摘 要 随着激光器功率的增加，激光传输受等离子体羽辉影响损耗严重，导致激光焊接一次性可穿透深度并非与激光输出功率成正比，焊缝成形稳定性无法可靠保证。而在真空环境下，激光焊接能够展现出不同的工艺特征，能有效抑制等离子体羽辉，增加焊缝熔深，改善熔池稳定性，获得高质量的焊缝。真空激光焊接为实现厚壁构件优质、高效焊接提供了新的工艺方法与研究思路。在综合评述国内外研究成果的基础上，介绍了真空激光焊接技术的发展历史，分析真空环境下激光焊接过程中的焊缝成形、熔池与匙孔、等离子体羽辉特征，梳理了真空激光焊接装备设计和真空激光焊接的相关应用等内容，并对目前该技术研究中存在的问题进行探讨以及对真空激光焊接技术未来发展方向进行展望。

1 前言    苏州激光焊接加工

激光焊接的应用历史可以追溯到20世纪60年代，与其他焊接方法相比较，激光焊接具有能量密度集中、焊接速度快、精度好、变形小、焊接材料适应性广、易与机器人配合实现自动化焊接等优势。目前激光焊接技术已经广泛应用于航空航天器材的制造、船舶制造、电子元件的加工、核电设备的制造与维护等多个领域，并不断地向着万瓦级高功率深熔焊的方向发展。但是随着激光焊接技术的发展，也出现了一些新的问题，比如大功率激光焊接由于等离子体羽辉强烈的吸收、散射和折射等损耗效应，使得无法通过增大激光功率而获得持续的熔深增加，在焊接过程中易形成多种焊接缺陷，如飞溅、气孔、缩孔、表面塌陷等，焊缝成形稳定性无法可靠保证。目前许多研究人员已经开展了大量高功率激光焊接技术的相关研究工作以突破上述问题，例如调节适当的激光脉冲频率，使用产生羽辉量更少的He气氛代替常用的Ar气氛进行激光焊接，在熔池上方增加电场或磁场来减弱等离子体羽辉对于焊接过程的影响等。然而这些常压气氛下的改进试验均没有得到较为理想的效果。受真空电子束焊接技术的启发，同样作为高能束的激光焊接，学者们认为通过降低环境压力的方法可以提高激光焊接的焊缝质量和熔深。在随后的研究中发现，真空环境下激光焊接在多谱系合金材料上都能得到理想的焊接效果，获得了类似于电子束焊接具有较大深宽比的深熔焊缝，同时能较好地抑制焊接缺陷，提高焊接过程稳定性。在近十年中，国内外对真空激光焊接技术的研究逐渐增多，真空激光焊接等离子体羽辉、熔池动力学、焊缝显微组织、力学性能、焊接缺陷、数值模拟等方面的研究成果相继发表。本文首先介绍真空激光焊接的发展历程，其次梳理真空激光焊接的成形特征、羽辉、熔池等内容，然后对真空激光焊接发展过程中设备的革新以及在工业领域的应用现状进行介绍，最后总结现有研究成果并展望了未来真空激光焊接的发展前景。

2 真空激光焊接发展历史   苏州激光焊接加工

真空激光焊接技术最早的研究历史可以追溯到1985年，为了获得与真空电子束焊接相同的熔深，大阪大学Arata等人首次设计了真空激光焊接试验装置并进行相关研究，并详细报道了大气环境与真空环境下的激光焊接基本特性，研究发现在真空中进行激光焊接可以有效抑制等离子体羽辉、增加熔深。在降低环境压力后，焊接时产生严重的等离子体羽辉屏蔽激光束的问题得到了有效解决，进而通过降低焊接速度来获得具有较大熔深的焊缝。最终在10^-1 Pa的环境压力下，激光功率11 kW、焊接速度10 cm/min条件下获得了40 mm熔深的焊缝。此外该团队发现即使在5 000 Pa的环境压力下，使用11 kW功率激光在25 cm/min焊速下依然可以获得25 mm熔深的焊缝。由于相关研究没有得到充分的重视，激光器的发展在短时间内没有突破性进步，此后一段时间内真空激光焊接的相关研究鲜有报道。直到1995年，Verwaerde A等人分析了不同真空环境下等离子体羽辉的形态，通过对焊缝形貌分析以及数学推导总结出在较低的真空度下，等离子体羽辉几乎能够被完全抑制，匙孔对激光能量的主要吸收方式由逆韧致吸收转变为菲涅尔吸收。此后，研究人员对真空激光焊接的研究逐渐增多，相关技术发展迅速。21世纪初，随着焊接用激光器的革新，尤其是能够获得大功率优质激光束的碟片激光器和光纤激光器在焊接研究领域的普及，真空激光焊接技术开始突飞猛进的发展，以日本、德国、中国三个国家为主的多个研究团队对真空激光焊接进行了深入研究。日本大阪大学在2001年开始采用YAG固体激光器进行真空激光焊接相关试验，并在之后几年内相继开展了不同材料的焊接研究工作。该团队使用16 kW功率的碟片激光器对304不锈钢和5052铝合金两种材料进行焊接，得到了43 mm和23 mm熔深的焊缝。此外大阪大学将真空室置于X射线透射实时观测系统平台上，观察了激光焊接过程中小孔行为、气泡形成及熔池流动，发现在较低的环境压力下，虽然匙孔底部迅速膨胀，但匙孔低端并没有闭合形成气泡。德国研究人员如Youhei等人针对不同的金属进行真空激光焊接，通过分析焊接过程中的熔池流动与匙孔状态，得出真空激光焊接可以使匙孔稳定的观点；Börner研究了真空环境下焊接质量，发现在1 kPa~10 kPa区间，负压环境对焊缝熔深影响显著，并同时探讨了羽辉和激光能量的关系；Reisgen对双相不锈钢、钛合金、镍合金甚至铜合金进行的真空激光焊接，均展现了优异的焊接工艺特点。中国的研究人员同样对真空激光焊接特征进行了相关分析，Bao等人对于真空环境气氛状态的镁合金激光焊接特性进行了研究，哈尔滨工业大学李俐群等人分析了激光焊接过程中环境压力对熔池热物理过程的影响。此外其他国家也对真空激光焊接进行了一定的研究。最近十年内，真空激光焊接相关研究工作更加具体，涵盖的内容更加广泛。如Peng等人对于铝合金和镍合金的真空激光焊接研究，得到了临界真空度的观点，通用汽车中国科学实验室Yang在2013年提出采用局部真空辅助激光焊的方法以克服传统真空室局限性，Y Lee等人提出真空激光焊接下耦合玻璃的污染问题等。