汪健坤，李強(qiáng)，黃磊，陳希章

1.溫州大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 浙江溫州 325035

2.溫州大學(xué)激光與光電智能制造研究院 浙江溫州 325035

1 序言

與傳統(tǒng)焊接技術(shù)相比，激光焊接（見圖1）具有能量密度集中并可調(diào)控，不與焊接的工件產(chǎn)生接觸，焊接效率高，焊后焊縫窄且強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，被積極應(yīng)用于汽車、船舶、航空航天等裝備制造業(yè)領(lǐng)域中，并不斷向更多材料加工終端領(lǐng)域擴(kuò)展。

圖1 激光焊接原理[1]

世界各制造業(yè)大國(guó)為更好應(yīng)對(duì)未來(lái)制造業(yè)競(jìng)爭(zhēng)，相繼提出本國(guó)制造業(yè)升級(jí)換代的國(guó)家戰(zhàn)略，比較著名的為德國(guó)工業(yè)制造4.0和美國(guó)的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，其積極地推出制造業(yè)產(chǎn)業(yè)升級(jí)的新政策，鼓勵(lì)制造業(yè)的技術(shù)創(chuàng)新并給予重點(diǎn)資助，其中激光焊接作為高端裝備技術(shù)重要的一部分而備受關(guān)注。在激烈的技術(shù)研發(fā)競(jìng)爭(zhēng)的同時(shí)，中國(guó)順應(yīng)時(shí)代潮流，抓住歷史機(jī)會(huì)，不失時(shí)機(jī)的提出了“中國(guó)制造2025”，激光焊接技術(shù)作為戰(zhàn)略新興技術(shù)，其引領(lǐng)制造業(yè)產(chǎn)業(yè)升級(jí)被提上日程。但是，激光焊接“產(chǎn)、學(xué)、研”并不能很好地對(duì)接，存在一定局限性和不足，如在某些應(yīng)用場(chǎng)合其不能很好地解決氣孔和飛濺等缺陷，單焦點(diǎn)激光焊接作為熱源無(wú)法控制溫度循環(huán)等不足。根據(jù)焊接的現(xiàn)實(shí)需求，激光焊接通過(guò)解決實(shí)際難題而提出了多種新的技術(shù)，如Imperial College London的 W. Steen 教授[2]提出了激光-電弧復(fù)合焊接的思想。激光-電弧復(fù)合焊接技術(shù)的發(fā)展在某種程度上彌補(bǔ)了單一激光焊接的不足，擴(kuò)大了激光焊接的應(yīng)用范圍。激光與電弧的相互作用，發(fā)揮兩者的優(yōu)點(diǎn)，降低了焊接間隙尺寸的要求，減少焊接時(shí)出現(xiàn)的裂紋和氣孔，有利于提高焊接部位的性能。

迄今為止，激光焊接技術(shù)已發(fā)展為多種種類，如熱傳導(dǎo)激光焊、激光深熔焊、激光填絲焊、激光-電弧復(fù)合焊、遠(yuǎn)程激光掃描焊以及激光釬焊等多種類型，其發(fā)展出激光焊接焊縫追蹤和高速攝像機(jī)對(duì)焊縫過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等中間過(guò)程控制，以及激光焊接缺陷處理，其共同解決激光焊的相關(guān)局限性和不足。

2 國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外的研究團(tuán)隊(duì)從激光的移動(dòng)方式、熱源組合等角度不斷探索研究最合適的工藝參數(shù)，提高了多種激光焊接方式的技術(shù)，包括激光深熔焊、激光-電弧復(fù)合焊接等[3]。激光焊接的研究不在流于表象，而是通過(guò)高速相機(jī)、光譜分析等現(xiàn)代表征方法研究焊接的工藝特性，嘗試探索焊縫缺陷的形成機(jī)理。另一方面，激光焊接的內(nèi)在變化較為復(fù)雜，各研究團(tuán)隊(duì)嘗試通過(guò)引進(jìn)磁場(chǎng)、多電弧和電場(chǎng)等外部能量應(yīng)用到激光焊接過(guò)程中，重點(diǎn)研究其對(duì)改善焊縫的缺陷，提高其力學(xué)性能和焊接質(zhì)量。

2.1 激光焊接工藝研究

采用激光焊接可以獲得高質(zhì)量的接頭強(qiáng)度和較大的深度比，與傳統(tǒng)焊接技術(shù)相比，具有較大的功率密度，對(duì)難以焊接的材料有較好的焊接效果，能夠?qū)Σ煌阅艿牟牧线M(jìn)行焊接[4]。因此國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了大量的研究。

國(guó)內(nèi)對(duì)激光工藝的研究主要集中于從各焊接工藝的焊接速度、激光功率、離焦量、激光脈沖波形和保護(hù)氣流量等參數(shù)上，并進(jìn)一步對(duì)焊接接頭的力學(xué)性能、組織演變和調(diào)控等進(jìn)行了深入研究。激光壓力焊接是一種獨(dú)特的激光焊接技術(shù)，該技術(shù)將激光誘導(dǎo)加熱與傳統(tǒng)的平滾焊相結(jié)合。激光壓力焊接的工作原理是：將需焊接的工件用激光束局部熔化，然后在高壓下軋制產(chǎn)生焊接接頭。由于熔化區(qū)相對(duì)狹窄，避免了產(chǎn)生收縮和氣體腔等焊接缺陷，該技術(shù)還可用于連接薄板。北京工業(yè)大學(xué)激光工程研究院黃婷副教授團(tuán)隊(duì)研究了純鋁激光壓力焊接過(guò)程中的組織演變，如圖2所示。該團(tuán)隊(duì)研究了純鋁焊接過(guò)程中微觀組織演變的基本方面。通過(guò)深入分析激光壓力焊接過(guò)程中試件的微觀組織，推斷出在軋制之前就開始了凝固過(guò)程，因此新結(jié)晶的材料經(jīng)歷了塑性應(yīng)變。

圖2 激光壓力焊接原理圖[5]

激光-電弧復(fù)合焊接（見圖3）作為21世紀(jì)極具前景的加工方法，被許多學(xué)者深入研究。長(zhǎng)春理工大學(xué)的張川[6]通過(guò)調(diào)整工藝參數(shù)的方式，對(duì)于50CrV/SPHE 異種鋼的焊接工藝進(jìn)行研究，分析對(duì)焊縫成形和熔滴過(guò)渡的影響，研究結(jié)果顯示激光功率在 2800～3400W范圍內(nèi)，焊絲受熱均勻，焊接過(guò)程穩(wěn)定。華中科技大學(xué)的王磊[7]將振蕩掃描與激光-電弧復(fù)合焊接相結(jié)合，彌補(bǔ)焊縫的缺陷。采用橫向、縱向和圓形三種振蕩掃描方式焊接鋁合金材料，利用高速攝像機(jī)和光譜分析熔滴的變化，結(jié)果顯示圓形的掃描方式優(yōu)化的參數(shù)范圍遠(yuǎn)大于橫向和縱向，且可以促進(jìn)和等離子體的相互作用形成直徑更小的熔滴，其有利于細(xì)化晶粒。等離子電弧的能量相比之下更加集中，北京化工大學(xué)的馮聰?shù)热薣8]發(fā)現(xiàn)激光-等離子電弧焊接在平板焊接方面對(duì)于間隙和錯(cuò)邊有良好的適應(yīng)性。

圖3 激光-電弧復(fù)合焊接

國(guó)外對(duì)焊接工藝的研究集中于改善焊接條件和引進(jìn)外部能量。 J.A. Francisa等[9]為了探索該工藝應(yīng)用于連接大型、安全關(guān)鍵的核部件的潛力，如蒸汽發(fā)生器或壓水堆（PWR）中的增壓裝置，采用真空激光焊接技術(shù)，以150mm/min的速度，使用16kW的激光，在兩個(gè)焊道中，生產(chǎn)SA5083級(jí)鋼的80mm厚焊縫。并介紹了真空激光焊接的優(yōu)點(diǎn)，以及與電子束焊接在工藝物理方面進(jìn)行了比較。得出真空激光焊接值得進(jìn)一步發(fā)展，因?yàn)樗鼮槲磥?lái)的核能建設(shè)計(jì)劃提供了重要的希望。Bunaziv I等人[10]在采用光纖激光-MAG復(fù)合焊接的同時(shí)考慮了冷金屬轉(zhuǎn)移脈沖（CMT+P）電弧模式，用金屬芯焊絲焊接45mm厚高強(qiáng)度鋼（對(duì)接雙面焊），比較了不同的脈沖方式和前后導(dǎo)弧對(duì)焊縫的影響。對(duì)比傳統(tǒng)的脈沖電弧焊，發(fā)現(xiàn)兩者都能提供高質(zhì)量的焊接。但是CMT+P模式可以在有限的進(jìn)給速度范圍內(nèi)提供更穩(wěn)定的熔滴轉(zhuǎn)移。

2.2 激光焊接過(guò)程控制

激光焊接技術(shù)是一種不需接觸的焊接技術(shù)，其速度較快，焊接效率更高，中間過(guò)程處理對(duì)焊接接頭的性能有重要作用。

國(guó)內(nèi)激光焊接過(guò)程的控制（見圖4）主要集中于借助光學(xué)器件對(duì)焊接的過(guò)程進(jìn)行監(jiān)控，比如采用激光焊接焊縫追蹤和高速攝像機(jī)對(duì)焊縫進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。如黃磊等[11]通過(guò)高速攝像機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)時(shí)在線監(jiān)控激光焊接DP780鍍鋅高強(qiáng)鋼的氣孔和飛濺形成過(guò)程，并從動(dòng)力學(xué)的角度對(duì)氣孔逃逸路線進(jìn)行了研究。

圖4 焊接試驗(yàn)工藝的布局圖

馬國(guó)棟等人[12]將激光焊接頭與CCD視頻跟蹤模塊集成在一起，提出一種采用一字線激光進(jìn)行自動(dòng)化焊縫檢測(cè)的方法。該方法利用激光三角測(cè)量法，得到焊縫的高度、寬度等形狀信息。如圖5一字激光檢測(cè)原理，激光焊接時(shí)，一字激光垂直打在焊縫上，經(jīng)待焊工件上表面的漫反射，成像在CCD像平面上。像平面上的每一焊縫特征點(diǎn)將唯一確定待焊工件表面上的一點(diǎn)。在跟蹤算法方面，采用精度高、速度快的核相關(guān)濾波器目標(biāo)跟蹤算法，分別對(duì)常見的直線型和曲線型焊縫位置進(jìn)行跟蹤。實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)擬合曲線與焊縫形態(tài)誤差在5%以內(nèi)，吻合度較高，實(shí)時(shí)跟蹤效果良好。

圖5 一字激光檢測(cè)原理[12]

國(guó)外的研究主要對(duì)焊接的過(guò)程中添加外部能量和使用人工智能模型對(duì)焊接進(jìn)行模擬和預(yù)測(cè)等工作進(jìn)行了細(xì)致的研究。Haeusler A 等人[13]通過(guò)使用附加的參數(shù)、振蕩頻率和振幅，并結(jié)合帶疊加圓周運(yùn)動(dòng)的線性饋電的空間功率調(diào)制方式，針對(duì)鋰離子電池和大功率電子器件的互連中使用到的銅材料焊接進(jìn)行了研究。結(jié)果顯示，不僅可以增加連接面積，還可以增加激光焊接過(guò)程的穩(wěn)定性和焊縫的質(zhì)量特性。在焊接某些特殊金屬時(shí)，焊料在熔池中并不能充分混合，導(dǎo)致焊縫中元素分布不均勻。德國(guó)的Ustundag O等人[14]基于此進(jìn)行了研究，他們利用振蕩磁場(chǎng)在熔池中形成非保守的洛倫茲力分量，以改善整個(gè)材料厚度上的元素分布。通過(guò)光譜法（EDS）分析兩種跟蹤元素（Ni、Cr）的分布，結(jié)果顯示當(dāng)磁場(chǎng)向焊接方向旋轉(zhuǎn)30°時(shí)，焊料分布有了根本的改善。這一研究對(duì)于磁場(chǎng)在焊接方面的使用提供了數(shù)據(jù)支持。A. Belitzki等人[15]提出了一種能夠最大限度地減小多焊縫復(fù)雜框架結(jié)構(gòu)變形的方法，將人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立的元模型應(yīng)用于激光焊接的過(guò)程中，根據(jù)子區(qū)域內(nèi)的焊接參數(shù)預(yù)測(cè)局部變形。利用遺傳算法有效地尋找出適合全局結(jié)構(gòu)的焊接參數(shù)。結(jié)果表明，該方法能有效、可靠地識(shí)別出10億多個(gè)潛在參數(shù)組合中的畸變最小參數(shù)。

2.3 激光焊接缺陷處理

激光焊接的應(yīng)用十分廣泛，但是焊接過(guò)程中常常伴隨著裂紋、焊接氣孔和飛濺等焊接缺陷。國(guó)內(nèi)外對(duì)其進(jìn)行了大量的研究，他們采用振蕩、脈沖等方式與激光焊接相結(jié)合，在研究原理的同時(shí)，還重視與工業(yè)設(shè)備的結(jié)合，積極運(yùn)用新的產(chǎn)品推動(dòng)自身的研究，其研究具有很高的實(shí)用性。

國(guó)內(nèi)的研究主要集中于如何解決激光焊接的焊接接頭缺陷，對(duì)焊接缺陷的形成機(jī)理也進(jìn)行了細(xì)致研究。很多研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)仿真分析、掃描電鏡等方式研究熔池飛濺、菲涅爾吸收效應(yīng)等問(wèn)題。高功率的激光照射在工作表面上，使材料迅速汽化并產(chǎn)生匙孔，所以熔池與匙孔的菲涅爾吸收效應(yīng)決定了焊接的質(zhì)量。焊接缺陷伴隨著激光焊接的過(guò)程中產(chǎn)生，如圖6為激光焊接鍍鋅DP780高強(qiáng)鋼產(chǎn)生的氣孔缺陷。湖南大學(xué)的彭南翔[1]針對(duì)激光深熔焊的匙孔和菲涅爾吸收進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)激光在匙孔中多次反射造成菲涅爾吸收總功率密度分布并不均勻，靠近匙孔底部孔壁上的密度要大于上方孔壁，而影響密度分布的重要因素就是激光的反射。單焦點(diǎn)激光焊接方式仍具有一定的局限性。比如無(wú)法控制焊接時(shí)的溫度循環(huán)，在焊接熱敏感性高的材料時(shí)，焊縫的內(nèi)部容易出現(xiàn)裂紋等多種問(wèn)題。為了穩(wěn)定焊接過(guò)程，許多學(xué)者研究了雙焦點(diǎn)激光焊。華中科技大學(xué)龐勝永等人[16]研究了鋁合金在激光雙焦點(diǎn)串行排布的方式下匙孔的穩(wěn)定性及熔池內(nèi)部的流動(dòng)。其建立了關(guān)于鋁合金雙焦點(diǎn)激光焊接的焊接瞬態(tài)熔池及熔池內(nèi)部流動(dòng)的耦合模型，采用光線追蹤法建立熱源模型，考慮了菲涅爾吸收效應(yīng)、蒸汽反沖力及熔池內(nèi)部流動(dòng)等影響。研究結(jié)果顯示雙焦點(diǎn)激光焊接更加穩(wěn)定可控，匙孔的波動(dòng)明顯弱于單激光焊接的方式。

圖6 激光深熔焊的氣孔缺陷原理[17]

與國(guó)外相比，國(guó)內(nèi)的研究針對(duì)激光束的光束形態(tài)變化方面的研究較少，大多集中于改變激光束的數(shù)量上而來(lái)對(duì)激光焊接缺陷的研究。而國(guó)外的研究團(tuán)隊(duì)嘗試使用了新型的光學(xué)元器件，嘗試探究匙孔坍塌和熔池飛濺的形成機(jī)理。國(guó)外一些學(xué)者也嘗試了新的工藝方法來(lái)改善激光焊接的不足，如采用光束振蕩或激光功率調(diào)制，來(lái)減少缺陷的發(fā)生。Volpp J等[18]人采用了一種新開發(fā)的多焦點(diǎn)光束成形光學(xué)元件，該元件可在軸向產(chǎn)生多束腰激光，在附加區(qū)域用于修改鍵孔中的能量輸入，以解釋飛濺形成的機(jī)理，并評(píng)估軸向光束成形在激光深熔焊接過(guò)程中抑制缺陷的潛力。結(jié)果表明，在高強(qiáng)度的光照射下，可以有效地減少噴濺的數(shù)量，避免了鎖孔坍塌，保證了上部鎖孔段有足夠的能量輸入，可以減少液體飛濺。

3 激光焊接的應(yīng)用現(xiàn)狀

激光焊接技術(shù)經(jīng)過(guò)多年的研究和發(fā)展，其應(yīng)用涵蓋了汽車、油氣管、電車設(shè)備等裝備制造業(yè)領(lǐng)域。本文主要介紹激光焊接系統(tǒng)的核心零部件的應(yīng)用及其材料加工方面的工程化應(yīng)用。

3.1 激光焊接系統(tǒng)核心零部件

（1）激光器 激光焊接系統(tǒng)中，最核心的零部件是激光器，其用來(lái)產(chǎn)生激光。激光器的種類很多，但是其結(jié)構(gòu)相同，即由激勵(lì)系統(tǒng)、激光活性介質(zhì)和光學(xué)諧振腔三部分組成。激光器經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，其性能已經(jīng)有了很大的提高。激光器有很多種，比如光纖激光器、半導(dǎo)體激光器、CO2激光器等，如圖7所示。

圖7 國(guó)內(nèi)外激光器

國(guó)外的優(yōu)秀激光器企業(yè)還有Coherent、Trumpf等，其激光器具有先天優(yōu)勢(shì)，經(jīng)過(guò)多年的研發(fā)和改進(jìn)，其光束質(zhì)量較高，光電轉(zhuǎn)換效率高，穩(wěn)定性較好。半導(dǎo)體激光器的光斑比光纖激光器的光斑更加集中，功率分布更加均勻而且所用的能耗更低。比如TruDiode 系列的高效型半導(dǎo)體激光器以最佳的應(yīng)用結(jié)果、極低的投資成本和運(yùn)行成本贏得用戶青睞。該激光器提供最高數(shù)千瓦的穩(wěn)定激光功率。典型應(yīng)用為深熔焊、熱傳導(dǎo)焊接、激光金屬熔覆以及釬焊和塑料焊接，可達(dá)40%的高效率降低生產(chǎn)的運(yùn)行成本。由于無(wú)需多余的諧振腔結(jié)構(gòu)，TruDiode 激光器十分精巧。CO2激光器是常見的氣體激光器，可以利用CO2分子的能級(jí)結(jié)構(gòu)得到不同波段的譜線輸出。在熱性能上優(yōu)于固體激光器，依靠氣體的流動(dòng)可以累積大量的熱量，適合作為大功率激光使用[19]。

而國(guó)內(nèi)激光器發(fā)展具有后動(dòng)優(yōu)勢(shì)，經(jīng)過(guò)多年的技術(shù)攻關(guān)，國(guó)內(nèi)出現(xiàn)了一大批優(yōu)秀的激光器企業(yè)，如銳科激光、創(chuàng)鑫激光等優(yōu)秀國(guó)產(chǎn)激光器品牌，憑借著優(yōu)秀的激光器產(chǎn)品、親民的性價(jià)比、產(chǎn)品本土化策略，其迅速獲得了較大的國(guó)內(nèi)激光器市場(chǎng)份額。如圖7b為銳科生產(chǎn)的準(zhǔn)連續(xù)光纖激光器，其功率較小，涵蓋75~300W，兼容性較好并具有更高的電光轉(zhuǎn)換效率、更好的光束質(zhì)量、更少的維護(hù)成本，因此是激光點(diǎn)焊、激光縫焊等需要長(zhǎng)脈寬、高峰值的工業(yè)應(yīng)用理想選擇。

（2）激光焊接頭 隨著激光焊接技術(shù)的發(fā)展，激光焊接頭也根據(jù)功能和需求而推出了多種類型的激光焊接頭，如圖8所示，從左到右依次是最高可承受50kW功率的焊接頭、激光振鏡掃描頭、焊接擺動(dòng)頭雙光點(diǎn) & 光束整形頭。

圖8 常用激光焊接頭

據(jù)實(shí)際的焊接需求，焊接頭設(shè)計(jì)并應(yīng)用到實(shí)際的焊接加工場(chǎng)所，其提供了不同焊接要求的解決方案。比如激光需要分出多束光來(lái)提高焊接效率，此時(shí)應(yīng)用掃描振鏡焊接頭能夠有效地解決高效率的要求。如圖8的擺動(dòng)焊接頭，其能有效改善焊縫內(nèi)部和外觀質(zhì)量，提高易產(chǎn)生缺陷材料的焊接性。

3.2 激光焊接技術(shù)的工程化應(yīng)用

激光焊接從開始應(yīng)用于汽車（見圖9）制造等領(lǐng)域逐漸向船舶、航空航天、半導(dǎo)體、電子行業(yè)和消費(fèi)品拓展，由傳統(tǒng)的領(lǐng)域延伸到了更深入的多種多樣的材料加工終端應(yīng)用領(lǐng)域。

圖9 汽車領(lǐng)域的激光焊接應(yīng)用

在汽車制造過(guò)程中，激光焊接技術(shù)主要用于車身不等厚板的拼焊、車身焊接和汽車零部件的焊接，通過(guò)采用激光焊接技術(shù)，可降低車身重量并達(dá)到節(jié)能減排的效果、可降低汽車制造過(guò)程中的沖壓和裝配成本，提高車身的裝配精度、車身的剛度和汽車車身的一體化程度，進(jìn)而提高汽車的舒適性和安全性[20]。

激光焊接在汽車工業(yè)的應(yīng)用較為廣泛，如圖9b為國(guó)內(nèi)某汽車零部件企業(yè)的車間，其車門進(jìn)行激光釬焊焊接，其使用較大的激光光斑（2 ~ 4mm），激光功率為 2 ~ 4kW，采用接觸式跟蹤對(duì)邊緣節(jié)點(diǎn)進(jìn)行試校，焊后發(fā)現(xiàn)其焊縫相對(duì)其他焊接方法窄，有效提升了車身整體美觀性，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)得出，相比普通焊接，其強(qiáng)度獲得了較大提升。

激光焊接需要根據(jù)實(shí)際所需連接材料的性質(zhì)選擇相應(yīng)的保護(hù)氣體，且激光焊接的速度較快、焊接效率更高、作業(yè)面積較小，加工工件形變小，某些情況下不需要進(jìn)行消除殘余應(yīng)力的熱處理，在機(jī)械制造中采用激光焊接技術(shù)可以極大地提高焊接產(chǎn)品的質(zhì)量，提高制造行業(yè)的工作效率；激光焊接技術(shù)滿足醫(yī)療器械制造過(guò)程的高潔凈性的要求，在焊接過(guò)程中不需要添加任何粘合劑，幾乎不產(chǎn)生焊渣和碎屑，因此激光焊接技術(shù)的出現(xiàn)大大促進(jìn)了醫(yī)療器械的發(fā)展[21]；船舶所用的板材與普通機(jī)械產(chǎn)品的板材選取有著很大的差異，采用激光焊接技術(shù)，可以有效地解決焊縫更長(zhǎng)、船板出現(xiàn)翹曲變形問(wèn)題[22]。

激光焊接過(guò)程處理的工程化應(yīng)用覆蓋面比較廣泛，其可應(yīng)用于焊縫定位、橫截面掃描、表面成形在線監(jiān)測(cè)等。如圖10為基于相干干涉成像技術(shù)的全新焊接全過(guò)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)LDD-700，其3D成像模式使LDD-700適應(yīng)不同工藝的匙孔幾何變化，這是一種精確深度測(cè)量的基本能力。強(qiáng)大的軟件支持定制化監(jiān)測(cè)解決方案，滿足不同工藝需求。

圖10 激光焊接監(jiān)測(cè)過(guò)程工程應(yīng)用

激光焊接在石油管道的連接也有廣泛的應(yīng)用，使用機(jī)器人激光焊接，不僅能提高焊接作業(yè)效率和提高焊接可靠性，還能提高焊接接頭質(zhì)量。

經(jīng)過(guò)多年持續(xù)聯(lián)合攻關(guān)，我國(guó)承擔(dān)的ITER校正場(chǎng)線圈（以下簡(jiǎn)稱“CC”）全尺寸盒體超大功率激光封焊技術(shù)于2018年7月在中國(guó)科學(xué)院等離子體物理研究所按期完成認(rèn)證。作為線圈制造與集成中技術(shù)要求最高、挑戰(zhàn)最大的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，該項(xiàng)技術(shù)的突破得到了國(guó)內(nèi)外同行的高度評(píng)價(jià)，并被ITER國(guó)際組織官網(wǎng)綜合報(bào)道。同時(shí)，該項(xiàng)技術(shù)的突破不僅保證了ITER所有CC線圈制造與集成進(jìn)度，更是實(shí)現(xiàn)了國(guó)內(nèi)萬(wàn)瓦級(jí)激光焊接技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室走向工程應(yīng)用的重要突破。在焊接結(jié)束后，通常采用特定的預(yù)變形或返工對(duì)工件進(jìn)行處理來(lái)補(bǔ)償熱引起的變形。然而這些方法對(duì)于連接復(fù)雜結(jié)構(gòu)是不可行的。因此，激光焊接允許低熱負(fù)荷的材料，因?yàn)闊崃渴歉叨燃性跁r(shí)間和空間的[23]。然而，熱輸入往往會(huì)造成相當(dāng)大的元件變形和殘余應(yīng)力。復(fù)雜結(jié)構(gòu)的熔焊連接往往受到熱致元件變形的限制，因?yàn)檫@往往意味著昂貴的措施[24]。

激光焊接作為一種先進(jìn)的高能束焊接技術(shù)，具有無(wú)需真空環(huán)境且熱輸入集中、熱變形小、焊縫深寬比大、精度高、易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)焊接等特點(diǎn)，被最終確定為最合適于CC線圈盒封焊的最佳方法。經(jīng)過(guò)上百次焊接結(jié)構(gòu)和工藝參數(shù)優(yōu)化，近期中科院等離子體物理研究所使用20kW激光焊接設(shè)備完成了CC線圈盒全尺寸原型件的焊接。檢測(cè)結(jié)果表明，焊縫質(zhì)量完全滿足ISO 13919-1B級(jí)要求，盒體外形尺寸焊接變形≤2mm，盒內(nèi)繞組表面溫度遠(yuǎn)低于200℃，多項(xiàng)指標(biāo)均滿足接收標(biāo)準(zhǔn)[25]，如圖11所示。

圖11 電車領(lǐng)域的激光焊接應(yīng)用

4 總結(jié)與展望

激光焊接從工藝加工、焊接過(guò)程處理和焊接缺陷解決的研究和工程應(yīng)用獲得了較大的發(fā)展，從現(xiàn)有研究和工程實(shí)踐看，國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要從以下兩個(gè)方面來(lái)深化激光焊接的研究并解決工業(yè)應(yīng)用難題。第一，基于實(shí)際工業(yè)需求，研究激光焊接過(guò)程中出現(xiàn)缺陷的原因，并不斷改進(jìn)優(yōu)化加工工藝參數(shù)，改善或者消除激光焊接缺陷；第二，嘗試用磁場(chǎng)、振蕩等外來(lái)能量與激光能量相結(jié)合，探求新的加工工藝，提高焊接穩(wěn)定性并嘗試解決激光焊接缺陷，提高焊接接頭的性能。

激光焊接從最初的熱傳導(dǎo)激光焊到現(xiàn)在多場(chǎng)耦合的激光焊接研究，使得激光的應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大。激光器的創(chuàng)新也在不斷進(jìn)行，比如半導(dǎo)體激光器在光電轉(zhuǎn)換效率上有所提升，而且能耗更低、光斑更加集中，逐漸成為新的激光器的發(fā)展趨勢(shì)，國(guó)內(nèi)外的學(xué)者也在不停研究新的激光設(shè)備。隨著新型激光裝備不斷突破創(chuàng)新，可以預(yù)見在不久的將來(lái)，激光焊接技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒉粩鄳?yīng)用于更多材料加工終端領(lǐng)域，助力中國(guó)制造業(yè)的產(chǎn)業(yè)升級(jí)。