商用高功率激光器的出現和不斷發展，使高功率激光焊接技術得到了深入的研究和發展。高功率激光在中厚板的焊接制造上展現出高速、單道熔透、高質量接頭、低變形等優點，得到了工業界越來越多的關注，未來將在船舶制造、飛機制造、鋼鐵生產等重大設備制造、能源等工業領域得到突破應用，促進焊接生產效率和質量的提高。 激光應用于焊接始于上世紀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量的提高，具有大深寬比特點的激光深熔焊接得到了快速發展。作為先進焊接技術，激光焊接技術近年來在工業制造中得到越來越廣泛的應用，比如汽車制造業、航空航天等領域。目前的應用主要集中在薄板或熔深要求較小的場合。由于激光焊接的突出優點，對于更厚材料的激光焊接，國外西方國家已開展了相應的研究，國內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。高功率激光焊接更多地被應用于中型和重型工業的生產制造中，如船舶、核電、鋼鐵、能源、油氣管道等。 對于工業制造中涉及的板材，不同工業領域、不同材料對板厚的劃分實際上有所不同。我們在此粗略地把板厚在6～20mm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度長、形狀規則、低變形要求等特點。 高功率激光焊接技術 1 高功率激光器及其功率 要進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。當然，激光類型不同，其高功率的界限實際上會有所不同。自上世紀90年代以來，激光技術有了快速發展，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現。 在現有的激光器類型中，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CO2分子的激勵而發出激光，激光波長為10.6μm。由于氣體介質在諧振腔內的分布均勻性好，所以容易獲得近衍射極限的高斯光束。CO2激光器按照結構可細分為多種類型，其中快速軸流型、橫流型和擴散冷卻型是市場上高功率CO2激光器的三大類型。這其中又以擴散冷卻型的可達激光束質量最高，以快速軸流型的輸出功率最高（可達20kW以上）。 市場上高功率的固體激光器主要有3類，即Nd:YAG激光、光纖激光和半導體激光，它們輸出激光的波長均在1μm左右。半導體激光因受限于其工作機理而只能獲得光束質量較差的激光，即激光的發散角大、方向性差。所以半導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6kW。在其基礎上發展起來的盤片式激光器輸出功率可達8kW，電光轉換效率達20%以上。光纖激光是近幾年來得到快速發展的固體激光器，其激光器結構獨特并且創新。光纖激光以雙包層光纖為諧振腔，以二極管激光為泵浦源，其多模狀態下可輸出激光功率達25kW以上的高質量光束。因結構緊湊、維護簡單、運行可靠，已表現出良好的應用勢頭，在相當多的領域正在逐步替代傳統的Nd:YAG激光和CO2激光器。 2 主要激光焊接技術 目前，常見的激光焊接技術，即純激光焊接、激光填絲焊接和激光電弧復合焊接，也是高功率激光焊接的主要焊接技術方法。 純激光焊接時因沒有填充金屬，對焊接件接頭間隙有相當高的要求，要求間隙? ⒈苊獯蟮拇肀擼院癜宓サ蘭す舛越雍甘幣話憬仙儼捎么考す夂福員苊獬魷止蟮暮阜轂礱姘枷蕁＜す馓釧亢岡蛞蛺畛浣鶚艏尤攵蠱潿約湎隊幸歡ǖ娜萑潭取＜す獾緇「春蝦福飫鏌話闃訃す?熔化極電弧復合焊，則因為熔化極的高效率熔化而進一步提高了間隙容忍度。同時電弧熱源的加入，使焊接過程熱循環的變化更豐富。圖1顯示的是這3種高功率激光焊接技術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合焊原理示意圖中電弧是旁軸式的，通常還會有同軸復合方式。從圖中焊縫橫截面形狀上可以發現，純激光和激光填絲焊的焊縫截面形狀是相近的，而激光電弧復合焊的焊縫橫截面形狀結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。有研究對埋弧焊、激光填絲焊和激光電弧復合焊在焊接速度、一次可焊厚度、間隙容忍度、變形、金相和疲勞性能等方面進行了比較。研究表明，激光電弧復合焊具有最優的綜合性能，即其焊接速度最高、接頭疲勞性能最優，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數量級，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，激光電弧復合焊既有高的焊接生產率又有較高的間隙容忍度，是中厚板和厚板激光焊接的優選焊接方法。 中厚板的激光焊接 中厚板在多個工業領域得到使用，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內外已開展了不少工作（圖2）。1 船用鋼 我國船舶工業近年來的飛速發展已經引起了日韓的充分警覺，在其制訂的戰略目標中都有針對未來中國船舶工業發展的相應對策措施。在這樣一種態勢下，我國船舶工業事實上已開始進入與日、韓展開戰略性對抗競爭的階段。雖然我國目前已是造船大國，和日韓一起位于世界造船三甲，但我國船舶制造水平與日韓的差距仍然很大，大致相當于上世紀90年代初的世界水平。我國要想成為造船強國，則必須進一步快速提高自身的船舶制造技術水平。國家已要求造船企業通過引進消化，重點提高模塊化舾裝、焊接、切割等船舶建造關鍵技術水平和現代化造船生產管理技術，盡快達到現有國際先進水平。焊接技術是造船的關鍵技術之一，一般焊接工序所耗工時約占船體建造總工時的30%～40%，焊接成本約占船體建造總成本的30%～50%。因此，先進的船舶高效焊接技術對提高船舶的建造效率、降低船舶建造成本、提高船舶建造質量以及提高企業經濟效益起著很大的作用。鑒于激光焊接的先進性和高效性，歐美國家率先開展了船舶材料的激光焊接研究并獲得了應用。近幾年我國也對此開展了相應的研究。 在船舶制造中會涉及多種鋼材，如CCS-B、A36、AH32等低碳結構鋼，E、E36、10CrNiMnMo等低合金鋼/微合金化鋼/高強鋼以及不銹鋼等。根據德國船級社的一個關于船用板CO2激光焊接的指導文件，對于船舶結構鋼的化學成分，即碳含量、硫磷雜質含量等提出了建議性要求，通常要求結構鋼的碳含量≤0.12%，硫磷雜質含量應分別小于0.005%和0.01%。然而我國不少船用結構鋼的硫磷雜質含量往往相對偏高，鑒于材料現狀，上海交通大學激光制造實驗室于2005年起開展了多種國內船用鋼中厚板板的激光焊接研究。 利用最大輸出功率達15kW的高功率CO2激光，先采用激光填絲焊接（LWW）技術實現了8mm SUS304不銹鋼、8mmCCS-B鋼、10mm CCS-A36鋼和12mm 10CrNiMnMo鋼的對接焊以及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。接頭性能測試（圖3）表明，結構鋼和低合金高強鋼的接頭焊縫區因馬氏體的出現使其硬度最大，一般為HV300以上，低合金高強鋼甚至可達HV360以上。可見焊縫強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的，試樣的拉伸斷裂均發生在母材側。對8mmCCS-B鋼激光填絲焊焊縫進行的室溫Charpy缺口沖擊試驗表明，焊縫沖擊性能不低于母材。在通過工藝優化，適當降低焊接速度和激光功率，使焊縫金相組織得到優化，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電弧復合焊接方法實現了8mm SUS304不銹鋼、8mm CCS-B鋼、10mm CCS-A36鋼、15mm 10CrNiMnMo鋼和16mm E級鋼的對接和/或角接。焊接接頭質量良好。 2 船用鋁合金 隨著對某些船體減重的需求，鋁合金材料在船體中得到了應用。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。將激光焊接應用在此類鋁合金材料同樣具有積極的作用。由于鋁合金對激光有高發射率，尤其是CO2激光，所以激光焊接鋁合金時往往要求高的光斑功率密度。采取電弧輔助熱源，對激光前方的焊接區域進行預熱，可以提高材料對激光的吸收。激光與電弧復合焊時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，在實際焊接時將激光束相對工件表面法線做微小角度的偏離。試驗中采取激光在前、電弧在后的復合熱源排列方式。通過試驗研究和工藝優化，實現了6mm和10mm鋁合金5083H的單道激光電弧復合焊接，焊接速度達2m/min以上，焊縫深寬比達1以上，焊接接頭質量符合要求，接頭強度和180°彎曲性能與母材相當或相等。 3 管線鋼 為適應我國經濟發展的需要，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。采用常規焊接方法已經能實現管線鋼的焊接。但為了提高焊接效率和接頭質量，國外開展了管線鋼的激光焊接研究，研究激光焊接熱循環條件下接頭的組織性能變化、接頭焊接缺陷情況等。激光制造實驗室利用15kW的CO2激光功率一次焊透15mm厚的管線鋼X52和X70。焊接過程穩定，焊接速度達0.6m/min，接頭無明顯焊接缺陷，接頭焊縫處和熱影響區的沖擊韌性與母材相近，甚至還有超過。激光-電弧復合焊可以有更多的可能來優化工藝，其實際適應性更佳，所以管線鋼的激光復合焊方面的研究工作將繼續進一步開展。 4 哈氏合金 在化工、鋼鐵等領域存在著具有一定溫度的較強腐蝕性環境，許多關鍵部件或裝置需要在該環境下工作，如煤化工中的醋酸生產中的反應容器。為了使相應裝備具有優良的耐腐蝕性，哈氏合金（Hastelloy）得到了開發和應用。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中的鍍鋅過程需要導電輥，導電輥與一定溫度的鋅液接觸并構成電極。為此要求導電輥外表面具有優異的耐腐蝕性能和高溫穩定性。由此哈氏合金C22被應用到了導電輥的外套制造上。 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系數、高線性膨脹系數和熔池液態金屬的高粘度等特點，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? ⑷鄢亓鞫芰η俊⑷凵畬蟮扔諾恪Ｍü捎煤俠淼募す夤β屎拖吣芰浚曬κ迪至?0mm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。經過固溶處理，焊接接頭區域具有優良的耐腐蝕性能。國內自主研制的哈氏合金筒已應用到導電輥上并在實際鍍鋅鋼板的生產中得到了考核，耐腐蝕性能優于進口部件。 5 國外研發情況 歐美國家和日本在上世紀末、本世紀初進行了中厚板的激光焊接技術研究，利用高功率CO2激光和Nd:YAG激光也成功實現了20mm以下中厚度板的激光單道熔透焊接。 德國的FraunhoferILT研究所利用10kW CO2激光和熔化極氣保護焊（MAG）的復合焊接了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，焊接速度達到1.2m/min。 法國的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激光開展了相應中厚板的焊接。當采用4.8kW激光輸出功率時SUS304不銹鋼的焊接熔深已達到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。 德國的IMG公司利用美國IPG公司生產的10kW光纖激光器，成功地將光纖激光應用到了中厚度鋼板的拼板焊接。他們采用激光復合焊工藝，分別采用7.8kW和10kW的激光功率焊接了6mm和10mm的船用鋼板，焊接速度分別達到3.2m/min和1.5m/min。 結束語 利用高功率激光單道焊接中厚板材料在許多工業領域中有良好的應用前景并得到了成功應用。通過激光功率和焊接速度的優化、激光和其他熱源如電弧的復合等，使多種材料如低碳鋼、低合金高強鋼、鋁合金、鈦合金、鎳基合金等的中厚度板成功實現了激光單道熔透焊接，焊接厚度達20mm。CO2激光和YAG激光是目前最為廣泛使用的激光類型，但近年來發展起來的光纖激光已展現出優異的性能并逐步得到關注和應用。對于中紅外波段的CO2激光，其高功率激光焊接時所采用的激光功率一般在8kW以上。對于近紅外波段的YAG激光或光纖激光，其高功率激光焊接時所采用的激光功率一般在4kW以上。研究和應用結果表明，采用高功率激光焊接技術可實現高速、極小焊后變形的中厚板焊接，焊接接頭質量良好，某些鋼種的激光焊縫和熱影響區表現出遠優于常規焊接的沖擊韌性，為激光焊接在重大裝備制造中的應用提供了有力的支撐。隨著高功率激光焊接的優越性逐漸得到業內的認可，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用。