焊接是應(yīng)用最廣泛、最重要的材料永久連接方法，在提高材料利用率、減輕結(jié)構(gòu)重量、降低成本方面獨(dú)具優(yōu)勢(shì)。激光焊接則是近十年應(yīng)用發(fā)展速度最快的焊接方法，其利用可聚焦可調(diào)控的高能量密度激光束為熱源實(shí)現(xiàn)材料的熔化焊接。激光束方向性、單色性和相干性極好，光強(qiáng)是普通光的1010倍，脈沖功率可達(dá)1014瓦，因此熱作用集中、焊接變形小，焊接結(jié)構(gòu)制造精度高，柔性自動(dòng)化實(shí)施性好，與機(jī)器人、工藝數(shù)據(jù)庫(kù)和專(zhuān)家系統(tǒng)管理等先進(jìn)工藝模式有機(jī)結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)數(shù)字化智能化制造，是現(xiàn)代裝備結(jié)構(gòu)制造中不可或缺的關(guān)鍵技術(shù)，在汽車(chē)、船舶、高速列車(chē)以及航空航天結(jié)構(gòu)中得到成功應(yīng)用，其中汽車(chē)行業(yè)已將激光焊接確定為結(jié)構(gòu)制造標(biāo)準(zhǔn)化工藝，激光焊接技術(shù)在國(guó)際上被視為最具發(fā)展?jié)摿Φ南冗M(jìn)焊接技術(shù)。 CQQ X7Y\
U3az\E)HV
激光焊接應(yīng)用的發(fā)展隨著激光、冶金、材料、力學(xué)、測(cè)控、信息、機(jī)電等學(xué)科的進(jìn)步發(fā)展，是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)在材料加工領(lǐng)域應(yīng)用的綜合體現(xiàn)，尤其是千瓦級(jí)以上的大功率激光焊接技術(shù)，幾乎與激光器的進(jìn)步相伴。從20世紀(jì)80年代的CO2激光、YAG激光，已擴(kuò)展出半導(dǎo)體激光、光纖激光，激光功率由1kW提高到100kW，典型焊接激光器的特點(diǎn)如表1所示，其中光纖激光焊接是目前激光焊接新工藝研究熱點(diǎn)。 wE; ??'O'l
(\>_{"*=
激光焊接由于熱作用形式的不同、可適合產(chǎn)品對(duì)象也不同，所需解決的關(guān)鍵問(wèn)題也是因需而異。激光焊接應(yīng)用最廣的是薄壁結(jié)構(gòu)焊接，在航空結(jié)構(gòu)中最典型的是歐洲空客系列客機(jī)的鋁合金機(jī)身下壁板，這種以焊代鉚結(jié)構(gòu)將減輕飛機(jī)機(jī)身重量近20%，降低制造成本約20%，已應(yīng)用空客A318、A380和A340系列飛機(jī)的壁板結(jié)構(gòu)焊接，其中壁板數(shù)量將達(dá)到18塊，焊縫總長(zhǎng)度達(dá)到1000米。隨著航空結(jié)構(gòu)應(yīng)用需求的發(fā)展，激光焊接技術(shù)的一個(gè)應(yīng)用發(fā)展是面向中等厚度結(jié)構(gòu)的激光復(fù)合熱源焊接技術(shù)，目的是拓展激光焊接技術(shù)應(yīng)用范圍，解決未來(lái)裝備結(jié)構(gòu)的中厚度結(jié)構(gòu)高精高效焊接之需，其次是針對(duì)微納結(jié)構(gòu)精密焊接的脈沖激光焊接，采用微秒、納秒等脈沖激光器解決銅鋁等異種金屬、金屬基復(fù)合材料、陶瓷等非金屬材料以及與航空結(jié)構(gòu)相關(guān)的層疊材料（Glare）、碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（CFRP）的焊接性問(wèn)題。 =^O8 4Cp 6
1KAA(W;nq
目前美、歐等發(fā)達(dá)國(guó)家在軍工制造領(lǐng)域均發(fā)布國(guó)家計(jì)劃以推動(dòng)先進(jìn)激光焊接技術(shù)的研究和應(yīng)用推廣。歐洲空客是航空制造企業(yè)第一家將激光焊接結(jié)構(gòu)代替?zhèn)鹘y(tǒng)鉚接結(jié)構(gòu)應(yīng)用于飛機(jī)鋁合金壁板和桁條的連接，未來(lái)還將應(yīng)用于A350飛機(jī)壁板的焊接。激光焊接金屬夾層板在導(dǎo)彈艙體、大型飛機(jī)壁板、輕型艦船輕量化結(jié)構(gòu)件制造中開(kāi)始大量應(yīng)用，與傳統(tǒng)實(shí)芯結(jié)構(gòu)件相比，可使重量減輕50%以上，所需空間減少2/3。飛機(jī)的混合層流控制結(jié)構(gòu)也是未來(lái)激光焊接技術(shù)應(yīng)用的對(duì)象，德國(guó)已在開(kāi)展這方面的研究。新型鋁鋰合金是當(dāng)今在飛機(jī)減重結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中可與復(fù)合材料競(jìng)爭(zhēng)的金屬結(jié)構(gòu)材料，歐盟的多家研究機(jī)構(gòu)一直在開(kāi)展鋁鋰合金壁板激光焊接技術(shù)的基礎(chǔ)研究，在Turboprop90pax減重項(xiàng)目中開(kāi)展2198鋁鋰合金激光焊接技術(shù)的研究，歐盟的框架項(xiàng)目，如ECO-01-060、ECO-01-065、ECO-01-069等，均涉及鋁鋰合金激光焊接技術(shù)相關(guān)研究。歐美將鋁鋰合金激光焊接技術(shù)列為未來(lái)20年的研究計(jì)劃。在發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)方面，美國(guó)普惠公司完成渦輪葉片所需部件的自動(dòng)激光焊接。美國(guó)GE公司也已成功完成了發(fā)動(dòng)機(jī)導(dǎo)向葉片組件的激光焊接，有效地解決了鎳基合金零件激光焊接變形與裂紋等問(wèn)題。國(guó)外還在金屬間化合物、記憶合金等特殊材料激光焊方面做了很多研究工作。 T&6{|IfM_
*ofK|r
國(guó)內(nèi)大功率激光焊接技術(shù)的研究最早是針對(duì)汽車(chē)板坯拼焊，目前已遍及各個(gè)領(lǐng)域。哈爾濱工業(yè)大學(xué)基于產(chǎn)學(xué)研聯(lián)合，面向航天器中鈦合金、不銹鋼輕量化構(gòu)件開(kāi)展了大量研究，建立了相關(guān)的激光焊接平臺(tái)。哈爾濱焊接研究所、上海交通大學(xué)等重點(diǎn)開(kāi)展了船舶結(jié)構(gòu)激光焊接和激光電弧復(fù)合焊接技術(shù)的研究。北京航空制造工程研究所則以飛機(jī)結(jié)構(gòu)激光焊接為核心，聯(lián)合華中科技大學(xué)、北京工業(yè)大學(xué)、西安交通大學(xué)等開(kāi)展激光焊接基礎(chǔ)研究，通過(guò)十余年的努力，已將激光焊接技術(shù)應(yīng)用到飛機(jī)鈦合金腹鰭、壁板等結(jié)構(gòu)。同時(shí)立足自主研發(fā)，建立起了CO2激光飛行光路四軸自動(dòng)控制激光切割與焊接系統(tǒng)，YAG激光焊機(jī)械手自動(dòng)焊接系統(tǒng)，隨著光纖激光的發(fā)展又建立了光纖激光多軸數(shù)控雙光束激光焊接平臺(tái)，以及雙機(jī)器人雙光束激光焊接平臺(tái)，在國(guó)內(nèi)率先形成了具有多種大功率激光焊接的實(shí)驗(yàn)和小批生產(chǎn)的設(shè)備體系。在基礎(chǔ)方面，一方面致力于新型材料的激光焊接工藝基礎(chǔ)研究以及焊接接頭性能、焊接熱效率等分析，如Ti3Al、Ti2AlNb、TiNi等金屬間化合物的激光焊接；另一方面針對(duì)航空結(jié)構(gòu)的鋁合金、鈦合金深入開(kāi)展激光焊接工藝優(yōu)化、缺陷控制與檢測(cè)、自動(dòng)化控制，并在焊接冶金與力學(xué)性能開(kāi)展了大量基礎(chǔ)性研究，不僅建立了激光焊接過(guò)程信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行等離子體特征、熔池行為與小孔特征的過(guò)程機(jī)理研究，而且開(kāi)發(fā)了鈦合金激光活性劑焊接技術(shù)等發(fā)明專(zhuān)利。在行業(yè)內(nèi)立足飛機(jī)構(gòu)件鋁合金和鈦合金激光焊接，編制激光焊接相關(guān)工藝標(biāo)準(zhǔn)（HB）5份，未來(lái)還將逐步完善我國(guó)航空結(jié)構(gòu)激光焊接工藝標(biāo)準(zhǔn)體系。 f!eC|:D
pu,/GBG_
激光焊接也存在固有缺點(diǎn)： FK ;\Nce&
|s[m;Qm[ku
1.合金強(qiáng)化金屬激光焊接因凝固結(jié)晶易形成低熔共晶而導(dǎo)致焊接裂紋，如高強(qiáng)鋁合金； u3w `(3{ <
+ .mIC:9
2.激光焊接過(guò)程的小孔動(dòng)態(tài)不穩(wěn)定易于導(dǎo)致焊縫氣孔； )
^!oM
7 8Nli/ U
3.激光光斑尺寸小，要求焊接部位的裝配精度很高； c-n'F+fZ
C.FGi`rrm
4.高反射材料激光焊接，激光反射不僅易于引起人員傷害，而且易于損害激光焊接設(shè)備，影響設(shè)備工作的可靠性。這些問(wèn)題是國(guó)內(nèi)外激光焊接工程師一直致力于的研究主題，從利用激光焊接固有特性的工藝創(chuàng)新，到組合激光焊接工藝技術(shù)和激光復(fù)合熱源焊接技術(shù)的研究，激光焊接工藝向精密化、高效化方向發(fā)展；激光焊接裝備向智能化、信息化方向發(fā)展；焊接裝配向數(shù)字化、柔性化方向發(fā)展。 ,`B*rCOa
qdjRw#LS^q
激光焊接技術(shù)發(fā)展的每一步涉及的都是新材料、新結(jié)構(gòu)和新工藝，在克服已有工程問(wèn)題的基礎(chǔ)上，又面向新型材料、新型結(jié)構(gòu)的焊接衍生出新的科學(xué)問(wèn)題和工程問(wèn)題。未來(lái)的飛機(jī)以及發(fā)動(dòng)機(jī)更加強(qiáng)調(diào)長(zhǎng)壽命、高機(jī)動(dòng)性、低成本和損傷容限設(shè)計(jì)，制造技術(shù)對(duì)輕量化、整體化結(jié)構(gòu)件制造、新型結(jié)構(gòu)件精密制造、低成本高效新工藝的需求更強(qiáng)烈，激光焊接技術(shù)仍然將起著重要的作用，其發(fā)展趨勢(shì)是： "-90:"W
}S qey:9jH
1.高效、自動(dòng)化、智能化的激光焊接，而且電子技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、傳感檢測(cè)和信息處理等技術(shù)的發(fā)展，也為焊接過(guò)程向柔性化、自動(dòng)化、智能化的方向邁進(jìn)提供有利的技術(shù)保障； [P`Q_L,+
(/Hq8o-Fw
2.全數(shù)字化激光焊接，包括焊接過(guò)程仿真、焊接質(zhì)量監(jiān)測(cè)、焊接結(jié)構(gòu)力學(xué)的可靠性評(píng)價(jià)，這將會(huì)大大提高航空產(chǎn)品的質(zhì)量； r"zW=9 O=
0&$e:O'v
3.一體化集成復(fù)合型激光焊接，“一次裝夾，全部完工”的數(shù)控加工理念也正在引入焊接領(lǐng)域，傳統(tǒng)的單一功能焊接設(shè)備逐漸被復(fù)合型設(shè)備所取代，這些都必將對(duì)飛機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)制造業(yè)產(chǎn)生革命性的影響。
