幾種常見(jiàn)合金的激光掃描焊接特性及研究現(xiàn)狀

李路雨 胡永俊 李風(fēng) 舒暢

摘要：激光掃描焊接是一種高效的新型激光焊接技術(shù)，具有獨(dú)特的激光束定位方式、掃描范圍廣、靈活性高、工作距離長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，相比于傳統(tǒng)激光焊接，其多點(diǎn)焊接的特性能在很大程度上提升焊接效率。概述了激光掃描焊接技術(shù)的工作原理和分類，重點(diǎn)闡述鋁合金、鎂合金、鈦合金、銅及銅合金、鋁-鋼異質(zhì)合金幾種常用合金的激光掃描焊接特性及研究現(xiàn)狀。掃描激光束對(duì)熔池的攪拌作用可有效改善鋁合金焊縫中的缺陷，小孔的微觀結(jié)構(gòu)以及焊接過(guò)程的受力變化是今后鋁合金掃描激光焊接研究的突破點(diǎn);激光掃描焊接可顯著改善鎂合金的焊縫成形質(zhì)量，優(yōu)化、控制、調(diào)節(jié)不同的激光掃描焊接工藝參數(shù)操作窗口并制定相關(guān)的工藝規(guī)范，以及如何控制中間相的形成及其含量是掃描焊接鎂合金研究需要突破的重點(diǎn);鈦合金激光掃描焊接的一個(gè)重要難點(diǎn)是焊接過(guò)程中匙孔的不穩(wěn)定性，這在很大程度上影響焊縫成形，匙孔的穩(wěn)定性取決于其受力狀態(tài)，因此首先要控制激光束的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)（如掃描軌跡、掃描幅度、掃描頻率等）;銅及銅合金的低吸收率和高熱導(dǎo)率使得掃描焊接銅時(shí)需要更高的激光功率，所需設(shè)備、高成本以及可能存在的夾雜物限制了該工藝的推廣，仍需要更多的研究來(lái)了解銅合金掃描焊接機(jī)理并克服焊接時(shí)工藝穩(wěn)定性低、大飛濺和高孔隙率問(wèn)題;激光掃描焊接其他異質(zhì)合金如鎂-鋁、鋁-銅、鎂-鈦、鈦-鋁合金等也會(huì)是未來(lái)激光掃描焊接的研究重點(diǎn)。最后，針對(duì)已有研究中的不足提出激光掃描焊接目前面對(duì)的挑戰(zhàn)及未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：激光掃描焊接;掃描軌跡;掃描頻率;焊接飛濺;氣孔

中圖分類號(hào)： TG456.7????? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A文章編號(hào)：1001-2303（2022）02-0026-10

Laser Scanning Welding Characteristics and Research Status of Several Common Alloys

LI Luyu， HU Yongjun， LI Feng， SHU Chang

School of Materials and Energy， Guangdong University of Technology， Guangzhou 511436， China

Abstract： Laser scanning welding is a highly efficient new laser welding technology， with unique laser beam positioning， wide scanning range， high flexibility， long working distance and other advantages， compared to traditional laser welding， its multi-point welding characteristics can largely enhance the welding efficiency. Overview of the working principle and classi‐ fication of laser scanning welding technology， focusing on the laser scanning welding characteristics and research status of several common alloys such as aluminum， magnesium， titanium， copper and copper alloys， and aluminum-steel. The stirring effect of the scanning laser beam on the molten pool can effectively improve the defects in the aluminum alloy weld， the mi‐ crostructure of small holes and the force changes in the welding process is a breakthrough point for future research on scan‐ ning laser welding of aluminum alloys. Laser scanning welding can significantly improve the quality of weld forming of magnesium alloys， optimization， control， adjustment of different laser scanning welding process parameters operating win‐ dow and the development of relevant process specifications， as well as how to control the formation of the intermediate phase and its content is the focus of research on scanning welding magnesium alloys need to break through. An important difficulty in laser scanning welding of titanium alloys is the instability of the keyhole during the welding process， which largely affects the weld formation. The stability of the keyhole depends on its force state， so the first step is to control the movement of the laser beam （such as scanning trajectory， scanning amplitude， scanning frequency， etc.）. The low absorption and high thermal conductivity of copper and copper alloys require higher laser power for scanning welding copper. The required equipment， high cost and possible inclusions limit the diffusion of the process， and more research is still needed to un‐ derstand the mechanism of scanning welding of copper alloys and to overcome the problems of low process stability， large spatter and high porosity during welding. Laser scanning welding of other heterogeneous alloys such as magnesium - alumi‐ num， aluminum - copper， magnesium - titanium， titanium - aluminum alloy will also be the focus of future laser scanning welding research. Finally， for the shortcomings in the existing research proposed laser scanning welding challenges and fu‐ ture development trends.

Keywords： laser scanning welding; scanning trajectory; scanning frequency; welding spatter; porosity

引用格式：李路雨，胡永俊，李風(fēng)，等.幾種常見(jiàn)合金的激光掃描焊接特性及研究現(xiàn)狀[J].電焊機(jī)，2022，52（2）：26-35.

Citation：LILuyu， HU Yongjun， LI Feng， et al. Laser Scanning Welding Characteristics and Research Status of Several Common Alloys[J]. Electric Welding Machine， 2022， 52（2）：26-35.

0? 前言

激光焊接具有能量密度高、焊接速度快、熱影響區(qū)小、焊接熱輸入低等顯著特點(diǎn)[1]，是一種優(yōu)異的焊接技術(shù)。但在工業(yè)生產(chǎn)實(shí)際應(yīng)用中，激光焊接仍有許多不足，例如：常規(guī)激光焊接的聚焦光斑尺寸小，對(duì)工件的裝配精度及坡口尺寸要求較高，導(dǎo)致工件的裝夾時(shí)間較長(zhǎng)，焊接時(shí)間相對(duì)短暫，因此焊接效率大大降低。此外，由于激光焊接熔池區(qū)域加熱和冷卻凝固速度較快，在焊接鋁合金等氣孔敏感性高的材料時(shí)，焊縫的氣孔率往往較高[2]。

為改善上述激光焊接的不足之處，一種新型高效的激光焊接技術(shù)——激光掃描焊接（Laser scan‐ ner welding，LSW）應(yīng)運(yùn)而生。激光掃描焊接系統(tǒng)是在傳統(tǒng)激光焊接的基礎(chǔ)上主要增加了掃描光學(xué)系統(tǒng)。激光掃描焊接系統(tǒng)通過(guò)控制光學(xué)系統(tǒng)中振鏡的快速微小偏轉(zhuǎn)，來(lái)實(shí)現(xiàn)激光束在工作面上的瞬間定位以及在焊點(diǎn)間的快速切換，因此大大減少了激光束定位與工件裝配的時(shí)間，提高了有效焊接時(shí)間在整個(gè)焊接循環(huán)時(shí)間的占比，明顯提升了焊接效率。再加上裝配有高功率、高光束質(zhì)量激光源，即使在很長(zhǎng)的工作距離下，工作面上的聚焦光斑仍有很高的功率密度，使得掃描焊接的工作范圍更大，如德國(guó)Trumpf公司生產(chǎn)的PFO掃描激光頭焦距長(zhǎng)可達(dá)450 mm，最大加工范圍320 mm×190 mm[3]。激光掃描焊接技術(shù)現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于汽車白車身的車門、汽車座椅、行李箱蓋以及電池的焊接[4]。

本文從激光掃描焊接的工作原理出發(fā)，首先介紹了激光掃描焊接的分類，然后根據(jù)現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，總結(jié)得到激光掃描焊接在鋁合金、鎂合金、鈦合金、銅合金及鋁-鋼異質(zhì)金屬等材料的應(yīng)用現(xiàn)狀，并闡述其應(yīng)用于上述合金時(shí)具備的焊接特性，最后針對(duì)激光掃描焊接的不足，闡述了目前激光掃描焊接研究面臨的挑戰(zhàn)及其未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。

1? 激光掃描焊接技術(shù)原理

激光掃描焊接技術(shù)是通過(guò)高速掃描振鏡進(jìn)行快速振動(dòng)，使激光束聚焦在工件表面形成所需的特定掃描軌跡，從而實(shí)現(xiàn)高效焊接的一種方法[5]。激光掃描焊接與傳統(tǒng)激光焊接的主要區(qū)別是激光束定位方法不同，其原理與激光打標(biāo)技術(shù)相似[5]。掃描焊接系統(tǒng)的主要組成部分包括激光器和掃描光學(xué)系統(tǒng)，掃描光學(xué)系統(tǒng)用于聚焦激光束并沿著焊接路徑快速引導(dǎo)激光束定位到工作面。掃描光學(xué)系統(tǒng)的主要功能就是減少激光束定位時(shí)間。

典型的掃描光學(xué)系統(tǒng)如圖1所示，有兩個(gè)可旋轉(zhuǎn)的振鏡（x軸振鏡和y軸振鏡）和一個(gè)可移動(dòng)的透鏡，振鏡主要是用于轉(zhuǎn)折激光束，透鏡用于聚焦光束。通過(guò)控制鏡片的偏轉(zhuǎn)角度可以將激光束聚焦點(diǎn)導(dǎo)向工作區(qū)域內(nèi)任意一點(diǎn)，中間的透鏡可以沿著 z軸方向移動(dòng)，用于改變焦點(diǎn)位置，獲得所需的聚焦位置和離焦量。

然而，這種典型的掃描光學(xué)系統(tǒng)有一個(gè)弊端：與焦點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的掃描區(qū)域是彎曲的，該現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致在對(duì)大尺寸工件焊接時(shí)焦點(diǎn)位置發(fā)生改變，只能在工件上的有限區(qū)域內(nèi)獲得良好的加工效果。目前主要有兩種改進(jìn)方式（見(jiàn)圖2）：一種是加入平場(chǎng)透鏡的掃描光學(xué)系統(tǒng)，激光束從振鏡出來(lái)后再聚焦，也叫做f-θ鏡聚焦式;另一種是激光束進(jìn)入振鏡前被聚焦的反射式掃描光學(xué)系統(tǒng)，也叫做動(dòng)態(tài)聚焦式[7]。

2? 激光掃描焊接技術(shù)分類

對(duì)于激光掃描焊接的分類，國(guó)內(nèi)外研究并沒(méi)有明確的劃分定義。除了上述根據(jù)掃描光學(xué)系統(tǒng)不同可分為f-θ鏡聚焦式和動(dòng)態(tài)聚焦式之外，根據(jù)焊接工藝不同還可分為激光掃描拼焊和飛行激光焊（見(jiàn)圖3）。激光掃描拼焊是在二維平面焊接，大多用于連續(xù)焊，在可達(dá)的掃描范圍內(nèi)，通過(guò)計(jì)算機(jī)規(guī)律調(diào)整x軸、y軸振鏡的偏轉(zhuǎn)，改變激光光斑在焊接工件上的掃描軌跡，常見(jiàn)的掃描軌跡有直線“1”形、“8”字形、圓形、“∞”形等，如圖4所示[8]。掃描軌跡不同，焊縫形貌及對(duì)氣孔的抑制程度也有所差異。飛行激光焊在國(guó)外也稱作遠(yuǎn)程激光焊接（Remote la‐?? ser welding），多用于多點(diǎn)焊接，通過(guò)掃描光學(xué)系統(tǒng)和機(jī)械手共同移動(dòng)完成激光束的定位。遠(yuǎn)程激光焊接主要分為掃描振鏡集成系統(tǒng)和基于機(jī)器人的焊接系統(tǒng)兩類，如圖5所示。掃描振鏡集成系統(tǒng)是運(yùn)用兩軸或三軸掃描振鏡單元進(jìn)行快速定位和聚焦激光束;基于機(jī)器人的焊接系統(tǒng)工作距離較長(zhǎng)，是將六軸機(jī)器人與掃描光學(xué)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)合使用，動(dòng)態(tài)地將激光束定位到工件上[9]。機(jī)械臂有多個(gè)自由度可以靈活移動(dòng)，在工件上沿著平滑路徑移動(dòng)掃描光學(xué)系統(tǒng)，在幾分之一秒內(nèi)就能將聚焦點(diǎn)從一條焊點(diǎn)引導(dǎo)到另一條焊點(diǎn)。相比于機(jī)器人系統(tǒng)，振鏡掃描集成系統(tǒng)工藝精度更高，所要求的激光束質(zhì)量也較高[10]。

3? 常用合金的激光掃描焊接特性及研究現(xiàn)狀

3.1? 鋁合金的激光掃描焊接

鋁合金焊接時(shí)對(duì)激光功率吸收低，易產(chǎn)生氣孔和熱裂紋，導(dǎo)致焊接接頭力學(xué)性能下降。目前，應(yīng)用激光掃描焊接鋁合金在抑制接頭氣孔方面取得了重要突破[11-15]，在適當(dāng)?shù)墓に噮?shù)下氣孔率可限制在1%以內(nèi)，氣孔抑制程度與激光束掃描軌跡密切相關(guān)。上海光學(xué)精密機(jī)械研究所Wu[11]等人采用激光束環(huán)形掃描路徑焊接AA5182-O鋁合金，研究發(fā)現(xiàn)環(huán)形掃描方式較直線掃描方式的焊縫氣孔明顯減少，并提出來(lái)了一種結(jié)合熱傳導(dǎo)焊和深熔焊的模式來(lái)解釋氣孔的消除機(jī)理。哈爾濱焊接研究院鄒吉鵬[12]等人研究表明，圓形掃描軌跡能有效降低氣孔，當(dāng)掃描幅度大于1 mm，選取相應(yīng)幅度對(duì)應(yīng)的最高頻率時(shí)，能很好地抑制工藝型氣孔的產(chǎn)生。廈門理工學(xué)院楊蓉[13]采用不同的激光束掃描軌跡焊接6061鋁合金，發(fā)現(xiàn)無(wú)論哪種掃描軌跡都可以降低焊縫氣孔率，其中圓形掃描軌跡最優(yōu)，氣孔率僅為3%。湖南大學(xué)Chen[14]等人認(rèn)為采用“∞”形激光束掃描軌跡，鋁合金焊接熔池小孔穩(wěn)定性好、焊縫質(zhì)量高，孔隙率抑制在1%以內(nèi)，焊縫的抗拉強(qiáng)度可達(dá)母材的93%。華中科技大學(xué)王志明[15]等研究了圓形、無(wú)窮形以及線形路徑掃描激光對(duì)5A06鋁合金的組織、氣孔以及力學(xué)性能的影響，指出掃描振鏡激光焊接技術(shù)應(yīng)用于鋁合金材料中，能夠顯著減少焊接過(guò)程中出現(xiàn)的氣孔問(wèn)題。

其次，近幾年大量研究表明激光掃描焊接工藝在提高焊鋁合金焊縫表面質(zhì)量和改善焊縫組織上也有很大作用，這為獲得優(yōu)質(zhì)焊接接頭提供了一個(gè)更高效的焊接方法。優(yōu)化掃描焊接工藝可獲得細(xì)膩魚鱗狀焊縫形貌且能使焊縫中等軸晶比例大大增加，提高焊縫的強(qiáng)度和硬度。哈爾濱焊接研究院黃瑞生[16]研究表明，激光掃描焊接技術(shù)可以明顯抑制等離子體的生成，激光掃描焊接過(guò)程中熔池形狀穩(wěn)定保持圓狀，匙孔在其中沿逆時(shí)針?lè)较蚍€(wěn)定運(yùn)動(dòng)，其面積約為常規(guī)激光焊接中匙孔面積的2倍，隨著掃描幅度增大，焊縫表面由粗糙的魚鱗紋形狀變成細(xì)膩、連續(xù)的魚鱗紋狀，飛濺明顯減少。湖南大學(xué)毛帥[17]研究表明，掃描頻率和掃描幅度的增大會(huì)使激光線能量減少，焊接模式從小孔深熔焊向熱傳導(dǎo)焊發(fā)生轉(zhuǎn)變，焊縫熔寬先增大后減小，激光掃描焊接比常規(guī)焊接能夠獲得更好的焊縫表面質(zhì)量，焊縫表面的魚鱗紋更加致密均勻。華中科技大學(xué)Wang[15]等人通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，相比于常規(guī)激光焊接，激光束擺動(dòng)獲得的焊縫組織明顯細(xì)化且在熔合區(qū)表現(xiàn)出更高的顯微強(qiáng)度。華中科技大學(xué)項(xiàng)云忠[18]認(rèn)為激光束的掃描行為可以改善焊縫的溶質(zhì)偏析，有利于Cu元素的均勻分布。激光束的掃描行為對(duì)柱狀晶的生長(zhǎng)具有破壞作用，形成破碎枝晶，促進(jìn)焊縫的異質(zhì)形核，進(jìn)而促進(jìn)等軸晶的產(chǎn)生和晶粒細(xì)化。等軸晶的比例高達(dá)42.7%，晶粒直徑最小為21.2μm。

綜上，激光掃描焊接方法能夠有效改善鋁合金焊接中的缺陷，尤其是降低焊縫氣孔率。對(duì)于不同的鋁合金，有一個(gè)最合適的激光束掃描軌跡。目前研究均表明，掃描激光束對(duì)于熔池的作用機(jī)理主要是攪拌作用：在焊接過(guò)程中，振鏡的偏轉(zhuǎn)帶動(dòng)激光束的周期運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而攪拌焊接熔池，增加焊接熔池的凝固時(shí)間，使氣泡逸出得更充分。也有學(xué)者認(rèn)為掃描激光束會(huì)使熔池內(nèi)金屬液流動(dòng)穩(wěn)定有序[19]，使焊接熔池匙孔更加穩(wěn)定，這也為氣泡的逸出提供了更多時(shí)間。但對(duì)于焊接氣孔的消除機(jī)理并不只限于激光束的攪拌作用，應(yīng)也與熔池匙孔的受力狀態(tài)、大小形狀、復(fù)雜成形過(guò)程密切有關(guān)，但目前對(duì)此的研究較少，需要后續(xù)進(jìn)行大量研究來(lái)驗(yàn)證。

掃描幅度與掃描頻率也是影響焊縫成形的重要參數(shù)，二者均有一個(gè)最優(yōu)取值區(qū)間。掃描頻率和幅度主要影響焊縫深寬比，從而決定焊縫成形。但如果焊接功率與焊接速度均能使工件保持全熔透狀態(tài)，此時(shí)深寬比的變化值只決定于熔寬，深寬比的影響并不大。因此，本文認(rèn)為掃描頻率與掃描幅度對(duì)焊縫成形的作用機(jī)理主要還是體現(xiàn)在對(duì)液態(tài)金屬的流動(dòng)狀態(tài)及小孔成形上，基于此，激光掃描焊接鋁合金研究的一個(gè)重要突破點(diǎn)便是小孔的微觀結(jié)構(gòu)以及焊接過(guò)程的受力變化。

近幾年對(duì)鋁合金激光掃描焊接過(guò)程中熔池和小孔內(nèi)部受力狀態(tài)、溫度場(chǎng)分布的數(shù)值模擬研究也開始涌現(xiàn)[20-21]，這對(duì)了解焊接過(guò)程、制定合適工藝參數(shù)、獲得更優(yōu)焊縫、降低生產(chǎn)成本很有幫助，但目前對(duì)于焊接過(guò)程中物理機(jī)理的解釋明顯滯后于實(shí)際應(yīng)用，需后續(xù)試驗(yàn)來(lái)論述;此外，焊接過(guò)程中熱應(yīng)力變化和對(duì)工件變形控制以及焊前做好符合實(shí)際的焊接數(shù)值模擬等，仍是鋁合金激光掃描焊接的難點(diǎn)。

3.2? 鎂合金的激光掃描焊接

鎂及其合金具有熔、沸點(diǎn)低，表面張力低等特點(diǎn)，導(dǎo)致鎂合金焊接時(shí)飛濺、燒損嚴(yán)重且易出現(xiàn)咬邊、“駝峰”等缺陷[22]。激光掃描焊接的出現(xiàn)為鎂合金的焊接提供了一個(gè)新途徑。激光掃描焊接在改善鎂合金的焊接性、抑制焊接接頭缺陷方面起到重要作用，突破了以往焊接鎂合金易出現(xiàn)缺陷等問(wèn)題的限制。

如華中科技大學(xué)的王和康[23]等人開展了AZ31B鎂合金振蕩掃描激光焊接試驗(yàn)，認(rèn)為激光束掃描行為有利于增大匙孔開口，促使金屬蒸汽噴發(fā)，提高熔池穩(wěn)定性。振蕩掃描激光束周期性穿過(guò)熔池的行為驅(qū)動(dòng)熔流沿掃描方向流動(dòng)，促使熔池溫度梯度更均勻，改善了焊縫成形。武漢科技大學(xué)郝康達(dá)[24]等人采用圓形掃描軌跡掃描焊接AZ31鎂合金，低頻率、小半徑更有利于改善焊縫外觀，當(dāng)頻率高于75 Hz或半徑大于1.5 mm時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)底切缺陷，甚至焊縫完全坍塌。華中科技大學(xué)高明[25]等將圓形光束振蕩引入鎂合金的激光搭接焊接中，在適當(dāng)?shù)恼袷巺?shù)下，切口缺陷被消除，焊縫邊緣柱狀晶粒消失，促進(jìn)了熔池中等軸晶粒的形成。由于光束振蕩，元素均勻分布在搭接界面，且焊縫的機(jī)械性能與搭接界面的寬度密切相關(guān)，這有利于通過(guò)減少應(yīng)力集中來(lái)提高機(jī)械性能。呂慧敏[26]研究發(fā)現(xiàn)，擺動(dòng)焊接頭使激光束形成正弦軌跡，增加了激光束對(duì)熔池的攪拌及對(duì)流作用，使熔池內(nèi)部的氣泡上浮溢出，減少殘留在焊縫內(nèi)部的氣孔。擺動(dòng)幅度對(duì)氣孔沒(méi)有影響，但隨著擺動(dòng)幅度的增加，焊縫接頭抗拉強(qiáng)度先增加后減小。

本文認(rèn)為，擺動(dòng)的激光束擴(kuò)大了熔池面積并且延長(zhǎng)了熔池凝固時(shí)間，這都為凝固時(shí)熔融鎂合金的流動(dòng)提供了“便利”，在一定程度上抑制了快速凝固時(shí)的嚴(yán)重收縮，所以激光掃描焊接在改善鎂合金的焊接性、抑制焊接接頭缺陷方面起到重要作用。但目前研究的主要方向是尋找合適的工藝參數(shù)，以獲得高效且優(yōu)質(zhì)的接頭。下一步的工作需集中在優(yōu)化、控制、調(diào)節(jié)激光掃描焊接工藝參數(shù)操作窗口，并制定相關(guān)的工藝規(guī)范。此外，鎂合金焊接過(guò)程中中間相的形成也是研究的另一難點(diǎn)，中間相的成分與含量必然會(huì)引起接頭組織與性能的變化，如何控制是需著重突破的一點(diǎn)。不同鎂合金、鎂合金與其他金屬或復(fù)合材料的不同接頭形式焊接的研究也是激光掃描焊接鎂合金發(fā)展的趨勢(shì)。

3.3? 鈦合金的激光掃描焊接

鑒于激光掃描焊接方法在其他合金的焊接上已經(jīng)被證明可有效消除氣孔缺陷，一些學(xué)者對(duì)鈦合金的激光掃描焊接進(jìn)行了研究，在抑制鈦合金焊接接頭氣孔方面取得了重要突破。但目前國(guó)內(nèi)外采用激光掃描焊接鈦合金的研究較少，也僅局限于焊接工藝參數(shù)的影響。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)陳波等[27]對(duì)4 mm厚TC4鈦合金進(jìn)行激光掃描焊接，研究掃描幅度對(duì)焊縫成形的影響。結(jié)果表明，圓形掃描軌跡下，掃描幅度0.8 mm時(shí)，氣孔受顯著抑制，且對(duì)應(yīng)的接頭抗拉強(qiáng)度最高，為1025.03 MPa，這是因?yàn)閳A形掃描的加入使熔池流動(dòng)具有方向性，同時(shí)掃描的激光擴(kuò)大并穩(wěn)定匙孔，減少飛濺與氣孔。華中科技大學(xué)Wang[28]等人也研究了掃描焊接工藝參數(shù)對(duì)TC31鈦合金焊接接頭組織和性能的影響，結(jié)果表明，采用掃描焊接方法獲得了良好的焊接接頭，最佳參數(shù)為掃描幅度0.3 mm，掃描頻率200 Hz，且焊縫中存在大量馬氏體，抗拉強(qiáng)度接近于母材。

此外，目前一些專家學(xué)者開始利用激光掃描焊接方法將鈦合金連接到其他合金上并獲得高質(zhì)量的異質(zhì)焊接接頭，在提高焊接接頭強(qiáng)度上得出重要結(jié)論。如 Chen[29]對(duì)Ti6Al4V與6061鋁合金進(jìn)行了焊接，試驗(yàn)結(jié)果表明，合適的掃描頻率促使焊接接頭金屬間化合物均勻分布，接頭強(qiáng)度得到提高;長(zhǎng)春理工學(xué)院Wen[30]等人采用激光掃描焊接方法焊接鈦合金和鎂合金，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，激光束擺動(dòng)得到的焊接接頭強(qiáng)度比無(wú)擺動(dòng)的高，且隨掃描頻率的增加，焊接接頭抗拉強(qiáng)度先增大后減小。

鈦合金激光掃描焊接的一個(gè)重要難點(diǎn)是焊接過(guò)程中匙孔的不穩(wěn)定性，這在很大程度上影響焊縫成形。如何改善焊接中匙孔的成形完整性，相關(guān)研究并未發(fā)現(xiàn)。本研究認(rèn)為，匙孔的穩(wěn)定性取決于其受力狀態(tài)，而掃描焊接的激光束的運(yùn)動(dòng)對(duì)熔池有著外力作用，首先要控制激光束的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，控制參數(shù)主要包括掃描軌跡、掃描幅度、掃描頻率等，從而在隨焊接熱源移動(dòng)過(guò)程中，匙孔的受力狀態(tài)始終保持在能使匙孔不出現(xiàn)褶皺的范圍內(nèi)。在必要的條件下，可在焊接試驗(yàn)前通過(guò)數(shù)值模擬確定合適的焊接工藝參數(shù)范圍。其次，保護(hù)氣對(duì)熔池穩(wěn)定性也有一定的影響，在掃描焊接過(guò)程中，最好是能使焊接區(qū)域均勻受到保護(hù)氣體的作用，減少非必要因素的影響。此外，當(dāng)前激光掃描焊接鈦合金焊接接頭的腐蝕性、疲勞性能及斷裂韌性的研究很少，這也是未來(lái)發(fā)展的重要領(lǐng)域。

3.4? 純銅及銅合金的激光掃描焊接

由于銅的高導(dǎo)熱率和對(duì)激光的高反射率，導(dǎo)致焊接過(guò)程中易產(chǎn)生噴射、氣孔、焊接不穩(wěn)定等缺陷，且需要的焊接能量較大[31]。目前，在通過(guò)控制掃描工藝參數(shù)來(lái)抑制焊接缺陷方面取得了重要成果。

如深圳大族智能裝備公司的姜德富[32]等人研究表明，單獨(dú)激光焊時(shí)出現(xiàn)嚴(yán)重凹陷、冒孔缺陷，而激光擺動(dòng)焊接焊縫表面成形穩(wěn)定，無(wú)明顯缺陷。激光束擺動(dòng)幅度可以控制焊縫寬度，擺動(dòng)頻率可以控制掃描軌跡的重疊面積，如圖6所示。Masanori? Miyagi[33]等人研究表明，可以通過(guò)增大掃描頻率和掃描幅度來(lái)抑制由熔池噴射造成的焊縫表面空洞，掃描頻率大于200 Hz 或掃描直徑大于0.6 mm 時(shí)，焊縫表面空洞幾乎消失。Diana Franco[34]研究發(fā)現(xiàn)，激光束的擺動(dòng)有利于抑制焊縫表面的噴射、小孔等缺陷;其中激光束圓形軌跡掃描軌跡產(chǎn)生的噴射最少;在掃描幅度0.6～1 mm，掃描頻率100 Hz時(shí)可獲得表面無(wú)缺陷的焊縫，且掃描焊接得到的焊接接頭導(dǎo)電性并未改變。

此外，激光掃描焊接還可獲得熔深一致的銅合金焊縫和增大焊縫等軸晶比例。如A.Haeusler[35]等研究發(fā)現(xiàn)，與傳統(tǒng)激光焊相比，使用圓形掃描軌跡掃描焊接得到的焊縫寬度是其2倍，焊縫表面粗糙度從2.12 mm降到0.6 mm，通過(guò)調(diào)整掃描幅度和掃描頻率可以獲得焊接熔深一致性更好的焊縫。Di‐ ana Franco[36]等試驗(yàn)表明，銅合金焊縫熔合區(qū)伴有等軸晶的生成，兩側(cè)的組織并不對(duì)稱;在熔合區(qū)存在一段“圓形帶”非常規(guī)顯微組織特征，類似于激光束與材料相互作用的邊界的圓形狀，這主要是由于激光束連續(xù)掃描時(shí)焊接金屬凝固前沿產(chǎn)生的。

由于銅的低吸收率和高熱導(dǎo)率，所以掃描焊接銅時(shí)需要更高的激光功率，隨著最近激光技術(shù)的進(jìn)步，所需的高激光功率可得到解決，但也大大增加了成本。盡管在以前的研究中取得了一些成果，但焊接銅及其合金時(shí)低工藝穩(wěn)定性、飛濺和高孔隙率問(wèn)題仍然存在。目前，激光掃描焊接技術(shù)被認(rèn)為是改善銅合金焊接性最可行的焊接方法，但所需設(shè)備、高成本以及可能存在的夾雜物限制了該工藝的推廣。因此，仍需要更多的研究來(lái)了解銅合金掃描焊接機(jī)理并克服焊接性問(wèn)題。另一方面，當(dāng)前大多數(shù)研究集中于工藝參數(shù)，掃描焊接銅合金接頭微觀組織結(jié)構(gòu)和性能并未得到廣泛研究。銅與其他合金如鎂合金、鋁合金等的掃描激光焊接工藝仍需要進(jìn)一步發(fā)展。

3.5? 鋁-鋼異質(zhì)合金的激光掃描焊接

由于激光掃描焊接技術(shù)焊接速度快、熱影響區(qū)小等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，現(xiàn)已逐漸應(yīng)用于鋁鋼異質(zhì)合金的焊接中。目前國(guó)內(nèi)外主要針對(duì)掃描焊接工藝參數(shù)對(duì)異質(zhì)合金焊接接頭成形的影響等問(wèn)題進(jìn)行了研究。

如李軍兆[37]等人研究表明，擺動(dòng)激光焊接能夠抑制接頭處的氣孔、裂紋等缺陷并能夠抑制界面處元素?cái)U(kuò)散和化合物的生成，焊接接頭的最大抗剪強(qiáng)度可達(dá)到117.5 N/mm2，比常規(guī)焊接接頭提高了約45%。英國(guó)華威大學(xué)的Hiren R.Kotadia[38]等人也利用激光掃描焊接方法焊接1.5 mm厚鋁合金和590 DP鍍鋅板異質(zhì)合金。研究發(fā)現(xiàn)，掃描焊接工藝參數(shù)對(duì)于控制熔池幾何形狀和小孔、焊縫顯微組織、殘余應(yīng)力和接頭性能有著重要作用。德國(guó)Florian Al‐ bert[39]試驗(yàn)結(jié)果表明，不同的焊接位置對(duì)焊縫成形質(zhì)量影響較小，由于激光束的擺動(dòng)，鋁鋼板間的間隙可以達(dá)到60%上板的厚度，仍可獲得良好的橋接焊縫，這大大降低了對(duì)裝配精度的需求。德國(guó)Oli‐ verSeffer[40]等人試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)不同板厚比導(dǎo)致焊透深度和焊縫寬度不同，焊縫金屬中鋁與鐵的比例也隨單位長(zhǎng)度能量的增加而增加，且焊縫中金屬間相也增加，最大拉伸剪切應(yīng)力在2.5～3.5 kN。

鋁鋼的焊接成形過(guò)程相對(duì)復(fù)雜，仍有許多方面需要進(jìn)行試驗(yàn)研究。比如，如何制定焊接工藝參數(shù)控制焊接過(guò)程，使焊接模式為熱傳導(dǎo)焊并能夠滿足熔深、熔寬要求。在鋁鋼焊接時(shí)，若是為小孔深熔焊，焊接接頭的化學(xué)成分難以控制，必將對(duì)接頭的熱裂紋、氣孔的產(chǎn)生造成影響。再者，對(duì)于金屬間化合物的控制也是另一重點(diǎn)，化合物的形成過(guò)程極為復(fù)雜，不僅與熔池的化學(xué)成分相關(guān)，而且與合金中元素的擴(kuò)散有關(guān)，大多數(shù)情況下金屬間化合物的形成對(duì)焊接接頭會(huì)產(chǎn)生不利的影響，所以對(duì)熔池凝固的研究至關(guān)重要。關(guān)于掃描焊接鋁-鋼異質(zhì)合金的工藝參數(shù)優(yōu)化通常采用試驗(yàn)試錯(cuò)法，耗時(shí)且昂貴，所以未來(lái)研究會(huì)趨向于更新穎合適的建模工具集，用系統(tǒng)試驗(yàn)來(lái)解決。

4? 結(jié)論與展望

相比于常規(guī)激光焊接及其他焊接方法，激光掃描焊接具有更高的靈活性、更大的工作范圍、更高的工作效率和更短的焊接循環(huán)周期。許多研究已證實(shí)激光掃描焊接鋁合金能顯著降低鋁合金焊縫中的氣孔，鋁合金的激光掃描焊接越來(lái)越趨于研究焊接過(guò)程中小孔的內(nèi)部熔池流動(dòng)狀態(tài)及小孔壁的受力過(guò)程。激光掃描焊接能夠改善鎂合金的焊接性、獲得等軸晶組織。目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于激光掃描焊接鈦合金的研究較少，是激光掃描焊接今后發(fā)展的重要方向。激光掃描焊接純銅及銅合金過(guò)程中，掃描焊接工藝參數(shù)的選擇起決定性作用，掃描焊接純銅的焊接過(guò)程穩(wěn)定性顯著提高。激光掃描焊接鋁-鋼異質(zhì)合金的研究也趨向于控制焊縫化學(xué)成分，獲得不同厚度比下的優(yōu)質(zhì)焊縫。激光掃描焊接其他異質(zhì)合金，如鎂-鋁、鋁-銅、鎂-鈦、鈦-鋁合金等也會(huì)是未來(lái)激光掃描焊接的研究重點(diǎn)。

激光掃描焊接的未來(lái)面臨的挑戰(zhàn)以及發(fā)展趨勢(shì)主要有以下幾點(diǎn)：

（1）在掃描焊接鈦合金、鎂合金等氣體敏感性材料時(shí)，焊接過(guò)程中保護(hù)氣體的供應(yīng)是很重要的問(wèn)題。但是掃描激光頭在焊接過(guò)程中的掃描軌跡并不總是直線，經(jīng)常要從一條焊縫到另一個(gè)焊縫，定位時(shí)間極短，這就要求保護(hù)氣體輸送與掃描激光頭的運(yùn)動(dòng)一致，但實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中氣體噴嘴無(wú)法實(shí)現(xiàn)快速切換，采用大范圍的保護(hù)氣體覆蓋又會(huì)增加氣體消耗，成本較高。若能設(shè)計(jì)出一套多自由度、快速移動(dòng)、一個(gè)或多個(gè)噴嘴群的保護(hù)氣體裝置，并配備焊縫跟蹤設(shè)備，保護(hù)氣體便會(huì)跟隨焊接的整個(gè)過(guò)程，從而提高焊接質(zhì)量。

（2）焊接夾具。焊接過(guò)程中經(jīng)常伴有較大熱應(yīng)力的產(chǎn)生以及板間間隙的控制，這對(duì)焊接夾具提出了更高的要求。特別是目前復(fù)雜件的焊接越來(lái)越多，需要專門的焊接夾具用來(lái)避免不必要的外加應(yīng)力影響。靈活便捷的焊接夾具也是激光掃描焊接未來(lái)應(yīng)關(guān)注的領(lǐng)域。

（3）焊接過(guò)程中的熔池流動(dòng)及熱流狀態(tài)非常復(fù)雜，而二者對(duì)焊縫組織形成及形貌起著決定性作用，所以今后的研究要注重于焊接模擬以及受力狀態(tài)模型分析，這對(duì)理解掃描焊接的作用機(jī)制也有重要意義。

（4）焊接飛濺。目前也有很多研究專注于焊接飛濺的控制上。本研究認(rèn)為要想控制焊接飛濺的產(chǎn)生，獲得較為美觀的焊縫，先要做好焊接飛濺模型，確定飛濺規(guī)律，進(jìn)而優(yōu)化工藝參數(shù)，為飛濺實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)提供保障。

（5）相比常規(guī)激光焊接，激光掃描焊接工藝需要考慮更多的參數(shù)如掃描頻率、掃描幅度、掃描速度等，這些參數(shù)都不同程度地影響焊縫質(zhì)量。要想確定最優(yōu)參數(shù)，需要大量的試驗(yàn)，這大大增加了成本，而近幾年發(fā)展起來(lái)的機(jī)器學(xué)習(xí)可以應(yīng)用于激光掃描焊接，只需部分試驗(yàn)建立一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)算法構(gòu)建模型，預(yù)測(cè)出最優(yōu)焊接參數(shù)再進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，這將大大降低工作量，也是今后優(yōu)化工藝的發(fā)展趨勢(shì)。

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