激光焊接及相關(guān)技術(shù)的新進(jìn)展
　　近年來(lái)，在激光裝備與應用技術(shù)領(lǐng)域出現了兩個(gè)令人矚目的進(jìn)展：一是以大功率光纖激光器為代表的激光焊接（切割）裝備，凸顯了激光加工的高效率、低運行成本和“現場(chǎng)化”的工業(yè)應用優(yōu)勢；二是新型、高強材料的出現，牽引和促進(jìn)了各種激光復合焊接技術(shù)的研發(fā)，呈現了“一代材料”與“一代技術(shù)”的配套效應。這些都標志著(zhù)一個(gè)激光技術(shù)應用新時(shí)期的到來(lái)。因此，了解快速發(fā)展中的激光技術(shù)，掌握各種激光器的特點(diǎn)和技術(shù)性能，對“光加工”在機械制造行業(yè)的推廣應用有重要的現實(shí)意義。
一、激光器的功率與光束特性的工程意義
　　機械制造領(lǐng)域中的激光加工大多通過(guò)光與物質(zhì)的相互作用而實(shí)現。激光器光束的波長(cháng)、功率密度、時(shí)空等特性是決定光與物質(zhì)相互耦合效率的重要參數。在工程應用意義上主要表現在輸出功率和光束質(zhì)量?jì)蓚€(gè)方面。
　?。?）激光器的輸出功率是激光器加工能力的基本指標之一。目前，向工業(yè)界提供的CO2激光器功率達45kW；多棒串聯(lián)的YAG激光器激光輸出功率達6kW；半導體泵浦固體激光器的功率達4.4kW；二極管泵浦薄片式固體激光器單模塊的輸出功率達2kW，組合輸出達8kW；尤其是輸出功率高達10kW～50kW的光纖激光器已進(jìn)入工業(yè)界應用。

　　表1是各類(lèi)激光器的性能比較。
（2）光束質(zhì)量是激光器的一項關(guān)鍵指標，其工程應用意義上的表征有三：一是對激光光斑能量時(shí)空分布穩定性的要求，直接關(guān)系焊接、切割加工的精度與一致性；二是對激光光束焦點(diǎn)前后能量集中的“有效范圍”，直接關(guān)系中厚板的焊接、切割質(zhì)量和機器人對復雜型面進(jìn)行遠程焊接或切割的效率與精度（見(jiàn)圖1）；三是關(guān)于激光光束的截面形狀及其功率密度，直接關(guān)系加工的工藝性和適用性（見(jiàn)圖2）。

　　光纖激光器在焦點(diǎn)前后的光束發(fā)散明顯小于YAG激光器；深融焊接時(shí)焦點(diǎn)位置的影響前者優(yōu)于后者。

                             圖2 半導體激光器與Nd：YAG激光器光束特點(diǎn)

對于金屬及其合金，一般，激光束的波長(cháng)越短吸收率越高。但在深熔焊接模式下，波長(cháng)對吸收率的影響可以忽略。因此，激光器的功率與光束特性限定了可能實(shí)現的加工方法、加工有效尺度以及最終加工質(zhì)量。圖3a是對激光器的功率、光束質(zhì)量與加工方法關(guān)系的描述，表明了工業(yè)激光加工系統與通訊激光、醫療激光和軍用激光系統的重要區別。圖3b是激光光束的功率密度與材料作用時(shí)間的工程應用意義。

近10年來(lái)，激光加工裝備在工業(yè)領(lǐng)域的應用現狀與趨勢為：
　?、貱O2激光器是當前工業(yè)應用的主流；
　?、贜d：YAG激光比前者具有能量吸收率較高、采用光纖傳輸的優(yōu)點(diǎn)，但在功率和運行成本方面受到限制；
　?、酃饫w激光器（HPFL）以其優(yōu)良性能和對工業(yè)環(huán)境的適應性，與目前激光加工中常用的二氧化碳激光器（CO2）、光泵YAG（LP-YAG）、半導體泵浦YAG激光器相比擁有較大優(yōu)勢；
　?、馨雽w激光器已在材料的表面加工（如熔覆、強化、熱處理等）應用中獨具特色。后兩者（如圖4）將在許多激光加工中，包括切割、焊接、熱處理以至激光打標、雕刻、精密打孔等，表現出重量輕、體積較小、操作簡(jiǎn)易、便攜靈巧等很強的工業(yè)適用能力，特別是能滿(mǎn)足以往難以做到的現場(chǎng)“原位”的加工需求，為大型設備或部件的快速修復與再制造提供了工程可行性。

圖4 激光器的便攜盒小型化
1．各種新材料和高強材料的焊接
　　如鎂合金、鋁合金、鈦合金、X52、X70中厚管線(xiàn)鋼、高強鋼、鎳基合金、耐熱鋼以及復合材料等的焊接（見(jiàn)圖5）。

2．基于激光的異種金屬材料焊接
　　黃銅-紫銅、銅-鋼、鋁-鋼等的異種金屬材料焊接如圖6所示，與傳統熔焊方法相比，焊接接頭的性能顯著(zhù)提高。

3．激光焊接高效化的工程應用
　　近年來(lái)激光焊接在汽車(chē)白車(chē)身的裝焊、中厚板的焊接與切割、鍍層管板的切割、管線(xiàn)鋪設工程、船舶制造中都取得工業(yè)化應用新進(jìn)展，且運行成本不斷下降，對傳統加工方法的改進(jìn)或替代、生產(chǎn)效率與產(chǎn)品品質(zhì)的大幅提升，構成了對激光加工技術(shù)有力的需求驅動(dòng)。
　　圖7是近年來(lái)推廣中的激光遠程掃描焊接，所采用的光纖激光器以高光束質(zhì)量獲得快速掃描焊接的高生產(chǎn)效率。圖8給出了高效率激光厚板焊接、輸油氣管線(xiàn)激光焊接的新進(jìn)展，亦從新技術(shù)發(fā)展的角度體現了高效優(yōu)質(zhì)“競爭力”的具體內涵。
另外，值得注意的是激光與電弧的復合熱源在提高焊接速度方面的工程意義。例如，激光-TIG復合熱源的焊速可以達到激光焊接的兩倍以上，這在常規TIG焊難以做到；而激光-MIG復合熱源的焊速則比單獨MIG提高了一倍以上（見(jiàn)圖9）。在工藝特點(diǎn)上可表達為：
　?、俑咝Ч澞?；
　?、谠黾尤凵?；
　?、劭蛇M(jìn)行高速焊；

4．激光切割的新動(dòng)態(tài)
　　高的激光功率和光束質(zhì)量對材料的切割關(guān)系密切，切口窄、熱影響區小、無(wú)掛渣以及高切割速度等是激光切割工藝具有的特點(diǎn)。圖10是激光切割的示例。圖11是三種不同激光器對不同厚度不銹鋼板材切割的速度對比。同時(shí)，一機多用的激光設備為制造業(yè)用戶(hù)帶來(lái)更大的方便和效益（見(jiàn)圖12）。
　?、苷{節兩種熱源參數，可改善焊縫成形，熱影響區??；
　?、萏岣吡似驴陂g隙的允許公差，更加容易跟蹤焊縫。這一優(yōu)點(diǎn)對于超高強鋼、超細晶粒鋼、高強鋁合金等焊接時(shí)低能量輸入要求具有重要的應用價(jià)值。

三、激光與其他工藝復合的共生態(tài)
　　當前，在激光復合工藝的發(fā)展中已出現了如雙點(diǎn)或雙束激光的復合、激光與電弧的復合、激光與攪拌摩擦熱復合以及激光與電阻熱復合等形式；并呈現與其他相關(guān)技術(shù)結合及功能延伸的趨勢，如與水射流、鉚接等結合而形成的新工藝（見(jiàn)圖13）。2122
　激光加工對傳統工藝的牽引與提升，是在工業(yè)領(lǐng)域具有可持續發(fā)展生命力的表征。其高質(zhì)量、高精度、低變形、高效率以及運行成本不斷降低等諸多優(yōu)點(diǎn)為傳統工藝所無(wú)法比擬。隨著(zhù)新一代大功率激光裝置的開(kāi)發(fā)，激光加工在機械制造、航空航天、兵工、船舶制造、汽車(chē)制造、壓力容器制造等支柱產(chǎn)業(yè)中的應用將越來(lái)越廣泛。