商用高功率激光器的出現(xiàn)和不斷發(fā)展，使高功率激光焊接技術(shù)得到了深入的研究和發(fā)展。高功率激光在中厚板的焊接制造上展現(xiàn)出高速、單道熔透、高質(zhì)量接頭、低變形等優(yōu)點(diǎn)，得到了工業(yè)界越來越多的關(guān)注，未來將在船舶制造、飛機(jī)制造、鋼鐵生產(chǎn)等重大設(shè)備制造、能源等工業(yè)領(lǐng)域得到突破應(yīng)用，促進(jìn)焊接生產(chǎn)效率和質(zhì)量的提高。

　　激光應(yīng)用于焊接始于上世紀(jì)60年代，自70年代以來，隨著激光器輸出功率的增加和光束質(zhì)量的提高，具有大深寬比特點(diǎn)的激光深熔焊接得到了快速發(fā)展。作為先進(jìn)焊接技術(shù)，激光焊接技術(shù)近年來在工業(yè)制造中得到越來越廣泛的應(yīng)用，比如汽車制造業(yè)、航空航天等領(lǐng)域。目前的應(yīng)用主要集中在薄板或熔深要求較小的場(chǎng)合。由于激光焊接的突出優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于更厚材料的激光焊接，國(guó)外西方國(guó)家已開展了相應(yīng)的研究，國(guó)內(nèi)目前開展了些零星的研究工作。

　　為了能焊接更厚的材料，往往需要更高功率的激光。高功率激光焊接具有一次熔深大、深寬比大、焊接速度快、熱輸入量低、變形小等特點(diǎn)。高功率激光焊接更多地被應(yīng)用于中型和重型工業(yè)的生產(chǎn)制造中，如船舶、核電、鋼鐵、能源、油氣管道等。

　　對(duì)于工業(yè)制造中涉及的板材，不同工業(yè)領(lǐng)域、不同材料對(duì)板厚的劃分實(shí)際上有所不同。我們?cè)诖舜致缘匕寻搴裨?～20mm之間的板材稱為中厚板，板厚在20mm以上的則稱為厚板。采用激光焊接的中厚板焊縫通常具有長(zhǎng)度長(zhǎng)、形狀規(guī)則、低變形要求等特點(diǎn)。

　　高功率激光焊接技術(shù)

　　1 高功率激光器及其功率

　　要進(jìn)行高功率激光焊接自然首先需要有高功率激光。通常我們把輸出功率在1kW以上的激光稱為高功率激光。當(dāng)然，激光類型不同，其高功率的界限實(shí)際上會(huì)有所不同。自上世紀(jì)90年代以來，激光技術(shù)有了快速發(fā)展，商用激光器的輸出功率不斷提高，從而使高功率激光焊接得以實(shí)現(xiàn)。

　　在現(xiàn)有的激光器類型中，二氧化碳（CO2）激光器和固體激光器是目前主要的2種高功率激光器。

　　CO2激光器為氣體激光器，以He:N2:CO2混合氣體為激光工作氣體，通過對(duì)CO2分子的激勵(lì)而發(fā)出激光，激光波長(zhǎng)為10.6μm。由于氣體介質(zhì)在諧振腔內(nèi)的分布均勻性好，所以容易獲得近衍射極限的高斯光束。CO2激光器按照結(jié)構(gòu)可細(xì)分為多種類型，其中快速軸流型、橫流型和擴(kuò)散冷卻型是市場(chǎng)上高功率CO2激光器的三大類型。這其中又以擴(kuò)散冷卻型的可達(dá)激光束質(zhì)量最高，以快速軸流型的輸出功率最高（可達(dá)20kW以上）。

　　市場(chǎng)上高功率的固體激光器主要有3類，即Nd:YAG激光、光纖激光和半導(dǎo)體激光，它們輸出激光的波長(zhǎng)均在1μm左右。半導(dǎo)體激光因受限于其工作機(jī)理而只能獲得光束質(zhì)量較差的激光，即激光的發(fā)散角大、方向性差。所以半導(dǎo)體激光主要用于堆焊（表面熔敷）、釬焊和淺熔深焊接。Nd:YAG激光的最大輸出功率已達(dá)6kW。在其基礎(chǔ)上發(fā)展起來的盤片式激光器輸出功率可達(dá)8kW，電光轉(zhuǎn)換效率達(dá)20%以上。光纖激光是近幾年來得到快速發(fā)展的固體激光器，其激光器結(jié)構(gòu)獨(dú)特并且創(chuàng)新。光纖激光以雙包層光纖為諧振腔，以二極管激光為泵浦源，其多模狀態(tài)下可輸出激光功率達(dá)25kW以上的高質(zhì)量光束。因結(jié)構(gòu)緊湊、維護(hù)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠，已表現(xiàn)出良好的應(yīng)用勢(shì)頭，在相當(dāng)多的領(lǐng)域正在逐步替代傳統(tǒng)的Nd:YAG激光和CO2激光器。

　　2 主要激光焊接技術(shù)

　　目前，常見的激光焊接技術(shù)，即純激光焊接、激光填絲焊接和激光電弧復(fù)合焊接，也是高功率激光焊接的主要焊接技術(shù)方法。

　　純激光焊接時(shí)因沒有填充金屬，對(duì)焊接件接頭間隙有相當(dāng)高的要求，要求間隙小、避免大的錯(cuò)邊，所以厚板單道激光對(duì)接焊時(shí)一般較少采用純激光焊，以避免出現(xiàn)過大的焊縫表面凹陷。激光填絲焊則因填充金屬加入而使其對(duì)間隙有一定的容忍度。激光電弧復(fù)合焊，這里一般指激光-熔化極電弧復(fù)合焊，則因?yàn)槿刍瘶O的高效率熔化而進(jìn)一步提高了間隙容忍度。同時(shí)電弧熱源的加入，使焊接過程熱循環(huán)的變化更豐富。圖1顯示的是這3種高功率激光焊接技術(shù)的原理和典型焊接接頭橫截面形狀。其中所給的激光電弧復(fù)合焊原理示意圖中電弧是旁軸式的，通常還會(huì)有同軸復(fù)合方式。從圖中焊縫橫截面形狀上可以發(fā)現(xiàn)，純激光和激光填絲焊的焊縫截面形狀是相近的，而激光電弧復(fù)合焊的焊縫橫截面形狀結(jié)合了熔化極電弧焊和激光深熔焊的熔深特征，其上部為熔化極電弧形成的上寬下窄的倒三角熔深，下半部為激光束形成的窄而深的熔化區(qū)。

　　有研究對(duì)埋弧焊、激光填絲焊和激光電弧復(fù)合焊在焊接速度、一次可焊厚度、間隙容忍度、變形、金相和疲勞性能等方面進(jìn)行了比較。研究表明，激光電弧復(fù)合焊具有最優(yōu)的綜合性能，即其焊接速度最高、接頭疲勞性能最優(yōu)，一次可焊板厚大于埋弧焊，并與純激光焊接相同；焊接變形比埋弧焊小一個(gè)數(shù)量級(jí)，與激光填絲焊的接近；其間隙容忍度介于激光填絲和埋弧焊之間。由此可以看到，激光電弧復(fù)合焊既有高的焊接生產(chǎn)率又有較高的間隙容忍度，是中厚板和厚板激光焊接的優(yōu)選焊接方法。

　　中厚板的激光焊接

　　中厚板在多個(gè)工業(yè)領(lǐng)域得到使用，如船舶制造、石油天然氣輸送、大型裝備制造等。中厚板的激光焊接國(guó)內(nèi)外已開展了不少工作（圖2）。

　　1 船用鋼

　　我國(guó)船舶工業(yè)近年來的飛速發(fā)展已經(jīng)引起了日韓的充分警覺，在其制訂的戰(zhàn)略目標(biāo)中都有針對(duì)未來中國(guó)船舶工業(yè)發(fā)展的相應(yīng)對(duì)策措施。在這樣一種態(tài)勢(shì)下，我國(guó)船舶工業(yè)事實(shí)上已開始進(jìn)入與日、韓展開戰(zhàn)略性對(duì)抗競(jìng)爭(zhēng)的階段。雖然我國(guó)目前已是造船大國(guó)，和日韓一起位于世界造船三甲，但我國(guó)船舶制造水平與日韓的差距仍然很大，大致相當(dāng)于上世紀(jì)90年代初的世界水平。我國(guó)要想成為造船強(qiáng)國(guó)，則必須進(jìn)一步快速提高自身的船舶制造技術(shù)水平。國(guó)家已要求造船企業(yè)通過引進(jìn)消化，重點(diǎn)提高模塊化舾裝、焊接、切割等船舶建造關(guān)鍵技術(shù)水平和現(xiàn)代化造船生產(chǎn)管理技術(shù)，盡快達(dá)到現(xiàn)有國(guó)際先進(jìn)水平。焊接技術(shù)是造船的關(guān)鍵技術(shù)之一，一般焊接工序所耗工時(shí)約占船體建造總工時(shí)的30%～40%，焊接成本約占船體建造總成本的30%～50%。因此，先進(jìn)的船舶高效焊接技術(shù)對(duì)提高船舶的建造效率、降低船舶建造成本、提高船舶建造質(zhì)量以及提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益起著很大的作用。鑒于激光焊接的先進(jìn)性和高效性，歐美國(guó)家率先開展了船舶材料的激光焊接研究并獲得了應(yīng)用。近幾年我國(guó)也對(duì)此開展了相應(yīng)的研究。

在船舶制造中會(huì)涉及多種鋼材，如CCS-B、A36、AH32等低碳結(jié)構(gòu)鋼，E、E36、10CrNiMnMo等低合金鋼/微合金化鋼/高強(qiáng)鋼以及不銹鋼等。根據(jù)德國(guó)船級(jí)社的一個(gè)關(guān)于船用板CO2激光焊接的指導(dǎo)文件，對(duì)于船舶結(jié)構(gòu)鋼的化學(xué)成分，即碳含量、硫磷雜質(zhì)含量等提出了建議性要求，通常要求結(jié)構(gòu)鋼的碳含量≤0.12%，硫磷雜質(zhì)含量應(yīng)分別小于0.005%和0.01%。然而我國(guó)不少船用結(jié)構(gòu)鋼的硫磷雜質(zhì)含量往往相對(duì)偏高，鑒于材料現(xiàn)狀，上海交通大學(xué)激光制造實(shí)驗(yàn)室于2005年起開展了多種國(guó)內(nèi)船用鋼中厚板板的激光焊接研究。#p#分頁標(biāo)題#e#

　　利用最大輸出功率達(dá)15kW的高功率CO2激光，先采用激光填絲焊接（LWW）技術(shù)實(shí)現(xiàn)了8mm SUS304不銹鋼、8mmCCS-B鋼、10mm CCS-A36鋼和12mm 10CrNiMnMo鋼的對(duì)接焊以及8mm不銹鋼板的單邊熔透角焊。使用的激光功率基本都在8kW以上。接頭性能測(cè)試（圖3）表明，結(jié)構(gòu)鋼和低合金高強(qiáng)鋼的接頭焊縫區(qū)因馬氏體的出現(xiàn)使其硬度最大，一般為HV300以上，低合金高強(qiáng)鋼甚至可達(dá)HV360以上?？梢姾缚p強(qiáng)度必然明顯高于母材。接頭的拉伸性能顯示焊接接頭與母材是等強(qiáng)的，試樣的拉伸斷裂均發(fā)生在母材側(cè)。對(duì)8mmCCS-B鋼激光填絲焊焊縫進(jìn)行的室溫Charpy缺口沖擊試驗(yàn)表明，焊縫沖擊性能不低于母材。在通過工藝優(yōu)化，適當(dāng)降低焊接速度和激光功率，使焊縫金相組織得到優(yōu)化，馬氏體成分減少，焊縫硬度值降低，沖擊韌性有所提高。

　　采用激光－MIG電弧復(fù)合焊接方法實(shí)現(xiàn)了8mm SUS304不銹鋼、8mm CCS-B鋼、10mm CCS-A36鋼、15mm 10CrNiMnMo鋼和16mm E級(jí)鋼的對(duì)接和/或角接。焊接接頭質(zhì)量良好。

　　2 船用鋁合金

　　隨著對(duì)某些船體減重的需求，鋁合金材料在船體中得到了應(yīng)用。船用鋁合金5083H是目前在船體制造中使用較多的一種鋁合金。將激光焊接應(yīng)用在此類鋁合金材料同樣具有積極的作用。由于鋁合金對(duì)激光有高發(fā)射率，尤其是CO2激光，所以激光焊接鋁合金時(shí)往往要求高的光斑功率密度。采取電弧輔助熱源，對(duì)激光前方的焊接區(qū)域進(jìn)行預(yù)熱，可以提高材料對(duì)激光的吸收。激光與電弧復(fù)合焊時(shí)電弧可以在激光的前面，也可以在其后面。為避免入射到工件表面的激光被反射后按原路返回到激光器諧振腔，在實(shí)際焊接時(shí)將激光束相對(duì)工件表面法線做微小角度的偏離。試驗(yàn)中采取激光在前、電弧在后的復(fù)合熱源排列方式。通過試驗(yàn)研究和工藝優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了6mm和10mm鋁合金5083H的單道激光電弧復(fù)合焊接，焊接速度達(dá)2m/min以上，焊縫深寬比達(dá)1以上，焊接接頭質(zhì)量符合要求，接頭強(qiáng)度和180°彎曲性能與母材相當(dāng)或相等。

　　3 管線鋼

　　為適應(yīng)我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要，石油天然氣的需求量大大增加，因此，石油天然氣輸送管線的鋪設(shè)已成為其主要決定因素。管線鋼的焊接成為必然要涉及的問題。采用常規(guī)焊接方法已經(jīng)能實(shí)現(xiàn)管線鋼的焊接。但為了提高焊接效率和接頭質(zhì)量，國(guó)外開展了管線鋼的激光焊接研究，研究激光焊接熱循環(huán)條件下接頭的組織性能變化、接頭焊接缺陷情況等。激光制造實(shí)驗(yàn)室利用15kW的CO2激光功率一次焊透15mm厚的管線鋼X52和X70。焊接過程穩(wěn)定，焊接速度達(dá)0.6m/min，接頭無明顯焊接缺陷，接頭焊縫處和熱影響區(qū)的沖擊韌性與母材相近，甚至還有超過。激光-電弧復(fù)合焊可以有更多的可能來優(yōu)化工藝，其實(shí)際適應(yīng)性更佳，所以管線鋼的激光復(fù)合焊方面的研究工作將繼續(xù)進(jìn)一步開展。

　　4 哈氏合金

　　在化工、鋼鐵等領(lǐng)域存在著具有一定溫度的較強(qiáng)腐蝕性環(huán)境，許多關(guān)鍵部件或裝置需要在該環(huán)境下工作，如煤化工中的醋酸生產(chǎn)中的反應(yīng)容器。為了使相應(yīng)裝備具有優(yōu)良的耐腐蝕性，哈氏合金（Hastelloy）得到了開發(fā)和應(yīng)用。哈氏合金是一種鎳基合金，鉻、鉬等為主要合金元素。在汽車鍍鋅鋼板生產(chǎn)中的鍍鋅過程需要導(dǎo)電輥，導(dǎo)電輥與一定溫度的鋅液接觸并構(gòu)成電極。為此要求導(dǎo)電輥外表面具有優(yōu)異的耐腐蝕性能和高溫穩(wěn)定性。由此哈氏合金C22被應(yīng)用到了導(dǎo)電輥的外套制造上。

　　作為鎳基合金，哈氏合金具有和不銹鋼類似的焊接性。鎢極氬弧焊、手弧焊、等離子焊、電子束焊、激光焊等焊接方法均可采用。哈氏合金具有低熱傳導(dǎo)系數(shù)、高線性膨脹系數(shù)和熔池液態(tài)金屬的高粘度等特點(diǎn)，焊接過程中需避免高熱輸入量。

　　采用激光焊接具有熱輸入量小、熔池流動(dòng)能力強(qiáng)、熔深大等優(yōu)點(diǎn)。通過采用合理的激光功率和線能量，成功實(shí)現(xiàn)了10mm厚的哈氏合金C22純激光單道焊接。接頭成形良好，無宏觀氣孔、裂紋等缺陷。經(jīng)過固溶處理，焊接接頭區(qū)域具有優(yōu)良的耐腐蝕性能。國(guó)內(nèi)自主研制的哈氏合金筒已應(yīng)用到導(dǎo)電輥上并在實(shí)際鍍鋅鋼板的生產(chǎn)中得到了考核，耐腐蝕性能優(yōu)于進(jìn)口部件。

　　5 國(guó)外研發(fā)情況

　　歐美國(guó)家和日本在上世紀(jì)末、本世紀(jì)初進(jìn)行了中厚板的激光焊接技術(shù)研究，利用高功率CO2激光和Nd:YAG激光也成功實(shí)現(xiàn)了20mm以下中厚度板的激光單道熔透焊接。

　　德國(guó)的FraunhoferILT研究所利用10kW CO2激光和熔化極氣保護(hù)焊（MAG）的復(fù)合焊接了12mm厚的EH36船用鋼板、12mm厚的不銹鋼；通過將激光輸出功率提高到15kW焊接了15mm厚的低碳鋼，焊接速度達(dá)到1.2m/min。

　　法國(guó)的InstitutdeSoudure研究所采用17kW純CO2激光，以1.6m/min焊接速度成功焊接了15mm厚的鈦合金TA6V，采用15kWCO2激光功率、2.6m/min焊接速度和填充焊絲焊接了6mm厚的5086鋁合金。另外也在12mm厚的C-Mn鋼板和15mm的管線鋼上獲得了良好的對(duì)接焊接頭。

　　日本的三菱重工TakasagoR & DCenter利用高功率Nd:YAG激光開展了相應(yīng)中厚板的焊接。當(dāng)采用4.8kW激光輸出功率時(shí)SUS304不銹鋼的焊接熔深已達(dá)到8mm以上。他們最終采用脈沖形式平均7.6kW的YAG激光功率和0.2m/min的焊速一次焊透了20mm的SUS304不銹鋼。

　　德國(guó)的IMG公司利用美國(guó)IPG公司生產(chǎn)的10kW光纖激光器，成功地將光纖激光應(yīng)用到了中厚度鋼板的拼板焊接。他們采用激光復(fù)合焊工藝，分別采用7.8kW和10kW的激光功率焊接了6mm和10mm的船用鋼板，焊接速度分別達(dá)到3.2m/min和1.5m/min。

　　結(jié)束語

　　利用高功率激光單道焊接中厚板材料在許多工業(yè)領(lǐng)域中有良好的應(yīng)用前景并得到了成功應(yīng)用。通過激光功率和焊接速度的優(yōu)化、激光和其他熱源如電弧的復(fù)合等，使多種材料如低碳鋼、低合金高強(qiáng)鋼、鋁合金、鈦合金、鎳基合金等的中厚度板成功實(shí)現(xiàn)了激光單道熔透焊接，焊接厚度達(dá)20mm。CO2激光和YAG激光是目前最為廣泛使用的激光類型，但近年來發(fā)展起來的光纖激光已展現(xiàn)出優(yōu)異的性能并逐步得到關(guān)注和應(yīng)用。對(duì)于中紅外波段的CO2激光，其高功率激光焊接時(shí)所采用的激光功率一般在8kW以上。對(duì)于近紅外波段的YAG激光或光纖激光，其高功率激光焊接時(shí)所采用的激光功率一般在4kW以上。研究和應(yīng)用結(jié)果表明，采用高功率激光焊接技術(shù)可實(shí)現(xiàn)高速、極小焊后變形的中厚板焊接，焊接接頭質(zhì)量良好，某些鋼種的激光焊縫和熱影響區(qū)表現(xiàn)出遠(yuǎn)優(yōu)于常規(guī)焊接的沖擊韌性，為激光焊接在重大裝備制造中的應(yīng)用提供了有力的支撐。隨著高功率激光焊接的優(yōu)越性逐漸得到業(yè)內(nèi)的認(rèn)可，高功率激光焊接工藝必將在重大裝備的中厚板焊接甚至厚板焊接中得到更為深入的應(yīng)用。