技术前沿｜激光焊接技术的研究现状及最新发展(氦气发展趋势,关键词优化)

摘要：激光焊接技术是一种新型的优质焊接技术。本文从激光焊接技术的技术内涵和工艺特点出发就激光焊接技术在激光器、等离子体控制和自动检测技术三个方面系统地进行了分析。根据激光焊接技术的特点对其未来发展方向做出了预测。

1 引言

20世纪60年代，激光的出现是人类史上最重大的科学成果之一，而在激光工艺技术中，激光焊接技术是目前重点发展的技术。

20世纪末，欧美各国已将激光焊接技术在工业制造过程中充分应用。而我国激光焊接技术刚刚起步，其在工业发展的应用还需根据我国的工业发展特点制定出相应的策略。

随着工业制造的快速发展，环保、节能、高效、敏捷的加工技术将成为发展重点，而激光焊接技术正是符合这一发展趋势的加工技术，因此它将会成为21世纪最有发展前景的应用技术之一。

2 激光技术的研究现状

目前，在激光焊接技术的研究过程中，其研究领域主要集中在激光器、等离子体控制、自动检测技术及各种材料激光焊及激光切割质量等方而。下而将从三个方而对激光焊接技术研究现状进行概述。

2.1激光器的研究现状

目前，应用较为广泛且技术较为完善的激光器主要有CO2激光器、Nd:YAG激光器和半导体激光器等。

CO2激光器属气体激光器，其激光活性介质为碳酸气、氮气、氦气等混合气体，其中CO2为产生辐射的气体，氢气和氦气为辅助性的气体，发射光一般以连续的方式工作，波长为10.6微米，电能转化为光能的效率为10%-30%，其输出功率一般为0.5-50kW;世界上第一台激光器所用工作物质为红宝石。

而Nd:YAG激光器属固体激光器，钻铝石榴石(YAG)晶体中加有一定量钦离子是它的激光活性介质，发射光的工作方式为连续和脉冲，波长为1.06微米，电能转化为光能的效率为3%-10%，其输出功率一般为0.1-5kW。

Nd:YGA激光器的电-光转化效率比CO2激光器的低，材料对其光束吸收率高，对高反射效率的材料有较好的焊接效果，特别是Nd:YAG激光器可用光纤运输，使得其与机器人加工系统匹配方便，这对自动化生产和远程控制的实现有着重要的意义，因此在激光焊接中占据主要地位。

虽然集中开发研制设备仍然是CO2激光器，但提高最大输出功率已不在其中，而光束质量及其聚焦性能的提高才是其核心。

研发提高平均功率是Nd:YAG激光系统的发展趋势，而此发展趋势受限于难生长出高质量晶体和获得激光技术。

近年来，新型激光器正高速发展，比如CO激光器和光纤激光器。CO激光的波长是CO2激光的一半，材料对CO的吸收率大于CO2，相对于YAG激光器，CO激光器具有其所特有的低成本和输出易于放大等特点，几十千瓦的输出十分容易获得，适合应用于手工业的制造。光纤激光器也凭借着免维护，转换效率高于27%，光纤距离大焦距(可达200m)等众多优势占据工业市场，具有十分强大的发展潜力。

2.2 等离子体控制的研究现状

等离子体是不同于固、液、气的物质第四态，它的出现俨然成为激光技术而临的最大问题。激光的高能量密度使金属汽化，在空气中当汽化后的金属与激光接触，出现电离现象便产生了大量的等离子体。等离子体吸收、散射和折射激光束的特点，使光斑聚焦位置偏离，焊接效果直接受到影响。

因此，如何控制等离子体是激光优化的最有效方式。日本的YArata发明了激光摆动法避免等离子体的产生。影响激光束传输的关键是等离子体的电子密度，可通过磁场辐射的方式来降低等离子体对激光束的屏蔽作用。除此之外，也可侧吹辅助气体或者在低气压环境中进行焊接，以此来控制等离子体。

2.3 激光焊接过程自动检测的研究现状

激光焊接过程需要实时监控技术对产品的质量进行控制，这是激光焊接技术实现自动化的研究方向。有研究者系统地阐述了在激光焊接过程中对声信号和光信号的检测，并设计了具有可行性的设计方案。

Li和Steem等设计了用来检测等离子体动态电信号的绝缘喷嘴。高向东等利用视觉传感技术和图像处理技术，有效地提取了焊接过程中的各种信号，实现了激光焊接技术的自动化控制YoungWhanPark等通过UV和IR探测器检测等离子的红外线和紫外线辐射，使得焊接过程的在线监测成为可能.

ChangWS和SJNa用数学模型论证了热源控制在焊接过程中的重要作用。SDixon等利用电磁学转换器检测焊接过程中的超声波，通过材料内部的超声波来反映焊接缺陷。

目前的研究结果表明:声、光、电、紫外/红外线辐射信号和超声波信号可用来检测激光焊接过程。

3 激光焊接技术的最新发展

3.1新型激光器的研发

固体激光器和CO2激光器是当今市场上应用相对广泛的激光器。CO2激光器的光束质量好、消耗气体少、运行稳定可靠、成本低，而固体激光器的使用寿命长，但成本高。新研发激光器有准分子激光器，其单光分子能量更好，并且能够深入材料内部微观组织中进行加工，在非放热效应下，材料的变形率小，这使得激光焊接水平可以大大提高。

3.2 双焦点激光焊接技术

在激光双焦点焊接中，通过聚焦头的激光束聚焦到工件表面。获得高质量焊缝的关键是较好的激光聚集性。双焦点激光焊接技术可在被焊材料上形成两个间距很小的焦点，两个焦点的叠加即可提高激光的聚集性和稳定性。双焦点激光焊接技术不仅能使焊缝的深度提高，也可使焊接的速度加快，因而避免溶洞的出现等问题，现在已成为一种新的激光焊接技术。

3.3 复合激光焊接技术

复合激光焊接技术是传统的焊接技术与激光技术的结合，这种技术具备了二者的双重优点。发展较为显著的复合激光焊接技术有激光一电弧焊接技术，激光一电弧复合焊接技术既能充分表现出激光焊和电弧焊各自的优点又能有效地避免各自的不足。

它的特点为:电弧的加入延长了焊缝凝固时间，稀释了等离子，有效减少气孔、裂纹等缺陷，激光与MIG电弧焊复合有效减少焊接裂纹倾向和提高焊缝的力学性能。复合激光焊接技术可实现较大焊缝的焊接，并且使焊缝的韧性进一步提升。

4 结语

激光焊接技术有很多独特优势，如能量密度高、焊缝窄、不需真空环境和不受导电材料制约等。目前，激光焊接使用中已出现智能化，极大推动了高精尖焊接工艺在各个领域的发展。现在激光焊接技术已成功运用到生物医学上，未来很可能用到临床检测、手术等特殊行业中。激光器的研发、双焦点激光焊接技术和复合激光技术是激光焊接新的发展方向。

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