组进行激光 的 传 输， 光 学 元 件 多， 调 试 复 杂 且 不 利于系统的稳定性，同时高功率抽运时要求在很 小的面积（ 约几十平方毫米） 内将千瓦级的热带走， 其散 热 系 统 的 设 计 也 十 分 困 难。 德 国 Trumpf － Laser 公司采用多通耦合单个 Yb： YAG 薄片获得 5. 3kW 的激 光 连 续 输 出［9］， 电 光 转 换 效 率 达 到 65% 。该公司 基 于 此 技 术 开 发 出 的 TruDisk 系 列 激光焊接和切割系统目前已广泛应用于汽车车身 制造等领域。
1 激光焊接技术的发展
由于焊接工艺本身对激光束的功率要求较高，
激光发 明 初 期 并 不 能 满 足 焊 接 加 工 的 功 率 要 求。 为此，各国学者在提高激光功率方面做了大量的 研究工作，直到 20 世纪 70 年代之前，关于提高激 光焊接功率的研究重点仍主要集中在脉冲激光焊 接方面。早期的脉冲激光焊接主要是采用红宝石 作为激光的增益介质，这种激光器虽然能获得较 高的瞬时 脉 冲 能 量，但 其 平 均 输 出 功 率 却 很 低。 Nd： YAG 激光器的发明提高了脉冲激光焊接的平 均功率，因此很快成为了点焊和缝焊的能量供给 设备。1971 年 以 后，随 着 高 功 率 （ 千 瓦 级） 连 续 CO2 气体激光器焊接试验的成功［1 － 5］，激光焊接技 术的研 究 和 应 用 取 得 了 突 破 性 的 进 展。1983 年， 德国 Ｒofin 公 司 的 第 一 台 CO2 激 光 器 交 付 使 用， 1995 年成功研制出第一台扩散冷却式 CO2 板条激 光器，冷却条件的改善使 CO2 激光器的功率进一
WANG Jing* ， WANG Junheng， LIN Jiu， WANG Ｒonggui
( Central Ｒesearch Academy of DEC， 611731， Chengdu， China)
Abstract: This paper introduces the course of development and state－of－art of the laser welding teohnology． Compared with traditional arc welding and electronic beam welding， the paper sums up the advantages and disadvantages of laser welding， followed by disscussions on research progress and application of the same． The authors believe that the laser welding technology will play a crucial role in the materials engineering in the future thanks to its technical superiority that is being developed rapidly． Key words: laser welding; high power laser; laser and arc hybrid techniques; dual focus laser welding
然而，CO2 激光的波长约为 10. 6μm，制造业 中广泛使用的各种金属材料对该波长激光的吸收 率很低，固态激光器产生的波长为 1. 06μm 的激光 更易被金属材料吸收。人们在对提高固态激光器 功率的研究中逐渐发现，固体增益介质在激光产 生过程中由于受热不均而形成的热透镜效应是限 制固态激光器连续波形下输出功率和光束质量的 主要原因，通过对增益介质的高效冷却可以减弱 热透镜效应，提高固态激光器连续波形下的输出 功率和光束质量，高功率连续固态激光焊接技术 由此问世。M. J. Cieslak 等人对固态激光脉冲焊接 和连续焊接的工艺性能进行了研究，结果表明脉 冲激光焊接很容易在焊缝处形成热裂纹，而连续 波形下的激光焊接几乎没有热裂纹产生［7］。
图 3 IPG 公司多单管耦合模块结构示意图
图 4 4kW 光纤激光焊接 8mm 碳钢焊缝横截面［12］
2 激光焊接技术的工艺特点
2. 1 技术优势 与传统 的 焊 接 工 艺 相 比， 激 光 焊 接 最 突 出 的
特点就是 功 率 密 度 高，热 输 入 小 且 集 中 的 特 点， 这使得焊接过程中被焊金属熔化很快，焊接部位 的热变形和热影响区很小，有利于提高焊接速度， 实现焊接性能较差的金属（ 如钛合金等） 以及非金 属材料（ 如石英） 的焊接，甚至完成异种材料之间 的焊接。焊后高的冷却速度易于实现焊缝组织的 细化，有利于 提 高 焊 缝 的 力 学 性 能。 激 光 深 熔 焊 工艺中 匙 孔 的 形 成 提 高 了 熔 池 内 的 激 光 吸 收 率，
收稿日期： 2013 － 08 － 18 作者简介： 王晶（ 1982 －） ，男，2011 年毕业于清华大学材料加工工程专业，工学博士。现在东方电气集团中央研究院从事储能电池激光焊接封
装工艺研究。
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步提高。在大厚度不锈钢板上进行的 CO2 激光焊 接试验结果表明，高功率激光焊接可形成熔透焊 缝，并证实了 匙 孔 效 应 的 存 在。 这 一 结 果 否 定 了 Ｒeady 在早期激光脉冲焊时提出的激光焊接不能形 成小孔效 应 并 实 现 熔 透 焊 接 的 论 断［6］， 证 明 高 功 率激光焊接具有接近电子束焊接水平的巨大潜能。
激光是由光信号在受激辐射过程中被放大而 产生的，最早于 1960 年由美国的 C. H. Townes 和 T. H. Maiman 等科学家开发出来。此后，在各国科 学家的不懈努力下，激光的功率和光束质量不断 提高，促使激光加工技术最终与电子束加工和等 离子弧加工并称为 21 世纪最具发展前景及最有效 的材料加工 技 术。 其 中， 激 光 焊 接 技 术 作 为 激 光 在材料加工方面的主要应用之一，被广泛用于航 空航天、武 器 制 造、 船 舶 制 造、 汽 车 制 造、 压 力 容器等领域。本文通过对前人研究工作的归纳和 总结，对激光 器 及 其 焊 接 技 术 的 发 展 历 史、 工 艺 特点及研究现状进行了论述。
激光焊 接 在 具 有 以 上 优 势 的 同 时， 其 自 身 的 工艺特征也导致激光焊接工艺面临以下问题：
（ 1） 焊接材料对于激光的吸收率存在着很大 的差别。譬如，大 多 数 金 属 材 料 对 光 纤 激 光 器 和 YAG 激光器产生的波长约 1μm 激光有更好的吸收 率，而半导体材料则对 CO2 激光器产生的 10. 6μm 的激光吸收 更 好。 在 金 属 材 料 中， 铝 合 金 和 钢 铁 材料对于波长约 1μm 激光的吸收率也有很大差别 （ 如图 5 所示） 。这就导致在采用激光这种热源焊 接不同材料时，需要考虑到材料对激光的吸收率 问题，针对不同材料选择不同波长的激光进行焊 接，并分别制定不同的焊前表面处理以提高被焊 材料对激光的吸收效率。
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激光焊接技术的发展及研究现状
王 晶 王俊恒 林 久 王荣贵
东方电气集团中央研究院，成都 611731
摘 要： 结合激光器的技术革新介绍了激光焊接技术的发展历程，对比传统焊接工艺及电子束焊接工艺论述了激光焊接技
术的技术优势及其存在的问题，最后讨论了激光焊接技术的应用与研究现状。激光焊接工艺的技术优势和飞速发展将使其
有利于获得深宽比接近电子束焊接工艺的焊缝。 而与同样具有高能量密度的电子束焊接工艺
相比，激光焊接又无需真空环境，没有 X 射线产 生，只在保护气氛下就可施焊并获得质量良好的 焊缝结构，因而节省了庞大的真空室结构设计及 其抽真空过程，也不需要 X 射线的屏蔽结构。在 焊接磁性材料时，激光焊接没有电子束焊接束流 受残余磁场影响发生跑偏的问题。已有实验结果 表明，在光束 质 量 优 良 的 情 况 下， 稳 定 的 激 光 深 熔焊工艺同样可以实现接近电子束焊缝的深宽比， 实现单面焊接双面成形。
图 1 棒状和薄片增益介质在横截面上的温度分布
1988 年 Snitzer 等［10］ 提 出 双 包 层 光 纤 技 术 以 后，一种采用 掺 杂 光 纤 作 为 增 益 介 质， 以 光 纤 光 栅、光纤环形镜或光纤断面直接构成谐振腔的光 纤激光器随之诞生。双包层光纤技术以及光纤熔 接技术的成功应用使新一代的光纤激光器实现了从 增益介质、谐振腔到激光传导的全光封装结构（ 图 2） ，消除了界面处的光耦合损耗，提高了激光器的 电光 转 换 效 率。在 此 基 础 上，美 国 IPG Photonics 公司成功研制出多单管耦合模块结构（ 图 3） ，大大
图 2 IPG 公司光纤激光器全光封装结构图
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提高了散热模块的效率，促使光纤激光器的功率 迅速由几百 毫 瓦 提 高 至 千 瓦 级 水 平［11］。2009 年， 德国弗劳恩霍夫材料与束流技术研究所（ Fraunhofer IWS） 成功研制了最大输出功率为 5kW 的单模光纤 激光 器，输 出 光 纤 的 芯 径 为 30μm、光 束 质 量 为 0. 5mm·mrad［12］。同年，美国 IPG Photonics 也成 功研制出最大输出功率为 10kW 的单模光纤激光 器，在 1. 07μm 的波长下通过一根光纤实现 9. 6kW
的单模输 出 功 率，并 拥 有 完 美 的 高 斯 光 束 质 量。 在光纤激光器与相同功率的薄片激光器焊接低碳 钢的对比试验中，具有更好光束质量的光纤激光 焊接可以获得更大的焊缝熔深［12］。Fraunhofer IWS 采用 4kW 单模光纤激光焊接 8mm 碳钢焊缝的试验 结果表明，高功率光纤激光焊接接头的深度和焊 接速率已经可以和电子束焊接相媲美（ 图 4） 。 ［12］