薄、中厚板中，高功率光纖激光的焊接應用需區別對待

07-14

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作者：凌純 1, 孟威 2

1.海軍駐江南造船(集團)有限責任公司軍事代表室

2.中國船舶重工集團公司第七二五研究所

在工業焊接領域，激光焊接由於其獨特的優勢日益引起各國的重視。隨著激光器的快速發展，光纖激光器不僅在焊接質量和經濟性上超越了其他的傳統焊接加工方式，且在經濟性上也能得到很大的提升，焊接金屬和合金能夠獲得更多的新功能和更高的靈活性，應用越來越廣泛。高功率光纖激光器穩定性好，光束質量高，而且使用方法簡便，可實現免維護，在汽車、船舶和航空等製造行業已經得到成功應用，有迅速替代傳統的YAG和CO2 激光器的趨勢。

目前，高功率光纖激光器已成功應用於低碳鋼、低合金高強鋼、不鏽鋼、鋁合金、鎂合金、鈦合金、鎳基合金等黑色和有色金屬材料的焊接，取得了豐富的研究成果。光纖激光器作為一種新型激光焊接設備，具有更高光束質量和輸出功率，其焊接行為和焊接特徵與氣體激光器差別較大，還有待進一步深入研究。本文重點介紹高功率光纖激光焊接特點、國內外研究現狀、存在問題及發展趨勢。

高功率光纖激光焊的特徵及優勢

光纖激光以光纖作為工作介質，其激光波長為1.07 μm，目前，摻鐿光纖激光器最高輸出功率可達100 kW。由於光纖激光波長為CO2 激光的1/10，焦點光斑直徑也較小，因此，光纖激光與CO2激光的焊接特性呈現多方面差異，有資料表明這種差異與不同波長激光和材料間的耦合特性相關，具體表現在等離子體和匙孔行為及其耦合作用、材料對激光能量的吸收、焊縫成形及焊接缺陷等。

一方面，由於材料對激光的吸收與材料種類和激光的波長有關，輻射激光波長越短、材料導電性越差，金屬對入射激光的吸收率越高。特別是鋁合金激光焊接深熔閾值與激光器波長及光束質量密切相關，光束質量越好，激光波長越短，則激光深熔閾值越小，因而針對同種合金，相比於CO2 激光，採用光纖激光更易獲得大的熔深。

徐國建等對比研究了光纖激光器和CO2激光器的焊接特性，發現當焊接速度和輸出功率相同時，光纖激光比CO2激光焊接可獲得更大的熔深及更窄的熔寬；在負離焦條件下，CO2 激光焊接的熔深減小比率大於光纖激光焊接。另外，有研究學者也發現兩種激光器焊接的熔化效率均隨焊接速度先增加後減小，分析表明兩種激光焊接熔化效率的差異與激光能量耦合的固有規律不同有關。因此，從焊接效率上考慮，光纖激光器更適合於高速焊接，而 CO2激光器更適合於低速焊接。

Gresev和 Kawahito 等分別對CO2 激光和光纖激光焊接過程孔外金屬蒸汽 / 等離子體形貌進行了觀察，結果如圖 1 所示。光纖激光焊接過程孔外金屬蒸汽 / 等離子體溫度場、形態、面積等特徵參數與CO2 激光不同，導致光纖激光焊接過程匙孔和等離子體的動態行為及物理特性必與氣體激光區別較大。

圖1 不同激光焊接金屬蒸汽/等離子體形貌

高功率光纖激光相對於其他類型的激光器具有在極高功率下保證良好的光束質量的特點，能夠實現更大熔深的焊接，且利用光纖傳輸能夠實現遠程柔性加工，在焊接工程領域應用越來越廣泛，日益引起各國的重視。然而，光纖激光焊接特性與其他激光不同，目前對光纖激光焊接過程相關機理的研究和認識還不夠深入，仍需相關研究人員圍繞光纖激光焊接特性進行相關的研究工作。

薄板的高功率光纖激光焊接

光纖激光焊接具有高的光束質量和焊接效率，較易實現鋼和鋁合金等薄板的焊接，焊接過程穩定，且焊接質量較好，已在汽車等行業獲得廣泛應用。由於薄鋼板激光焊接工藝較為成熟，焊接難度不大，目前，對薄板光纖激光焊接的研究主要集中在對激光反射較大的鋁合金和鈦合金等有色金屬材料上。

CuiLi等採用光纖激光-MIG 複合焊接技術焊接了1.5 mm厚工業純鈦，發現電流、焊接速度、絲光距、離焦量等工藝參數對焊縫表面形貌、熔寬和接頭伸長率有重要影響，而對其抗拉強度影響不大。另有研究發現，光纖激光焊TC4 鈦合金薄板的焊縫背寬比常常大於 YAG激光焊縫，焊接接頭的強度和塑性均高於YAG激光焊接接頭。

VSchultz等利用 IPGYLR-1000SM激光器採用填絲焊的方法焊接了1 mm厚鋁合金，發現對接間隙小於板厚時，工藝選擇範圍較寬，且能獲得高質量焊縫；通過調整工藝，間隙為板厚度的315%時，能夠實現搭接，對接板搭橋能力受所焊材料和焊絲成分的影響較大。

GCasalino等採用光纖激光 -MIG 複合焊接進行3 mm厚AA5754 鋁合金焊接，發現高的激光功率有利於焊接過程的穩定性並能夠獲得良好焊縫的結構和幾何性能，而低的電流和電壓在熱影響區能獲得更低的殘餘應力。

與其他類型的激光器相比，光纖激光焊接具有能量更為集中、焊接變形更小和柔性更高等優點，與其他熱源進行複合或填絲能大大降低對接焊時的間隙裕度，減少焊接缺陷，提高接頭性能等，能較好地保證薄板的焊接質量。對輕量化要求較高的航空航天領域利用激光焊接輕質材料薄板具有更大的優勢，其中，鋁合金等薄板材料的光纖激光焊接已成為各國航空界研究的焦點。因此，隨著薄板材料光纖激光焊接技術的成熟，光纖激光在薄板焊接中的應用將會獲得更大的發展空間。

中厚板的高功率光纖激光焊接

多年來，焊接研究者一直在探索利用激光焊接厚板，但是嚴格的裝配要求、焊縫力學性能以及大功率激光器的高成本限制了厚板激光焊的應用。與傳統CO2 激光焊接工藝相比，光纖激光厚板焊接工藝具有明顯的優勢，這主要得益於金屬材料對波長為1070 nm光纖激光的反射係數更低，特別在焊接鋁、銅等高反射係數金屬材料時的優勢尤其明顯。光纖激光的高亮度特性可以顯著降低焊接過程對焦點位置的敏感性，從而降低了實現高質量焊接的難度。另外，光纖激光與電弧複合焊接厚板能夠顯著降低工件熱變形現象，改善焊縫外觀並增加熔深。

光纖激光深熔焊接中厚板材料時，極高的激光功率和極快的焊接速度，使得材料在極短的時間內被加熱、升溫、熔化並發生劇烈的氣化，焊接區域溫度梯度的變化、加熱和冷卻速率極快，即焊接熱循環特性與其他焊接方法和低功率激光焊接不盡相同，使得焊接接頭組織特徵和性能都將發生變化，必將影響焊接結構件的力學性能及失效行為。中厚板的光纖激光焊接國內外已取得了一定的研究成果，但還處在應用初期，焊接過程仍存在較多的問題沒有解決，如焊接過程穩定性和缺陷抑制等，仍需開展系統深入的研究。

Mikhail Sokolov 等利用 IPGYLR 15000激光器對接焊20 mm厚低合金高強鋼，發現焊縫熔深和接頭側面粗糙度緊密相關，當表面粗糙度 Ra=6.3 μm時，能夠獲得最大熔深。

MGrupp等利用 IPT YLR-30000 激光器實現了大於30 mm熔深的304不鏽鋼焊接，焊縫形貌和電子束焊接相差不大，但激光焊接不需要真空環境，沒有焊縫尺寸的限制。並預測激光輸出功率達到50 kW，就能獲得超過60 mm熔深。

SeijiKatayama等利用 IPTYLR-30000 激光器進行304不鏽鋼和5052鋁合金焊接，發現在高速下激光功率密度對熔深的影響較大，而在低速下只有更高的激光功率才能獲得更大的熔深。焊接過程等離子體的動態行為與焊縫熔深的變化及飛濺、未熔合、氣孔和駝峰等缺陷的產生密切相關。

ZhangMingjun 等採用IPGYLS-10000 光纖激光器進行12 mm厚304不鏽鋼板焊接，發現離焦量是萬瓦級光纖激光深熔焊接厚板過程中一個關鍵工藝參數。

飛濺產生的主要驅動力是小孔內蒸發蒸汽反衝壓力和高速噴射的金屬蒸汽 / 等離子體對小孔壁的摩擦力。圖2為12 mm厚不鏽鋼光纖激光熔透焊焊縫形貌(焊縫背面駝峰缺陷)，只有採用輔助手段淵強制背面快速冷卻冤才能避免此類缺陷，如背面保護措施。

圖2 12 mm厚不鏽鋼光纖激光熔透焊焊縫形貌

Cao等利用光纖激光 -MAG 焊接方法進行了低合金高強鋼厚板焊接，能夠獲得窄的焊縫和熱影響區，且焊接殘餘應力和變形較小，複合焊接的熱輸入大於激光焊而小於 MAG焊接，MAG電弧的加入有利於增加焊縫熔深和提高焊接速度的。這種複合焊接方法已被成功用於焊接9.3 mm厚低合金高強鋼板。

Zhang 等研究了10 kW光纖激光焊接厚板過程焊接參數對焊縫成形的影響。試驗發現，採用特殊的側吹保護，在激光功率和焊接速度分別為10 kW和0.3m/min時，可以使得焊縫熔深從18.2 mm 增大到24.5 mm。隨後開設雙面Y型坡口，先後採用激光自熔焊對接打底，然後多道激光填絲焊接工藝，實現50 mm不鏽鋼板的良好連接。

高功率光纖激光焊接的問題及發展趨勢

光纖激光器是焊接領域實現高速、大熔深焊接最合適的熱源之一。然而，大型工程項目焊接對於激光焊接質量的可靠性和穩定性要求越來越高。為了從根本上保證焊接接頭質量，必須對光纖激光焊接機理進行完整、透徹的理解及相關焊接輔助設備的開發。目前，高功率光纖激光焊接的研究主要存在以下幾方面的問題：

●中厚板光纖激光焊接過程易出現飛濺、表面塌陷與底部駝峰和釘子頭焊縫、焊縫表面成形一致性差等缺陷，焊接穩定工藝窗口較窄，焊接質量的穩定性和焊縫成形的可靠性仍有待提高，相關機理及解決措施仍需完善。

●不同專業需求領域的專用配套大型精密控制光纖激光焊接設備缺失，配套技術缺乏，特別是激光加工外圍裝置，如導光系統，過程實時監測和控制、噴嘴、浮動裝置。

●光纖激光焊接相關的工藝研究及焊接過程參數監測及材料和控制技術研究仍不足，多數都停留在試驗室階段，離工業化應用較遠。

●光纖激光-電弧複合焊在提高焊接靈活程度的同時也增加了工藝的複雜程度，控制和調節影響焊接接頭質量的參數就非常關鍵，這需要大量系統的工藝試驗建立資料庫和專家系統。

雖然高功率激光焊接技術存在上述問題，但其優勢明顯，體積小、質量輕，可直接搭載機器人進行焊接，也可用光纖傳送焊接，具有更高的加工精度和加工速度，同時能夠焊接的材料種類將逐步增多，焊接厚度將進一步增加。另外，其輸出功率控制特性好，結構極為緊湊，維護簡單，這些特點使光纖激光器在自動化的激光焊接系統中顯示出巨大的生命力，必將成為激光焊接的重要發展方向。

結語

大功率光纖激光焊接技術能夠滿足高適應性、高效率和低成本的現代激光焊接發展要求，已成為國內外研究、應用的熱點。光纖激光焊接技術已經在汽車、船舶、航空航天等領域應用，並隨著研究的深入，高效、優質、高適應性的光纖激光焊接技術將會在工業焊接領域扮演越來越重要的角色。

來源：http://www.oeshow.cn