图1 激光热导焊的应用
高能束流加工作为利用以光量子、电子、等离子体为能量载体的高能量密度束流对材料和构件进行加工的技术，是航空航天制造工业中前沿的特种加工技术。其主要技术领域有激光束加工技术、电子束加工技术、离子束及等离子体加工技术以及高能束流复合加工技术等。
激光焊接技术作为近几十年发展起来的一种新兴的高质量、高精度、低变形、高效率和高速度的焊接方法，是激光加工技术应用的重要方面之一。激光加工技 术在工业上最初主要应用于切割和制孔，而近年来，激光焊接逐渐成为热点并取得了长足的进展。自从19世纪60年代以来，随着大功率激光器的飞速改进和发 展，其在工业中的应用从最初只用于小的或者微细结构的加工发展到广泛用来进行大结构件的加工，越来越受到人们的关注和认可并普遍应用于机械制造、航空航 天、汽车工业、粉末冶金、生物医学微电子行业等工业界领域。其中薄板的激光焊接主要应用于航空航天工业和汽车制造业。
激光焊接是将高强度的激光束辐射至金属表面，通过激光与金属的相互作用，金属吸收激光转化为热能使金属熔化后冷却结晶形成焊缝。激光焊接具有传统焊接方法无法比拟的显著优点：
1. 焊接速度快、深度大、焊件质量好、热影响区、变形及残余应力小。焊缝抗拉强度可达到或超过母材，激光焊接接头的疲劳强度一般要比常规焊接工艺高20%，甚至更高。
2. 常规或特殊条件下均能进行焊接，焊接设备装置简单，能够满足大规模工业化生产的要求，并适合于诸多领域。
3. 适用于诸多航空材料如钛合金、铝合金、镍基高温合金，各种钢材以及异种材料之间的焊接。
4. 功率密度高，可以焊接高硬度、高脆性及高熔点、高强度的材料。
5. 可进行微型焊接。激光束经聚焦后可获得很小的光斑，且能精确定位，可应用于微、小型工件的焊接。
6. 激光焊接系统具有高的柔性。与CAD/CAM或机器人联合组成的焊接系统可形成多功能的激光加工系统，达到较高的自动化程度，具有很大的灵活性。
7. 激光束易实现光束按时间与空间分光，能进行多光束同时加工及多工位加工，为更精密的焊接提供了条件。
图2 激光深熔焊的应用
激光焊接技术的应用
在飞机制造生产中，钛合金、高强铝合金主要作为薄壁结构件使用，该类材料的连接一般采用传统的铆接工艺，之所以不采用传统的弧焊方法是因为其热源是 发散的，能量密度较低，因此焊接速度低、热输入量大、焊接接头性能差及焊接结构的变形量大，难以满足焊接件的使用要求。然而激光焊接恰恰因为其特点弥补了 传统熔焊的缺陷，可在保证焊接接头具有良好性能的同时，使得焊接结构的变形也较小。
因此，激光焊接技术与航空制造技术相融合，作为一项成熟的技术成为航空用轻质合金连接的一种重要手段，对现代航空制造中结构件、部分发动机部件间的连接，起着举足轻重的作用，并在国际上有许多成功的应用实例。[JF:Page]
美国在20世纪70年代初的航空航天工业中，已利用15kW的CO2激光器针对飞机制造业中的各种材料、零部件，进行焊接试验、评估及工艺的标准 化。用6kW的CO2激光器焊接喷气发动机燃烧室衬套，该零件需在1.2mm厚的镍基合金轮缘与冷弯零件上得到1.8mm深的焊缝，如此严格的焊缝深度要 求只有激光焊才能实现。
空中客车A340飞机的制造中，其全部铝合金内隔板均采用激光焊接，大大简化了飞机机身的制造工艺；机身蒙皮与筋板的激光焊接取得了突破性进展并已 在空中客车A380上得到应用，在相同结构刚度条件下，用激光焊接技术取代传统的铆接能减轻机身重量10%～20%，提高强度近20%。
我国也已将激光加工技术及设备列为“当前国家优先发展的高技术产业化重点领域”。中国一航北京航空制造工程研究所的高能束流加工技术国防科技重点实 验室，集激光加工技术、电子束加工技术和等离子体加工技术于一体，是我国唯一同时拥有三束加工技术的研究单位。“九五”、“十五”期间，在激光焊接过程机 理及应用方面开展了大量的研究工作，包括航空用金属材料的激光焊接工艺及机理研究、精密激光焊接技术研究、新型材料及难加工材料可焊性及工艺优化技术研 究、武器装备新结构的激光束的新加工方法及关键工艺装备研究、提高激光性能及加工过程控制和质量监控技术的研究、激光全息技术用于焊缝质量检测的研究以及 航空结构件激光焊接技术的研究等等。在过去几十年时间里，为我国激光焊接技术发展作出了很大的贡献，研究成果已成功地应用在我国新型航空动力装置及结构件 的研制和生产中。
几种激光焊接方法及其应用
针对航空制造业的激光焊接技术，目前的研究主要集中于建立CO2激光和YAG激光焊接各种航空金属材料的理论及应用，通过基础理论的建立，辅以大量的试验验证，激光焊接技术已经成熟地应用于航空及武器装备制造的诸多领域。下面简单介绍几种激光焊接方法及其应用：
1. 单激光焊接
按焊接熔池形成的机理区分，激光焊接可分为两种：热传导焊接和激光深熔焊。这两种方式最基本的区别在于：前者熔池表面保持封闭，而后者熔池则被激光束穿透成小孔。
（1）热传导焊接
当功率密度约为105～ 106W/cm2的激光照射在材料表面时，一部分激光被反射，另一部分光能被材料吸收转化为热能使焊件表面熔化，材料表面层的热以热传导的方式继续向材料 深处传递，形成熔池，将两焊件熔接在一起。这种焊接模式熔深浅，深宽比较小。图1为利用激光热导焊为飞机某零件进行密封。
（2）激光深熔焊
当功率密度比较大（约为106～107W/cm2）的激光束照射到材料表面时，材料吸收光能转化为热能，工件吸收激光后迅速熔化乃至气化，熔化的金 属在蒸汽压力作用下形成小孔激光束可直照孔底，使小孔不断延伸，直至小孔内的蒸气压力与液体金属的表面张力和重力平衡为止。小孔随着激光束沿焊接方向移动 时，小孔前方熔化的金属绕过小孔流向后方，凝固后形成焊缝。这种焊接模式熔深大，深宽比也大。在航空制造领域，除了微薄零件或特殊要求之外，一般均使用深 熔焊。图2是采用激光深熔焊焊接的某飞机结构件。
2. 激光-电弧混合/复合焊
随着激光焊接技术在工业中的成熟应用，激光焊接技术的不足之处也日渐显露：设备投资、使用成本大，能量利用率低；对工件的焊接装配精度要求高；对于 高反射率金属难以实现激光焊接且容易对激光设备造成损坏；高焊接速度导致焊缝快速凝固，接头中容易产生气孔、咬边缺陷，焊缝组织脆性，甚至焊接裂纹。
为避免单激光焊接出现的问题，研究者提出了激光与电弧复合的焊接方法，其出发点是利用电弧焊接的低成本、适用范围宽等特点辅助激光来进行焊接。激光 －电弧复合主要是激光与PAW、TIG或MIG/MAG的复合。目前，主要研究了LASER-PAW和LASER-MIG两种复合焊接方法：
（1）LASER-PAW复合焊接技术
等离子弧的引弧性和稳弧性优于TIG焊，电极不易损耗，采用等离子弧与激光复合热源（如图3）进行焊接是一种过程很稳定的焊接技术，有利于保证焊接 质量。不需要真空系统，可以在大气条件下进行大型中厚度零件的焊接；较高的焊接速度，降低了零件的焊接变形；焊接工艺裕度大，对于焊前零件的装配间隙和焊 缝的对中要求可以大大降低，具有良好的实用性。图4是LASER-PAW复合焊接飞机桶体结构模拟件。
图3 LASER-PAW复合焊接系统
图4 LASER-PAW复合焊应用实例
（2）LASER-MIG复合焊接技术
LASER-MIG复合焊接技术是激光电弧复合焊接提出以来，研究最多、最为广泛的一种复合焊接方法（如图5）。MIG焊接容易使用焊丝填充焊缝， 采用激光-电弧复合焊接的方法进一步扩大拼缝间隙裕度、减少或消除焊接后接口部位的凹陷，改善焊缝形貌；此外，通过选择不同的焊丝，还可调整焊缝的化学成 分，改善力学性能。[JF:Page]
图5 LASER-MIG复合焊接系统
3. 双光点激光焊接
激光束经过分光镜分为两束相同的激光束,经镜片组聚为两个光点同时作用于工件表面进行焊接称为双光点激光焊接。该焊接方法中的两束光可以垂直于焊接 方向分布也可以平行于焊接方向作用于同一条直线上，或者沿焊接方向以任意角度进行分布；两束光之间的间距可调，能量比可调。激光双光点焊接可以改善焊缝表 面质量、增大焊缝熔宽并放宽对接间隙和准直度容许裕度、减少焊缝中大气孔的数量（如图6）。
图6 铝合金单双光点激光焊焊缝成形(上)铝合金单光点激光焊焊缝成形(下)铝合金双光点激光焊焊缝成形
4. 双光束激光焊接
双光束激光焊接方法，是指两束激光分别从两侧对称地对工件同时进行焊接的方法，适合各种材料的角接或T型接头的焊接，尤其是薄板的高速激光焊接。两 束光可以通过两台激光器提供，由两套单光束光路系统将激光束聚焦，也可以通过将同一台激光器发出的激光束分成能量相当的两束光获得。双光束焊接中需要两束 激光的模式相同、光束对称，焊接工艺参数相同，从而能有效地控制变形，保证焊接接头的质量和精度，同时可以降低焊接成本。该焊接方法已在空客飞机机身带筋 壁板的焊接中得到了应用。[JF:Page]
发展方向及展望
激光焊接技术是集激光技术、焊接技术、自动化技术、材料技术、机械制造技术及产品设计为一体的综合技术，最终既体现为成套专用设备，又体现为与之配套的工艺。作为先进制造技术的重要组成部分，激光焊接技术在未来航空制造业有着广阔的应用前景。其发展趋势有以下几点：
1. 大功率YAG激光焊接
随着激光器不断地发展进步，光纤激光器、盘式激光器相继问世，新型激光器的出现，带来的不仅是更稳定的光束质量，还有更大的能量。万瓦级激光器为激 光焊接提供了更为广阔的应用空间，为实现较厚结构件的拼接、搭接以及高反射率金属材料的激光焊接打开了突破口。因此，大功率必定成为今后激光焊接技术发展 应用的一个主要的方向。
2. 激光焊接过程实时监测
激光焊接时放出的光、蒸气和等离子体、熔池压力变化引起的声音、焊件中机械应力引起的超声波、金属蒸气或等离子介电常数、反射激光功率、熔池及小孔 的行为都在一定程度上反映了焊接过程的机理，对其进行直接观察及分析，一方面可以实现焊接自动化，另一方面可以直观地了解焊接过程，有助于研究焊接机理从 而更好地控制缺陷。
3. 铝合金激光焊接的研究
铝合金作为航空材料中使用较多的材料，其激光焊接一直处于一个比较尴尬的局面：一方面，激光焊接铝合金变形小且能实现减重20%左右，另一方面，由 于铝合金的特性，对光的反射强，散热快，而且容易产生气孔等缺陷。因此，铝合金的激光焊接的研究倍受关注，并将作为激光焊接在航空制造业中急待改进发展的 技术方向之一。
4. 多种激光焊接方法的应用
随着激光焊接技术的发展，单一的激光焊接技术已经远远不能满足针对不同材料、不同结构件的焊接需要，应运而生的则是各种新焊接方法的创新及研究。依靠新出现的激光焊接方法或者多种方法的复合，希望能解决目前激光焊接中所遇到的问题。
自19世纪60年代首次将激光用于焊接以来，激光焊接技术的发展日新月异，随着相关科学技术的不断进步和现存问题的解决，激光焊接势必将成为今后航空制造业中不可或缺的关键技术。
