高功率激光焊接技术的应用与发展

焊接是应用最广泛、最重要的材料永久连接方法，在提高材料利用率、减轻结构重量、降低成本方面独具优势。激光焊接则是近十年应用发展速度最快的焊接方法，其利用可聚焦可调控的高能量密度激光束为热源实现材料的熔化焊接。激光束方向性、单色性和相干性极好，光强是普通光的1010倍，脉冲功率可达1014瓦，因此热作用集中、焊接变形小，焊接结构制造精度高，柔性自动化实施性好，与机器人、工艺数据库和专家系统管理等先进工艺模式有机结合，可实现数字化智能化制造，是现代装备结构制造中不可或缺的关键技术，在汽车、船舶、高速列车以及航空航天结构中得到成功应用，其中汽车行业已将激光焊接确定为结构制造标准化工艺，激光焊接技术在国际上被视为最具发展潜力的先进焊接技术。  激光焊接应用的发展随着激光、冶金、材料、力学、测控、信息、机电等学科的进步发展，是现代科学技术在材料加工领域应用的综合体现，尤其是千瓦级以上的大功率激光焊接技术，几乎与激光器的进步相伴。从20世纪80年代的CO2激光、YAG激光，已扩展出半导体激光、光纤激光，激光功率由1kW提高到100kW，典型焊接激光器的特点如表1所示，其中光纤激光焊接是目前激光焊接新工艺研究热点。

  激光焊接由于热作用形式的不同、可适合产品对象也不同，所需解决的关键问题也是因需而异。激光焊接应用最广的是薄壁结构焊接，在航空结构中最典型的是欧洲空客系列客机的铝合金机身下壁板，这种以焊代铆结构将减轻飞机机身重量近20%，降低制造成本约20%，已应用空客A318、A380和A340系列飞机的壁板结构焊接，其中壁板数量将达到18块，焊缝总长度达到1000米。随着航空结构应用需求的发展，激光焊接技术的一个应用发展是面向中等厚度结构的激光复合热源焊接技术，目的是拓展激光焊接技术应用范围，解决未来装备结构的中厚度结构高精高效焊接之需，其次是针对微纳结构精密焊接的脉冲激光焊接，采用微秒、纳秒等脉冲激光器解决铜铝等异种金属、金属基复合材料、陶瓷等非金属材料以及与航空结构相关的层叠材料（Glare）、碳纤维增强复合材料（CFRP）的焊接性问题。

  目前美、欧等发达国家在军工制造领域均发布国家计划以推动先进激光焊接技术的研究和应用推广。欧洲空客是航空制造企业第一家将激光焊接结构代替传统铆接结构应用于飞机铝合金壁板和桁条的连接，未来还将应用于A350飞机壁板的焊接。激光焊接金属夹层板在导弹舱体、大型飞机壁板、轻型舰船轻量化结构件制造中开始大量应用，与传统实芯结构件相比，可使重量减轻50%以上，所需空间减少2/3。飞机的混合层流控制结构也是未来激光焊接技术应用的对象，德国已在开展这方面的研究。新型铝锂合金是当今在飞机减重结构设计中可与复合材料竞争的金属结构材料，欧盟的多家研究机构一直在开展铝锂合金壁板激光焊接技术的基础研究，在Turboprop90pax减重项目中开展2198铝锂合金激光焊接技术的研究，欧盟的框架项目，如ECO-01-060、ECO-01-065、ECO-01-069等，均涉及铝锂合金激光焊接技术相关研究。欧美将铝锂合金激光焊接技术列为未来20年的研究计划。在发动机结构方面，美国普惠公司完成涡轮叶片所需部件的自动激光焊接。美国GE公司也已成功完成了发动机导向叶片组件的激光焊接，有效地解决了镍基合金零件激光焊接变形与裂纹等问题。国外还在金属间化合物、记忆合金等特殊材料激光焊方面做了很多研究工作。

  国内大功率激光焊接技术的研究最早是针对汽车板坯拼焊，目前已遍及各个领域。哈尔滨工业大学基于产学研联合，面向航天器中钛合金、不锈钢轻量化构件开展了大量研究，建立了相关的激光焊接平台。哈尔滨焊接研究所、上海交通大学等重点开展了船舶结构激光焊接和激光电弧复合焊接技术的研究。北京航空制造工程研究所则以飞机结构激光焊接为核心，联合华中科技大学、北京工业大学、西安交通大学等开展激光焊接基础研究，通过十余年的努力，已将激光焊接技术应用到飞机钛合金腹鳍、壁板等结构。同时立足自主研发，建立起了CO2激光飞行光路四轴自动控制激光切割与焊接系统，YAG激光焊机械手自动焊接系统，随着光纤激光的发展又建立了光纤激光多轴数控双光束激光焊接平台，以及双机器人双光束激光焊接平台，在国内率先形成了具有多种大功率激光焊接的实验和小批生产的设备体系。在基础方面，一方面致力于新型材料的激光焊接工艺基础研究以及焊接接头性能、焊接热效率等分析，如Ti3Al、Ti2AlNb、TiNi等金属间化合物的激光焊接；另一方面针对航空结构的铝合金、钛合金深入开展激光焊接工艺优化、缺陷控制与检测、自动化控制，并在焊接冶金与力学性能开展了大量基础性研究，不仅建立了激光焊接过程信号检测系统进行等离子体特征、熔池行为与小孔特征的过程机理研究，而且开发了钛合金激光活性剂焊接技术等发明专利。在行业内立足飞机构件铝合金和钛合金激光焊接，编制激光焊接相关工艺标准（HB）5份，未来还将逐步完善我国航空结构激光焊接工艺标准体系。

  激光焊接也存在固有缺点：

  （1）合金强化金属激光焊接因凝固结晶易形成低熔共晶而导致焊接裂纹，如高强铝合金；

  （2）激光焊接过程的小孔动态不稳定易于导致焊缝气孔；

  （3）激光光斑尺寸小，要求焊接部位的装配精度很高；

  （4）高反射材料激光焊接，激光反射不仅易于引起人员伤害，而且易于损害激光焊接设备，影响设备工作的可靠性。这些问题是国内外激光焊接工程师一直致力于的研究主题，从利用激光焊接固有特性的工艺创新，到组合激光焊接工艺技术和激光复合热源焊接技术的研究，激光焊接工艺向精密化、高效化方向发展；激光焊接装备向智能化、信息化方向发展；焊接装配向数字化、柔性化方向发展。

  激光焊接技术发展的每一步涉及的都是新材料、新结构和新工艺，在克服已有工程问题的基础上，又面向新型材料、新型结构的焊接衍生出新的科学问题和工程问题。未来的飞机以及发动机更加强调长寿命、高机动性、低成本和损伤容限设计，制造技术对轻量化、整体化结构件制造、新型结构件精密制造、低成本高效新工艺的需求更强烈，激光焊接技术仍然将起着重要的作用，其发展趋势是：

  （1）高效、自动化、智能化的激光焊接，而且电子技术、自动控制技术、传感检测和信息处理等技术的发展，也为焊接过程向柔性化、自动化、智能化的方向迈进提供有利的技术保障；

  （2）全数字化激光焊接，包括焊接过程仿真、焊接质量监测、焊接结构力学的可靠性评价，这将会大大提高航空产品的质量；

  （3）一体化集成复合型激光焊接，“一次装夹，全部完工”的数控加工理念也正在引入焊接领域，传统的单一功能焊接设备逐渐被复合型设备所取代，这些都必将对飞机、发动机制造业产生革命性的影响。