激光復(fù)合焊接的探討

于愛(ài)民

摘要：首先闡述了激光焊接的特點(diǎn)，指出了單熱源激光焊接存在的缺點(diǎn)及其產(chǎn)生的原因。然后介紹了幾種其他熱源與激光進(jìn)行復(fù)合焊接的方法，分析了這些復(fù)合焊接方法在保持激光焊接優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上克服激光焊接缺陷的機(jī)理，最后指出這些復(fù)合焊接方法是激光焊接的一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：激光;復(fù)合焊接;焊接缺陷;

引言

激光焊接由于具有很多優(yōu)點(diǎn)，在制造行業(yè)得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。人們?yōu)榱烁玫貞?yīng)用這一先進(jìn)的焊接方法，對(duì)它進(jìn)行了廣泛而深入的研究，并且提出了用其他熱源與激光進(jìn)行復(fù)合焊接的工藝，以更好地發(fā)揮激光焊接的優(yōu)點(diǎn)）。激光功率密度大，熱作用區(qū)域很小’因而激光焊接具有很多優(yōu)點(diǎn)。

1激光焊接的原理及特點(diǎn)

1.1激光焊接的原理

激光焊接可以采用連續(xù)或脈沖激光，其將高功率密度的激光束聚焦后照射兩部分材料連接處，高強(qiáng)度的激光能量被材料表面吸收，表面材料被激光熔化，在激光離開(kāi)之后冷卻固化，從而實(shí)現(xiàn)材料的焊接。在激光與材料相互作用過(guò)程中，會(huì)出現(xiàn)光的反射、吸收、熱傳導(dǎo)及物質(zhì)的傳遞。激光焊接從焊接機(jī)理上可分為激光熱導(dǎo)焊和激光深熔焊。

當(dāng)激光功率密度小于105W/cm2時(shí)為熱傳導(dǎo)焊接，此時(shí)激光輻射至材料表面的功率密度較低，光能量只能被材料表層吸收，未產(chǎn)生非線(xiàn)性效應(yīng)或小孔效應(yīng)。當(dāng)照射到金屬表面的激光功率密度大于106W/cm2時(shí)，金屬表面溫度可在極短時(shí)間內(nèi)使加熱區(qū)域的金屬熔化及汽化，在極短時(shí)間內(nèi)形成了一個(gè)直徑不到1mm，內(nèi)部充滿(mǎn)金屬蒸氣和成分以保護(hù)氣體和金屬組成物為主的等離子體的細(xì)長(zhǎng)氣柱，即激光“小孔”。焊接時(shí)，激光小孔隨工件一起移動(dòng)，而焊接熔池內(nèi)部熔化的金屬繞過(guò)激光小孔后，冷卻凝固形成焊縫。

1.2激光焊接的特點(diǎn)

激光焊接的優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)在激光焊接能力與焊接質(zhì)量方面。激光焊接中激光束能量密度高，光束集中可以在極小空間內(nèi)對(duì)金屬、非金屬等多種材料甚至是在不同材料間進(jìn)行大深度比、快速焊接，焊接材料的熱影響區(qū)小，結(jié)合強(qiáng)度好，另外激光可以透過(guò)透明物質(zhì)對(duì)密封空間內(nèi)的材料進(jìn)行焊接。激光焊接設(shè)備可以方便地進(jìn)行參數(shù)調(diào)節(jié)，從而進(jìn)行自動(dòng)化加工，同一設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)切割、焊接、表面處理等多種加工工藝，相對(duì)降低了成本。

但單獨(dú)的激光焊接也存在缺點(diǎn)，如：焊接時(shí)產(chǎn)生的等離子體云對(duì)激光有吸收與反射作用;熔融氣體來(lái)不及逸出易形成疏松或氣孔;焊接區(qū)定位要求高，焊縫處存在凹陷等。為了消除單熱源激光焊接存在的缺陷，將激光與其他熱源進(jìn)行復(fù)合，充分利用各自的優(yōu)點(diǎn)，以提高焊接速度、改善焊接質(zhì)量。

2激光與TIG焊接

20世紀(jì)80年代初，英國(guó)學(xué)者Steen首先提出激光與電弧復(fù)合焊接的概念，其研究發(fā)現(xiàn)電弧對(duì)激光束有能量增強(qiáng)作用。Tusek等人對(duì)激光與電弧焊進(jìn)行了研究，指出該工藝使能量得到更高效的應(yīng)用，在合適參數(shù)下，焊縫質(zhì)量比單獨(dú)激光焊接工藝好。

TIG焊是利用純鎢或活化鎢作為不熔化電極的惰性氣體保護(hù)電弧焊。激光-TIG復(fù)合焊接是激光與電弧兩種熱源共同作用于焊接區(qū)域，使母材溫度升高并熔化，焊接時(shí)電弧稀釋等離子體，從而降低等離子體對(duì)激光的吸收，使激光能量的利用率增大，同時(shí)激光能夠穩(wěn)定電弧，增加電弧的能量密度。激光-TIG復(fù)合焊接并不是兩種熱源的簡(jiǎn)單疊加，而是將作用于同一加工位置的物理性質(zhì)、能量傳輸機(jī)制截然不同的激光與電弧兩種熱源復(fù)合在一起，既充分發(fā)揮了各自的優(yōu)勢(shì)，又彌補(bǔ)了雙方的不足，從而形成一種全新高效的復(fù)合熱源。相關(guān)研究表明，激光-TIG復(fù)合焊接具體的優(yōu)點(diǎn)有：①電弧的加入降低了等離子云對(duì)激光的反射，加大了材料熔融深度，提高結(jié)合強(qiáng)度;②由于電弧加熱區(qū)域較大，使得焊接熔池?cái)U(kuò)大和冷卻速度降低，母材對(duì)接定位的精度要求降低，有利于減輕與消除氣泡殘留、裂紋和結(jié)構(gòu)變形缺陷，如在復(fù)合焊接中加入填充料，可較好的彌補(bǔ)焊接凹陷;③由于兩者能量疊加，則可以增大焊接速度提高效率，并可降低對(duì)激光器功率的要求。但該復(fù)合焊接工藝本身也存在一定的問(wèn)題，如：高壓、高頻起弧引燃導(dǎo)致電弧不穩(wěn)定、不連續(xù)，引起鎢極的燒蝕;易對(duì)其他電子設(shè)備產(chǎn)生電磁干擾等。

激光-TIG焊接主要用于薄板的高速焊接以及不等厚板的焊接。在鎂、鋁合金等輕金屬及異種合金的連接方面也有研究。如：Liu等人利用激光-TIG焊接對(duì)AZ31B鎂合金和Q235鋼進(jìn)行搭接焊，并比較研究在搭接面放進(jìn)一層Cu和Ni夾層時(shí)焊接頭的顯微結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能的不同。實(shí)驗(yàn)表明：復(fù)合熱源的瞬時(shí)耦合現(xiàn)象，對(duì)焊接過(guò)程的穩(wěn)定性及焊接結(jié)果有很大的影響;同時(shí)，工藝參數(shù)值的稍微變動(dòng)，就會(huì)對(duì)焊接穩(wěn)定性產(chǎn)生強(qiáng)烈的影響;TIG電流頻率值應(yīng)與激光脈沖重復(fù)頻率在同一變動(dòng)范圍以保證焊接工藝穩(wěn)定。

3結(jié)語(yǔ)

將激光與其他熱源復(fù)合的技術(shù)在19世紀(jì)70年代就為人所知，但直到現(xiàn)在激光復(fù)合焊接技術(shù)才引起廣泛關(guān)注。激光復(fù)合焊接可以消除激光和其他單熱源焊接存在的缺陷，綜合了單一工藝的優(yōu)點(diǎn)。復(fù)合焊接方法提高激光利用率，增大焊接熔深，提高焊接速度，改善焊接質(zhì)量，是今后激光焊接發(fā)展的一大趨勢(shì)。本文詳細(xì)闡述了各種激光復(fù)合焊接工藝方法及其研究進(jìn)展，其中激光-TIG焊、激光-GMA焊、激光-等離子弧焊等激光電弧復(fù)合焊技術(shù)已廣泛應(yīng)用于汽車(chē)、船舶等制造業(yè)中，激光雙光束焊、激光與感應(yīng)熱源復(fù)合焊、激光與攪拌摩擦復(fù)合焊、激光-電、磁場(chǎng)復(fù)合焊等新方法在一些應(yīng)用場(chǎng)合體現(xiàn)了其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)?？梢灶A(yù)見(jiàn)，隨著激光復(fù)合焊接方法與設(shè)備的不斷成熟，激光復(fù)合焊接必將在機(jī)械制造業(yè)中發(fā)揮更大的作用。

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