1.    引言

       随着现代消费市场的发展与消费观念的转变，消费者对工业制品的外观与质量等要求也越来越高，在选择商品时也更加注重个性化的特点，为抓住消费市场的发展机遇，制造业企业需要不断探求更加高效经济的生产方法，开发引进更加先进高效的制造技术。激光衍生技术作为一种现代化的光学基础应用技术，在影视、医学、印刷、工业制造等领域的研究应用在不断推进，其中激光焊接作为一种细分的工业制造技术，相比传统的焊接技术具有独特的物理特性优势，在工业制造领域的应用也越来越广泛。

       据2023年中国激光产业发展报告数据显示，我国激光焊接是继激光切割之后在工业制造激光市场营收占比中的第二大细分市场，2022年占据18%的份额。目前，中国激光焊接的体量已由正以翻倍的速度在持续，且受新能源汽车、锂电池、新型储能产业及新兴市场的需求驱动，中国激光焊接设备市场规模已经出现了爆发式增长。

       激光焊接是一种应用激光发生束作为能量源的热加工技术，是一种非接触式的组合加工技术，在工业制造领域，同电子束、电火花、等离子束和传统机械加工相比较，具有许多不可替代的优点。激光发生束的焦点辐射具有光斑范围小、功率密度高、焊缝整洁美观、可加工焊缝深度大、焊缝坡度宽幅窄等特点^［1］。

       工业制造领域通过引进先进的激光焊接技术，开发适用于制造业企业自身产品的激光焊接工艺，进一步完善激光技术、焊接技术、自动化技术、工装夹具技术及自动检测在焊接工序的应用，反向促进产品工艺结构设计的合理性，形成标准体系下的系列产品结构特征，使其更加适用于自动化的加工方式，并反向推动激光焊接前工序的自动化发展，实现工业产品加工质量稳定性与生产效率的双向提升。

2.    激光焊接技术的分类与应用

       按照激光焊接工艺形式的不同，可分为激光自熔焊、激光复合焊、激光双光束焊、激光-场耦合焊、激光填丝焊、激光填粉焊等，不同的工艺形式，其焊接过程的反应机理及影响因素也略有不同，当前工业领域应用最广泛的为激光自熔焊接和激光复合焊接工艺，其主要优势在于技术相对成熟，设备设施投入成本较低，可操作性较强，能够适应手持激光焊接的灵活性要求。

       激光焊接从最初的热传导激光焊到现在多场耦合的激光焊接研究，使得激光的应用领域不断扩大。激光焊接在工业制造领域的应用创新也在不断推进，如通过PLC集成控制技术的应用，将焊接工业机器人与激光焊接装置进行交互设计，开发能够并入联网监控系统的激光自动焊接工作站，并且应用参数调控系统对焊接过程的工艺参数进行实时的反馈调控，有效保障激光焊接过程的稳定性，如图1所示为一种可调控的激光自动焊接工作站系统。

       随着新型激光装备不断突破创新，可以预见在不久的将来，激光焊接技术的应用领域将不断应用于更多材料加工终端领域，助力中国制造业的产业升级。
       2.1.    激光自熔焊接工艺

       激光自熔焊接工艺是激光焊接最基础的工艺方式，一般由于自动化加工的半成品来料，其无需填充焊剂，因此对焊缝的宽度尺寸与焊缝质量一致性要求较高，而人工操作加工的半成品无法保障焊缝的质量一致性，因此还需进行焊缝尺寸修整后才能使用激光自熔焊接工艺。焊接时激光发生器通过将电能转换为高能量密度的激光束，激光束是一种高度集中的热源，激光束直接照射在材料表层，过程中产生高温材料发生固液相变，从而实现待焊材料的微观粒子断裂，焊缝周围的材料融为一体，粒子冷却过程中重新聚集链接，形成新的组织体，且材料在焊接过程中因高温迅速汽化，在基体表面产生高速的气流波，气流波对焊缝还具有一定的清洁作用，有利于形成高质量的焊缝。

       激光自熔焊接属于非接触焊，具有抗电磁干扰、无污染的优点，但由于激光自熔焊的光斑直径小，焊接热循环过程中的升温速度和冷却速度都极快，因此，对焊接过程中熔池温度场、流场以及温度场对材料的影响等方面的研究难度较大。同时，激光自熔焊接还存在焊接间隙适应性差以及对焊缝的成分和组织控制困难等问题，因而行业内以激光自熔焊为基础研究开发了多种新型焊接工艺。

       2.2.    激光-场耦合焊接工艺

       激光-电磁场耦合焊接是通过外加电磁场抑制激光等离子体的屏蔽效应并改善熔池的流场，从而增大焊接效率，提高焊接稳定性，改善金属板材焊接组织质量，不仅可以减缓焊缝冷却速度，抑制裂纹的出现，而且能够提高材料对激光的吸收率，从而增加焊接熔深，是当前主流的研究方向之一。

       激光-振动场耦合焊接是基于振动时效发展起来的焊接工艺，可归类为振动焊接。该工艺的基本原理为利用一定频率的振动场来破坏掉熔池表面的等离子屏蔽层，从而增大熔池对激光的能量吸收率，以实现用较小的功率焊接更大厚度的金属板材，通过施加高频振动可促进焊缝晶粒细化，且增加了熔体的流动性，因此枝晶的数量和大小均得到控制，等轴晶的数量增加，晶粒尺寸减小而显微硬度增大，焊缝的成形质量也会更好。

       2.3.    激光填丝焊接工艺

       针对激光自熔焊对半成品来料质量一致性要求高、焊接装配间隙适应性差、焊缝无余高以及无法调配焊缝合金成分、焊缝质量得不到有效保障等问题，参照一般填丝焊接工艺，开发激光填丝焊工艺，通过研究激光填丝焊技术对装配间隙的适应性，分析填丝量与装配间隙之间的关系，对于焊缝有连接有特殊要求的零件，如需要提升焊缝的韧性、强度、硬度等，还可进行焊丝成分的配比，以达到焊接时同步完成熔池冶金的作用，如图2所示为激光填丝焊接实拍图。

       由于激光填丝工艺的焊丝在熔化填充时会吸热，当未对焊丝进行加热时，激光的部分能量将作用在焊丝上，导致焊接速度降低，因此可通过控制加热的方式匹配到激光的焊接功率输出，减少焊丝对激光能量的消耗，提升激光焊接速度。
3.    激光焊接技术在家电领域的应用

       激光焊接技术由于其优越的能量控制输出方式，已被广泛应用于航空航天、新能源汽车、船舶集装等行业，且适用于特种高强度金属材料的焊接，如钢筋、横梁、支撑结构等，并且在薄板的低温焊接方面也有独特的应用前景^［2］。近年来激光焊接也在家电制造领域快速发展，市场前景广阔，通过合适的激光焊接工艺引入，也可进一步提升家电产品的制造效益。
       目前家电领域的钣金壳体与结构件普遍采用热镀锌板、不锈钢板、铝板等，材质属于普通金属材料的范畴，加之激光焊接有其相对独特的工艺优势，因此，激光焊接工艺在相关产品的应用发展迅速，推广过程主要考虑的是焊接质量、焊接效率与综合成本。

       3.1.   激光焊接在不锈钢接水盘零件的应用

       接水盘零件作为家电类产品的常用零件，主要应用于空气调节器水冷机组、中高端洗衣机等产品，零件壳体承受的水压大，对焊缝的密封性要求较高，且需满足耐腐蚀的要求，常采用304不锈钢作为原材料，传统的制造方式多采用电阻点焊+电弧焊的工艺模式，主要问题点表现为：电阻点焊虽可有效减小接水盘零件的焊接变形，但焊点处存在明显的压痕，焊点数量较多，影响零件的质量一致性，且不锈钢材料的硬度与强度为普通镀锌板的5倍左右，后工序打磨时消耗人力物力大大增加，打磨一条焊高在1.2mm，长度为100mm的不锈钢焊缝平均需要花费5分钟，是热镀锌板的7倍，整体制造成本是增加的。

       而引入激光焊接后，对前工序的来料精度要求更高了，消除了电阻点焊的压痕问题，焊接后焊缝一致性较好，且做到了平均焊高小于0.2mm，直接减少了后工序打磨的工作量，通过进一步优化焊接参数设置，还可减少焊接后余高，甚至消除后工序的打磨作业。

       3.2.   激光焊接在热镀锌板支撑架零件的应用

       作为家电产品的主要结构骨架，支撑架类零件生产批量大，该类零件设计结构一般为长条状壳体，厚度在3.0～5.0mm之间，考虑到该类零件形状较为规则，焊缝呈空间直线分布状态，有利于组装与承重，由于该类零件在箱体内部主要起框架支撑作用，其不直接接触外界环境，因此对外观形态要求不高，目前，对于支撑架零件的主要焊接工艺是电弧焊。由于镀锌层的存在，由于锌的低沸点，在电弧刚接触到镀锌层时，锌层迅速气化，产生的锌蒸气向外喷射，很容易使焊接产生熔渣粒子、气孔、飞溅，造成焊缝面的平整度存在较大差异，后续使用易氧化，导致结构强度降低。

       针对批量化支撑架类零件，为改变现有的焊接工艺弊端，设计采用激光自动焊接工作站的方式，集成六轴焊接工业机器人、激光焊接发生装置与自动送丝系统、柔性化夹具工作台，通过集中控制系统实现自动化的焊接加工，并设计柔性化的工作台夹具，针对支撑架系列零件的不同型号能够进行快速的定位与装夹，从而实现零件的快速切换，通过手持机器人末端焊枪，对焊接路径进行示教，因此可大大降低自动化焊接操作难度，如图3所示的一种激光自动焊接工作站。通过自动化焊接工作站的应用，可以减少专业的焊接操作人员投入，实现该类零件的批量化自动焊接加工，优化焊缝质量，提高结构稳定性，有效提升了零件批量化生产时的效益。
4.    激光焊接的质量控制

       激光焊接和传统的焊接方式一样，焊接过程会伴随着裂纹、焊接气孔和飞溅等焊接缺陷，潜在的焊缝缺陷会直接影响焊接结构的力学性能，从而导致焊接结构在使用预期之外发生风险隐患。特别是定制化的产品结构，由于焊后采用无损检测存在滞后性，发现缺陷往往为时已晚，返修成本和难度相对较高。

       激光焊接从工艺参数设计、焊接过程调整和焊接缺陷处理的理论研究和实际应用均获得了较大的发展，现阶段主要从以下两个方面来研究激光焊接质量的优化：1.从实际加工需求出发，研究激光焊接过程中影响焊接质量的因素，通过不断优化调整加工工艺参数，改善或消除激光焊接的缺陷；2.从激光焊接原理出发，探求新的加工工艺，应用磁场加成、电磁波振荡等能量输入与激光发生的能量相融合，提高焊接过程柔性化。采用对焊接过程进行有效实时监测，并根据监测信号对焊接过程的稳定性进行评判，及时发现不稳定或超规范焊接过程，能及时对其进行干预，可大大提高焊接质量，减少焊后检测和返修的工作量，国内外对其进行了大量的研究^［3］。

       国内学者马国栋等人将激光焊接头与CCD成像技术进行集成，设想出一种采用一字线激光进行自动化焊缝检测的方法，如图4所示为一种一字线激光焊缝检测方法示意图，该技术应用激光三角测量法获取焊缝的高度、宽度等形状信息，一字激光检测原理为激光焊接时，一字激光垂直照射在焊缝上，焊缝经漫反射成像在CCD像平面上，成像平面上的每一焊缝特征点将唯一确定待焊工件表面上的一点，此方法能够实时放大焊接时焊缝的形成过程，为焊接过程中的参数调整提供信息参考，从而实现焊接质量的控制。
5.    结束语

       随着全球智能制造的整体推进，激光焊接作为一种可控性较高的现代化工业制造技术，无论是在制造业各领域的研究应用，还是在企业产品工艺流程设计，都具有极高的推广价值，是推进智能制造发展的重要基础技术支撑。在现代制造业，随着激光焊接技术研究与应用的创新推进，相关产品的制造质量水平与生产效率越来越高，且更加适用于小批量、多品种、多工序的产品特性，从而带动全产业链的升级。

6.    参考文献

[1]    邹琼琼, 龚红英. 激光焊接技术的研究现状及发展[J]. 热加工工艺, 2016（21）：20-23.
[2]    许娜，乔隽.钣金加工工艺难点及改进措施研究[J].军民两用技术与产品，2018，0(16):115-115.
[3]    王春草，高向东，张艳喜. 激光焊接焊缝显微组织磁光成像研究[J]. 制造技术与机床，2020(08):17-21.