激光焊接技術(shù)特性及在工程材料上的應(yīng)用

陳陽(yáng)

摘? 要：激光焊接技術(shù)是一種先進(jìn)的焊接技術(shù)，因其獨(dú)特的性能優(yōu)勢(shì)，已在不同領(lǐng)域得到極大的重視和廣泛的應(yīng)用。本文詳細(xì)闡述了激光焊技術(shù)的原理、分類、優(yōu)勢(shì)及局限性，介紹了激光焊接在碳鋼、不銹鋼、鋁合金、鎂合金及鈦合金等不同工程材料的應(yīng)用特點(diǎn)，對(duì)激光焊接在不同材料中的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了詳細(xì)論述，展望了激光焊接發(fā)展前景。

關(guān)鍵詞：激光焊接? 優(yōu)勢(shì)? 不銹鋼? 鋁合金? 鎂合金? 鈦合金

中圖分類號(hào)：TG44 ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-098X（2021）04（c）-0050-04

Characteristics of Laser Welding Technology and Its Application in Engineering Materials

CHEN Yang

（Hunan Branch of China Classification Society Quality Certification Company， Changsha， Hunan Province， 410100 China）

Abstract： Laser welding technology is an advanced welding technology， because of its unique performance advantages， it has been paid great attention and widely used in different fields. This paper expounds the principle， classification， advantages and limitations of laser welding technology， introduces the application characteristics of laser welding in different engineering materials such as carbon steel， stainless steel， aluminum alloy， magnesium alloy and titanium alloy， discusses the research status of laser welding in different materials in detail， and looks forward to the development prospect of laser welding.

Key Words： Laser welding; Advantages; Stainless steel; Aluminum alloy; Magnesium alloy; Titanium alloy

焊接水平高低是衡量國(guó)家機(jī)械制造水平和科技水平高低的重要手段之一，直接影響到產(chǎn)品加工效率和質(zhì)量。與傳統(tǒng)的氣保焊、氬弧焊、電子束焊等焊接方法相比，激光焊接技術(shù)因其具有熱量集中、熱輸入量小、熱影響區(qū)小、焊接速度快、深寬比大、形變小、無(wú)需接觸、無(wú)需真空等諸多優(yōu)點(diǎn)，成為最具發(fā)展?jié)摿Φ暮附臃绞街唬言诟餍袠I(yè)中得到廣泛應(yīng)用。

1? 激光焊接的分類

依據(jù)激光焊接焊縫的原理來(lái)分類，激光焊接可分為熱傳導(dǎo)激光焊接和深熔激光焊接。熱傳導(dǎo)激光焊接原理是利用激光束輻射加熱待加工材料表面，表面熱量通過(guò)熱傳導(dǎo)方式向材料內(nèi)部傳遞，通過(guò)調(diào)節(jié)激光脈沖的寬度、功率和頻率等參數(shù)，使工件熔化，形成熔池完成焊接。深熔激光焊接是在激光束照射下，材料表面蒸發(fā)形成小孔，小孔吸收激光束的能量，使小孔四周材料熔化。隨著光束前進(jìn)，小孔和小孔周圍熔融金屬向前移動(dòng)，從而形成焊縫。由此，材料表面是否有孔狀熔池是區(qū)別熱傳導(dǎo)激光焊接和深熔激光焊接的關(guān)鍵。

激光焊接常用的激光器有氣體激光器、固體激光器、光纖激光器。氣體激光器即CO2激光器，其功率能達(dá)到20kW甚至更大，輸出的激光波長(zhǎng)為10.6μm的遠(yuǎn)紅外光，大部分金屬對(duì)該種光的反射率高達(dá)80%～90%。固體激光器，使用較多的為Nd：YAG激光器，其功率一般為4～6kW，輸出激光波長(zhǎng)為1.06μm的近紅外光，雖然功率低、波長(zhǎng)短，但反射率低僅為20%～30%，有利于材料表面吸收，適合銅合金等高反射材料的焊接。光纖激光是2002年以后發(fā)展起來(lái)的新型激光器，其采用摻雜不同的稀土離子的光纖為基質(zhì)材料，輸出激光波長(zhǎng)范圍在1.08μm左右，光束為光纖傳輸，電光轉(zhuǎn)換率高，光纖激光體積小、運(yùn)行成本低、光束質(zhì)量高、激光功率高。三者對(duì)比如表1所示。

依據(jù)激光束輸出方式的差異，激光焊接分為連續(xù)激光焊和脈沖激光焊。連續(xù)激光焊接常用于薄板的焊接，例如大功率二氧化碳?xì)怏w激光器;脈沖激光焊接常用于微小型元件的焊接，如電子器件、儀表器件等。

2? 激光焊接的優(yōu)勢(shì)及局限性

與其他焊接技術(shù)相比，激光焊接技術(shù)具有很多獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)[1]：（1）激光束功率密度高，焊接效率高，可以對(duì)高熔點(diǎn)、難熔金屬、異種金屬、非金屬進(jìn)行焊接，且焊縫性能優(yōu)良。（2）聚焦光斑小，被焊工件受熱區(qū)小，不易變形;加熱速度快，作用時(shí)間短;深寬比大，甚至可以焊接非常精密的微小型元件。（3）激光束操控靈活，通過(guò)光學(xué)鏡片可以實(shí)現(xiàn)任意方向的聚焦。針對(duì)其他焊接方法難以達(dá)到的位置也可實(shí)現(xiàn)焊接。（4）激光焊接可以實(shí)現(xiàn)與計(jì)算機(jī)聯(lián)機(jī)，精確定位，自動(dòng)焊接，而且激光可在真空中焊接。（5）激光焊接屬于非接觸焊接，無(wú)接觸污染，無(wú)機(jī)械應(yīng)力和機(jī)械變形。

當(dāng)然，激光焊接也存在一定的不足之處[1]：（1）與其他焊接弧光一樣，激光對(duì)眼睛和皮膚易產(chǎn)生損傷。（2）因激光聚焦后尺寸小，成型焊縫窄，要求焊件裝配精度高，激光束焊點(diǎn)與焊縫位置精確定位。（3）因激光能量有限，焊透厚度有限，對(duì)于厚度大于19mm以上的工件不適宜采用激光焊接。（4）不同材料對(duì)于激光的吸收率存在著差別，焊接時(shí)需根據(jù)材料的吸收率選擇不同波長(zhǎng)的激光進(jìn)行焊接，并采取適當(dāng)?shù)暮盖氨砻嫣幚硖岣呶章?。?）激光功率密度高，熱影響區(qū)小，金屬材料在焊接后期冷卻速度大，易產(chǎn)生熱裂紋。（6）激光焊接設(shè)備價(jià)格昂貴，前期投資高。

3? 激光焊接在工程金屬材料上的應(yīng)用

3.1 碳鋼材料的激光焊接

碳鋼材料激光焊接性能優(yōu)良，焊縫質(zhì)量主要取決于雜質(zhì)含量的高低，雜質(zhì)含量低則焊接效果好。對(duì)于中、高碳鋼和合金鋼，采用激光焊接時(shí)，為避免焊接裂紋，需預(yù)熱和焊后處理，減小焊接應(yīng)力。

激光焊可對(duì)雙金屬實(shí)行焊接，常見的為雙金屬鋸條的焊接。雙金屬鋸條既有高速鋼良好的切削性能，又有彈簧鋼良好的彈性，因此需將兩種鋼焊接在一起。然而，兩種鋼含碳量高，物理性能相差大，采用傳統(tǒng)焊接方式具有一定的局限性，易在焊縫處產(chǎn)生裂紋。楊帆通過(guò)試驗(yàn)及理論研究了激光焊的各項(xiàng)焊接參數(shù)對(duì)1mm厚W6542高速鋼與65Mn彈簧鋼雙金屬激光焊接接頭組織的影響，給出了最優(yōu)試驗(yàn)參數(shù)，為雙金屬鋸條的生產(chǎn)實(shí)踐提供了理論參考[2]。

萬(wàn)瓦級(jí)激光具有超高功率密度，可大幅減少坡口加工及焊道層數(shù)，降低層間清理次數(shù)等，極大提高了焊接生產(chǎn)效率，對(duì)于中厚鋼板的焊接具有極大的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。蔣寶[3]通過(guò)研究指出萬(wàn)瓦級(jí)光纖激光焊接時(shí)，羽輝的存在、焊縫塌陷和底部駝峰的產(chǎn)生是影響中厚鋼板萬(wàn)瓦級(jí)光纖激光焊接穩(wěn)定性的主要問(wèn)題，通過(guò)改變焊接姿態(tài)、采用電磁支撐系統(tǒng)、底部氣壓法或焊縫背面強(qiáng)制成形等方法均有助于獲得良好的焊縫成形。

3.2 不銹鋼材料的激光焊接

一般情況下，與常規(guī)焊接方法相比，不銹鋼采用激光焊接獲得的焊接接頭性能更加優(yōu)良。激光焊接速度快，熱影響區(qū)小，不銹鋼敏化情況減弱，且不銹鋼導(dǎo)熱性差，易獲得深寬比焊縫。

鐵素體不銹鋼成本低，可在很多場(chǎng)合替代奧氏體不銹鋼。但傳統(tǒng)焊接會(huì)導(dǎo)致其焊縫和熱影響區(qū)晶粒嚴(yán)重長(zhǎng)大，接頭脆化。張紅霞[4]采用鎢極脈沖氬弧焊、鎢極氬弧焊和激光脈沖焊3種焊接方法焊接433鐵素體不銹鋼，發(fā)現(xiàn)脈沖激光焊熱影響區(qū)及焊縫區(qū)晶粒平均尺寸最小，晶粒得到了細(xì)化，且抗拉強(qiáng)度最高，焊接接頭斷口中存在韌窩特征，激光焊接接頭的韌性優(yōu)于其他焊接方法。

奧氏體不銹鋼焊接性能較好，但由于其導(dǎo)熱性差，線膨脹系數(shù)大，焊接時(shí)會(huì)產(chǎn)生很大的應(yīng)力和焊接變形。激光焊能量密度高，形成的焊縫窄，熱影響區(qū)小，因此焊接變形小。陳俊科對(duì)奧氏體不銹鋼激光焊接進(jìn)行研究[5]，通過(guò)調(diào)整焊接時(shí)的激光功率、焊接速度、保護(hù)氣體等焊接參數(shù)，獲得了形貌良好、性能優(yōu)質(zhì)的接頭。

馬氏體不銹鋼的焊接性能比鐵素體不銹鋼、奧氏體不銹鋼差，接頭硬而脆，并伴有冷裂傾向。采用焊前預(yù)熱、焊后回火可減少裂紋的產(chǎn)生，但焊接工藝較復(fù)雜。余和國(guó)[6]對(duì)2Cr13不銹鋼進(jìn)行激光焊接研究，發(fā)現(xiàn)優(yōu)化工藝參數(shù)可以抑制焊縫裂紋的產(chǎn)生，焊縫中心區(qū)組織為等軸晶、柱狀晶、枝狀晶，熱影響區(qū)為針狀馬氏體，焊后焊縫接頭抗拉強(qiáng)度達(dá)491MPa，為基材的74.4%。

3.3 鋁合金的激光焊接

鋁合金目前廣泛應(yīng)用于工程機(jī)械、軌道、車輛、航空航天、艦船等工業(yè)領(lǐng)域的結(jié)構(gòu)輕量化制造中。激光焊接因其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)成為鋁合金焊接技術(shù)的重要發(fā)展方向，空客A380飛機(jī)和奧迪A8車更以激光焊接鋁合金結(jié)構(gòu)的應(yīng)用作為其先進(jìn)性的標(biāo)志。

但目前鋁合金激光焊接存在很多難題，主要包括：（1）鋁合金對(duì)激光束反射率高，不利于激光能量的吸收。（2）焊接時(shí)易產(chǎn)生氫氣孔和匙孔破滅導(dǎo)致的氣孔。（3）鋁合金激光反射率達(dá)到80%，且導(dǎo)熱性好，導(dǎo)致產(chǎn)生“小孔”能量密度閾值高。（4）鋁合金焊接時(shí)容易焊縫結(jié)晶裂紋和HAZ液化裂紋等熱裂紋。（5）激光焊接過(guò)程中Mg、Zn等低熔點(diǎn)合金元素容易蒸發(fā)，降低鋁合金強(qiáng)化效果，導(dǎo)致接頭性能下降。

為提高鋁合金激光焊接性能，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)研究。王偉[7]指出2A14鋁合金采用不同焊接速度進(jìn)行激光焊接時(shí)，均存在一個(gè)明顯的激光功率閥值。當(dāng)激光功率低于該閾值時(shí)，熱裂紋產(chǎn)生明顯;達(dá)到或高于該閾值時(shí)，熱裂紋得到一定抑制。張大文[8]對(duì)1.5mm厚的5052鋁合金采用了脈沖激光焊接和連續(xù)激光焊接，均獲取最優(yōu)工藝參數(shù)。并對(duì)最佳焊接工藝參數(shù)下的焊縫進(jìn)行比對(duì)，結(jié)果表明脈沖激光焊接對(duì)鋁合金焊接接頭氣孔抑制效果更為理想，焊縫質(zhì)量更優(yōu)，抗拉強(qiáng)度高出10%。

3.4 鎂合金的激光焊接

鎂合金因熔點(diǎn)低、與氮和氧親和力強(qiáng)、熱膨脹系數(shù)大，焊接難度較大，易出現(xiàn)焊接變形和熱裂紋等。鎂合金傳統(tǒng)的焊接方法主要有氬弧焊、電子束焊、激光焊等。其中氬弧焊熱輸入量大，熱影響區(qū)大，焊接接頭晶粒粗大，強(qiáng)度較低;電子束焊熱量集中，熱影響區(qū)小，但需要在真空環(huán)境下焊接;激光焊熱量集中，熱影響區(qū)小，焊接接頭強(qiáng)度高，且無(wú)須真空環(huán)境，加工效率高。

武同[9]采用6kW光纖激光器對(duì)2mmAZ31鎂合金進(jìn)行焊接，通過(guò)改變焊接速度、激光頻率以及激光振幅等工藝參數(shù)，獲取了最佳焊接參數(shù)，且焊縫表面及內(nèi)部無(wú)裂紋、無(wú)氣孔，焊接接頭強(qiáng)度可達(dá)216MPa，為母材強(qiáng)度的85%以上。郭佳萍[10]采用激光焊對(duì)NZ30K稀土鎂合金焊接進(jìn)行了研究，增加激光功率，鎂合金正面熔寬變化不明顯，背面熔寬顯著增加;提高焊接速度，鎂合金正面和背面熔寬均減小;增加焊接熱輸入量，鎂合金焊接接頭抗拉強(qiáng)度增加，但當(dāng)焊縫熔透后，抗拉強(qiáng)度隨熱輸入增加變化不大。

3.5 鈦合金的激光焊接

鈦及鈦合金因比強(qiáng)度高、耐蝕性強(qiáng)被廣泛應(yīng)用于航空航天、海洋裝備和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。目前鈦合金的焊接方法有等離子弧焊、鎢極氬弧焊、真空電子束焊、激光焊等。激光焊接技術(shù)因其具有能量密度高、熱影響區(qū)小、深寬比大、形變小、無(wú)需真空等諸多優(yōu)點(diǎn)，正在成為鈦合金焊接的主要方法。

鈦合金激光焊接時(shí)選取合適的焊接參數(shù)，可獲得良好的力學(xué)性能。崔冰[11]通過(guò)對(duì)2mm超窄間隙激光焊接10mm厚TC4鈦合金接頭組織及性能研究，選取合適的焊接工藝，可獲得無(wú)缺陷的焊接接頭，接頭最大抗拉強(qiáng)度893MPa，可達(dá)到母材的84.7%，如表2所示。

鈦合金化學(xué)性質(zhì)活潑，焊接時(shí)易吸收氧氣、氫氣、氮?dú)?，使接頭脆化，產(chǎn)生氣孔，降低韌性，焊接時(shí)需采用氬氣、氦氣作保護(hù)氣。為保證鈦合金激光焊接接頭質(zhì)量，需選取合適的激光功率、焊接速度及離焦量等參數(shù)值。高睿[12]研究了激光功率、速度等參數(shù)對(duì)TC6組織及性能的影響，指出激光功率為3.1kW、焊速為1.75m/min時(shí)，焊接接頭組織細(xì)小、均勻，且力學(xué)性能優(yōu)良，抗拉強(qiáng)度可達(dá)901.7MPa。楊爍[13]對(duì)薄壁TC4鈦合金激光焊縫成形進(jìn)行了研究，指出低速焊接鈦合金時(shí)，需嚴(yán)格控制激光能量;高速焊接時(shí)，激光能量幅度可擴(kuò)大。激光功率與離焦量比值為100～140W/mm時(shí)，焊接接頭熔透效果好。大角度斜向焊接時(shí)，鈦合金存在反射現(xiàn)象，降低焊接速度和提高激光功率可以保證焊縫成型質(zhì)量。

4? 結(jié)語(yǔ)

激光焊接作為一種先進(jìn)焊接技術(shù)，憑借其獨(dú)特的焊接性能優(yōu)勢(shì)，已在鋼鐵行業(yè)、船舶制造業(yè)、軌道交通業(yè)、汽車制造業(yè)、航空航天業(yè)、生物醫(yī)學(xué)、輕工業(yè)制造等領(lǐng)域得到了廣泛地運(yùn)用。隨著對(duì)制造加工效率及質(zhì)量的更高要求，未來(lái)激光焊接技術(shù)會(huì)更加成熟，必將成為主流的焊接技術(shù)，起到更加關(guān)鍵的作用。

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