光具有方向性好、单色性好、相干性好和光脉冲可以极窄的特点。爱恩斯坦于1917年就已经提出了受激发射的基础理论，但真正具有应用价值的激光器的出现却迟后了几十年。1960年第一台红宝石激光器出现，1983年1kWCO2气体激光器首次上市，1990年出现了10kWCO2气体激光器，1993年1kWNd:YAG固体激光器首次上市，1994年2kWNd:YAG固体激光器上市，1995年3kWNd:YAG固体激光器上市，同年出现30kWCO2气体激光器。近年来，不断有不同类型的大功率激光器的上市。目前在焊接领域能实用的CO2气体激光器的最大功

3、率约为30kw，固体激光器约为10kw。2焊接激光器由于激光具有非常好的优点，上世纪70年代，激光技术就已经开始在焊接领域应用，目前在焊接方法领域的研究比例中，激光焊接约占20％，仅次于气体保护焊。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态、光束质量好。常用的焊接激光器主要包括如下几种：CO2气体激光器、Nd:YAG激光器、光纤激光器、碟形YAG激光器和半导体阵列激光器等。表1为几种焊接激光器性能参数的比较。表1几种焊接激光器性能参数的比较CO2激光器灯泵浦激光泵浦光纤激光器碟型激光器半导体激光Nd:YAGNd:YAG（

4、激光泵浦）（激光泵浦）器激光介质混合气体晶体棒晶体棒光纤（镱）晶体薄碟半导体阵列波长nm10,6001,0601,0601,0701,030800~960光束传输镜片光纤光纤光纤光纤镜片输出功率kW20461046光束质量25121252.580mm.mrad能量效率%103102020351第五届全国计算机在焊接中的应用学术与技术交流会论文集，2008年10月29日-11月3日，广西南宁3激光焊接机器人将激光用于焊接机器人是激光焊接的一种重要形式。焊接机器人具有多自由度、编程灵活、自动化程度高、柔性程度高等特点，是焊接生产线的重要组成部分。将激光器安装在

5、焊接机器人上进行焊接，大大提高了焊接机器人的焊接质量和适用范围，在船板、汽车生产线中激光焊接机器人具有越来越重要的地位。图1为CO2激光焊接机器人进行焊接的示意图。图1CO2激光焊接机器人4激光电弧联合焊接法激光焊接具有焊缝深宽比大、热影响区窄、焊接速度快、焊接线能量低、焊接变形小、聚焦后的光斑直径小（0.2-0.6mm）和能量密度高（106W/cm2）的特点，但是对焊接接头装配精度和间隙要求高，焊缝易出现气孔、裂缝和咬边等缺陷，设备投资大，能量转换效率低。而常规的熔化极电弧焊虽然焊接速度慢、焊接线能量大、熔深小、热影响区大、焊接变形大，但是设备投资小，对

6、间隙不敏感，能填充金属。因此，近年来激光焊接的发展趋势之一就是采用激光＋电弧的联合焊接方法，将激光和电弧两种热源的优点集中起来，弥补单热源焊接工艺的不足。图2为激光和电弧复合热源的焊接示意图。图3为三种焊接条件下的焊缝熔深的对比，上面那帧图像为电弧焊的熔深、中间为激光焊的熔深、下面为激光＋电弧复合热源的熔深，从中可以看出，复合热源的焊缝具有很好的焊缝熔深和深宽比。激光束MAG电极激光诱导等离子云金属蒸汽电弧气体保护区熔池小孔工件焊接方向图2激光+电弧复合热源焊接示意图图3三种焊接条件下的焊缝熔深目前激光-电弧联合焊的种类主要有如下三种：(1)百瓦级激光能量

7、+电弧复合。热源显示为电弧的特性，激光功率能量比较小（≦500W），激光主要2潘际銮等：激光焊接技术的发展起稳定和压缩电弧、提高电弧能量利用率的作用，多用于激光+TIG的复合焊接，比较适合薄板焊接。(2)千瓦级激光能量+电弧复合。热源兼有激光和电弧的特性，能够充分利用二者的优点，多用于激光+MIG/MAG的复合焊。适用于铝合金、镁合金、碳钢、低合金高强钢、超高强钢等材料的焊接。(3)万瓦级激光能量+电弧复合。热源显示激光的特点，具有较大的焊缝深宽比，大多采用大功率的CO2激光与MAG焊的复合，难以实现全位置柔性化焊接，主要用于船板等大厚板的焊接，设备投资较

8、大。图4为采用复合热源进行5mm钢板焊接的效果图，激光器采用功率为