激光釬焊研究現(xiàn)狀與展望

劉大雙，趙紫強，魏萍，董智慧，梁云，趙前程

1.江蘇科技大學材料科學與工程學院 江蘇鎮(zhèn)江 212003

2.合肥工業(yè)大學材料科學與工程學院 安徽合肥 230009

3.馬鞍山鋼鐵股份有限公司技術中心 安徽馬鞍山 243000

1 序言

自20世紀60年代第一臺激光器問世，從此開啟了激光應用時代[1]。激光焊接是一種以激光束為熱源的高效焊接方法。根據(jù)作用在工件上實際的功率密度，激光焊可分為熱傳導焊和深熔焊兩種方式。熱傳導焊時，熔池表面封閉，而深熔焊時熔池則被激光束穿透成孔；同時，較之深熔焊，熱傳導焊在產(chǎn)生焊縫的過程中所受氣體的影響程度較小，但焊縫熔深更淺，速度更慢[2]。此外，由于激光固有的能量集中特性，激光也被應用于熔釬焊工藝，實現(xiàn)

基金項目：中國博士后科學基金面上項目（2016M601753）。

因此，激光釬焊因其特有的優(yōu)點，近年來被廣泛應用于板料（尤其是薄板）的精密成形，并在微間距元器件精密連接方面顯示出很大潛力，已成為當前研究的熱點課題之一[10，11]。

2 激光釬焊設備及方法研究

2.1 激光釬焊設備發(fā)展現(xiàn)狀

釬焊選用的熱源通常有火焰釬焊、爐中釬焊、感應釬焊和激光釬焊等[12-16]。激光釬焊系統(tǒng)主要由激光器、激光鏡組、防護用的激光焊接房、傳導激光的光纖等部件構成。首先，激光束通過激光發(fā)生器聚焦于焊絲端部，焊絲受熱熔化形成金屬熔體、浸流入待焊板件之間縫隙中，之后冷卻凝固，從而形成具有冶金結(jié)合的釬焊層[17]。由于在釬焊時釬料熔化，而母材不熔化，有利于獲得良好的焊縫表面成形，這既提升了產(chǎn)品美觀度，又增強了密封性，如圖1所示[18]。激光釬焊選用的設備：機械手主要有KUKA[19]、FANUC[20]、ABB[21]、COMAU[22]等品牌；激光器可選用IPG、通快Trudiode系列激光器、Laserline LDF5000-6二極管激光器；激光鏡組是Scsnsonic ALO1或ALO3系，送絲功能的實現(xiàn)一般采用福尼斯VR1500系列送絲機，相應的熱絲電源為福尼斯TPS4000系列電源。

圖1 GLK舉升門激光釬焊焊縫[18]

隨著激光釬焊系統(tǒng)的逐漸建立，激光釬焊的應用越來越廣。根據(jù)加熱溫度的不同，釬焊分為軟釬焊和硬釬焊。

2.2 激光硬釬焊研究

硬釬焊是指釬料液相線溫度高于450℃的釬焊工藝，主要用于鍍鋅鋼板和結(jié)構鋼的連接等。需要指出的是，大多數(shù)有色金屬對激光的反射率較高，材料的熱導率較高，因此激光熔化焊需要較高的功率。而激光硬釬焊用于有色金屬連接時具有獨特優(yōu)勢，激光硬釬焊對Ag[23]、Cu[24]、NiF[25]、Au、Al[26-28]等基體材料具有良好的效果，有效消除了裂紋的出現(xiàn)，且釬縫組織細小[29]，沉積層晶粒更細小、強度更高。

覃志明[30]對隧道鋼拱架材質(zhì)及焊接性進行了分析，并以工字鋼鋼拱架為例進行了硬釬焊工藝設計研究，以期為隧道支護安全設計提供參考依據(jù)。黃永貴等[31]通過向AgCu28共晶粉末中添加適量活性元素Ti、Zr，制備了AgCu28-4.5Ti 和AgCu28-4.5Ti-4Zr 兩種活性復合釬料，研究了脈沖激光作用下兩種釬料的潤濕性能。研究發(fā)現(xiàn)，由于活性元素Zr的添加，AgCu基釬料的潤濕角降低約10°，釬焊性能得以提升。

2.3 激光軟釬焊研究

軟釬焊所采用的釬料液相線溫度低于450℃，因此可實現(xiàn)在450℃以下的釬焊連接。激光軟釬焊具有非接觸式加熱、局部微區(qū)快速加熱、焊接參數(shù)精確可控、易于實現(xiàn)自動化等特點[32]。激光軟釬焊采用激光為熱源，對引線進行輻射加熱，并采用焊膏傳熱給基板，在溫度達到釬焊的要求時，能使焊膏熔化，將基板與引線均勻潤滑，出現(xiàn)焊點[33]。釬料與被焊金屬之間依靠元素擴散，并可能形成金屬間化合物層，從而達到冶金連接作用[34，35]。激光軟釬焊集成電路多采用YAG激光器，主要用于印刷電路板電子元器件的連接。

激光軟釬焊有很多技術特點，主要表現(xiàn)為非接觸式加熱，對待焊材料形狀尺寸無要求；局部精確加熱，熱影響區(qū)小；易于實現(xiàn)自動化，可實現(xiàn)常規(guī)方法不易施焊部位焊接及多工位連續(xù)焊接；重復操作穩(wěn)定性好，釬劑對焊接工具污染小；激光束易于實現(xiàn)分光，能實現(xiàn)多點同時對稱焊；焊接參數(shù)精確可控；焊點小，可達0.1mm2甚至更小，而且焊點可靠[36-39]。

夏海洋等[40]基于激光軟釬焊的片式微波組件氣密封裝工藝試驗研究，具體探討了工藝參數(shù)（焊接結(jié)構、熱臺溫度、激光功率、離焦量、焊接速度及助焊劑等）對焊縫成形的影響，分析了接頭微觀組織及密封組件的氣密性，如圖2所示。張偉[41]認為，激光軟釬焊技術有利于提高微電子元器件半導體組件批量制造技術和多芯片系統(tǒng)組裝的產(chǎn)品合格率，延長產(chǎn)品使用壽命。黃波等[42]利用Coffin-Manson方程，計算激光軟釬焊焊點在熱循環(huán)溫度作用下的熱疲勞壽命，發(fā)現(xiàn)電連接器激光軟釬焊焊點在熱循環(huán)作用下，最大應力-應變位于中間部位的焊點與金屬Pin相互接觸處，其疲勞壽命最低，為1146次。

通過在6上105-2工作面進行頂煤結(jié)構鉆孔探測、覆巖導水裂隙帶觀測、地表鉆孔深基點巖移及綜放支架實測工作阻力分析，得出了工作面初采階段綜放采場頂板結(jié)構模型，如圖1所示。

圖2 殼體與蓋板激光釬焊密封接頭上部橫截面掃描 電鏡照片[40]

3 激光釬焊工藝研究

3.1 激光釬焊工藝參數(shù)對釬焊質(zhì)量的影響

（1）激光功率 與激光熔焊相同，激光釬焊也使用CO2激光器或YAG激光器[43]。激光功率對釬焊接頭的性能及微觀組織都有很大的影響[44]，同時對外觀形貌也有一定的影響。當激光功率過小時，焊絲熔速慢、鋪展性差、效率低；當激光功率偏大時，焊絲熔速快，易導致送絲速度滯后而引起焊縫鋪展間斷現(xiàn)象。由于設備決定了激光額定功率，激光功率大小調(diào)節(jié)的重點在于焊接速度與送絲速度之間的匹配。許欣[45]以AZ31B鎂合金焊絲為填充材料，采用激光熔釬焊連接AZ31B鎂合金與Q235鍍鋅鋼，分析不同激光功率對焊縫成形的影響，發(fā)現(xiàn)焊接功率為1800W時，液態(tài)金屬在鍍鋅鋼表面潤濕鋪展良好，焊縫成形美觀（見圖3），形成典型的熔釬焊接頭，且接頭的拉剪力最高。

圖3 激光熔釬焊接頭成形情況[45]

（2）光斑直徑 激光釬焊通常采用散焦光斑，釬焊縫寬度需要合適的光斑大小，焊縫成形受到光斑大小的影響。一般說來，釬料的鋪展受到光斑直徑的影響較大，如果光斑直徑過小，則會導致母材受熱不足，鋪展的釬料冷卻過快致使鋪展受限；如果光斑直徑過大，則會造成熔化困難（激光功率不足時）或嚴重燒損母材（激光功率足夠時）的情況。黃永德等[46]采用YAG低功率脈沖激光對0.4mm純鈦薄片的微孔進行封焊，研究光斑直徑對焊縫成形的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)當光斑直徑≤0.4mm時，小孔能夠完全封接，封接區(qū)有效厚度隨著光斑直徑的增大呈先增大后減小的趨勢。

（3）釬焊速度 激光釬焊速度主要取決于激光功率。激光功率越大，釬焊速度越快，但是速度過慢或過快，均會影響焊縫成形和焊件的力學性能[47]。焊接速度決定著生產(chǎn)效率，通常焊接速度越快，生產(chǎn)效率越高，但對于過渡段焊縫或半徑較小的圓弧段焊縫，由于過快的焊接速度會產(chǎn)生離心力，從而阻礙熔融釬料的鋪展，破壞焊接過程穩(wěn)定性。在設定的焊接速度下，需要根據(jù)焊縫填充量來選擇與之相匹配的送絲速度。龍偉民等[48]使用鎳基填充合金（BNi2焊料）在氬氣保護條件下，通過光纖激光將金剛石顆粒釬焊于鋼基體，并研究了不同掃描速度下激光釬焊金剛石涂層的機理。

（4）送絲速度 送絲速度大小主要考慮釬縫填充和良好成形，送絲速度過快時易導致焊絲熔化不充分。送絲速度與焊接速度之間一般保持1∶1的比例匹配，并根據(jù)實際情況進行微調(diào)[49]。送絲速度影響著焊縫成形及相關力學性能，若送絲速度過快，則焊縫表面釬料易堆積，從而影響外觀質(zhì)量；若送絲速度過慢，則會使焊縫表面下陷，填充量不足從而降低焊縫的焊接強度。袁軍軍等[50]采用不同的送絲速度對5056鋁合金和ST04Z熱鍍鋅鋼進行激光填絲熔釬焊對接試驗，并對熔釬焊接頭的微觀組織和力學性能進行研究，發(fā)現(xiàn)隨著送絲速度的增加，接頭鋪展性不斷得以改善，接頭（見圖4）中間位置的微觀組織中金屬間化合物層的厚度先減小后增加，而接頭抗拉強度呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢。

圖4 不同送絲速度的焊接接頭宏觀形貌

3.2 激光復合釬焊工藝

劉云祺等[51]采用激光-MIG電弧復合熱源實現(xiàn)了4mm和6mm厚的鋼/鋁異種金屬對接接頭深熔釬焊。發(fā)現(xiàn)激光-MIG復合深熔釬焊接頭溫度分布相較于電弧、激光熔釬焊而言較為均勻，接頭下部的溫度得到明顯的提高，可有效增加液態(tài)金屬在鋼表面的潤濕鋪展程度，有利于獲得良好的焊縫成形。蔡鵬飛等[52]采用激光深熔釬焊的方法系統(tǒng)研究了Q235鋼板/5052鋁合金板的接頭特性。研究發(fā)現(xiàn)，接頭的抗拉強度隨著界面處的熱輸入量呈先增加后減小的趨勢，斷裂位置為金屬間化合物層內(nèi)部或其與母材的結(jié)合面處，脆性斷裂特征明顯，最高抗拉強度為55.2MPa。張國銳等[53]發(fā)現(xiàn)脈沖激光熱傳導焊接中的熱輸入量對焊縫形態(tài)和焊接質(zhì)量有直接的影響，當熱輸入量較低時，焊縫邊界熱影響區(qū)較小、輪廓整齊、殘余應力較低，并且沒有裂紋缺陷，同時焊接樣件的抗拉強度是環(huán)氧膠黏結(jié)樣件的3倍以上。

4 激光釬焊應用技術

激光釬焊技術具有縫隙潔凈、焊縫成形美觀的優(yōu)勢[54]。激光釬焊廣泛應用于汽車制造的各個環(huán)節(jié)，技術已趨成熟。由于激光焊接技術具有高效、高質(zhì)的優(yōu)點，美國知名汽車制造商克萊斯勒公司、福特公司、通用公司等最先將該技術應用于汽車制造，保障了其行業(yè)內(nèi)的世界領先地位。目前，通用汽車、神龍汽車主要使用光纖激光器（見圖5），而大眾汽車則使用半導體激光器[55]。汽車制造中可視的外圍接合件大量使用激光釬焊，如行李箱上下兩部分的連接、頂蓋與左右側(cè)圍的連接等，歐系、美系部分中高端車型，以及德系奧迪、大眾所有車型及頂蓋均采用激光釬焊，日系和國內(nèi)自主品牌也開始采購激光釬焊設備，或正在進行相關研究[56]。

圖5 光纖激光器

韓曉輝等[57]結(jié)合軌道客車激光焊接的技術特點，圍繞不銹鋼車體的零件精密成形、部件精細組裝、無痕焊接工藝、智能質(zhì)量監(jiān)控及無損檢測方法等形成了一系列的核心技術、關鍵裝備和標準規(guī)程，建立了不銹鋼軌道車輛激光焊接生產(chǎn)制造工藝體系，探討大規(guī)模激光焊接制造不銹鋼車輛的主要技術問題，并對激光焊在軌道客車制造行業(yè)的應用前景進行預測和展望。余魁等[58]研究白車身頂蓋與側(cè)圍激光釬焊裝配尺寸控制方法，提高頂蓋側(cè)圍激光釬焊焊縫裝配精度，降低激光焊缺陷率，發(fā)現(xiàn)頂蓋與側(cè)圍產(chǎn)品的設計優(yōu)化、沖壓模具工藝和結(jié)構的創(chuàng)新和優(yōu)化以及焊接工裝夾具的適配性，以確保車身頂蓋釬焊搭接部位的尺寸精度。張妍等[59]以設備應用及焊接質(zhì)量優(yōu)化等為重點，簡述了激光釬焊及激光填絲熔焊在奔馳白車身上的應用，開發(fā)了激光釬焊及填絲熔焊焊接系統(tǒng)，設計了一套基于焊接姿態(tài)、焊接參數(shù)以及焊接軌跡的調(diào)試方法。

激光釬焊在金剛石工具制造中也有很多應用。利用激光釬焊制備金剛石工具，根據(jù)釬料特性不同選擇合適的釬料，優(yōu)化焊接參數(shù)，獲得合適的激光能量輸入范圍，從而實現(xiàn)精準釬焊工藝[60]。激光釬焊便于控制金剛石磨粒熱損傷和基體熱變形。選用激光束進行釬焊的方法，還能獲得磨削性能良好的加工工具。HUANG等[61，62]利用CO2連續(xù)型激光器進行金剛石工具釬焊，將Cu基釬料與金剛石顆粒均勻混合后涂覆于鋼基體表面，當激光功率為450W時，獲得直徑為7mm，厚度為90μm的釬焊金剛石復合層；摩擦試驗顯示僅5%左右的金剛石磨粒脫落，表明了優(yōu)良的耐磨性。李嘉等[63]在氬氣保護下進行CO2激光釬焊試驗，采用釬料為Ni-Cr合金釬料，金剛石粒度為40/50目（0.27～0.38mm）。結(jié)果表明，當激光功率為450W、掃描速度為0.3m/min時，活性元素富集于金剛石與釬料的界面處，生成Cr3C2碳化物。郭佳杰等[64]分別采用兩種Ni-Cr釬料，并采用Nd：YAG脈沖型固體激光器進行激光釬焊試驗，通過優(yōu)化釬焊工藝均可實現(xiàn)金剛石與基體的冶金連接；此外，采用Ag-Cu-Ti釬料也可實現(xiàn)金剛石與鋁合金基體的光纖激光釬焊[65]。

5 小結(jié)與展望

作為一種伴隨激光技術發(fā)展起來的新型焊接技術，激光釬焊表現(xiàn)出明顯優(yōu)勢。國內(nèi)外研究者從焊接方法、焊接工藝及應用技術等方面開展了相關的研究，取得了有益的成果，未來將可能從以下幾個方面進行持續(xù)深入的研究。

1）開展激光釬焊機理方面的研究，主要涉及激光釬焊熱量傳輸原理、溫度精準控制、界面冶金行為、力學性能調(diào)控等方面的試驗及數(shù)值模擬研究，為進一步推廣激光釬焊技術奠定理論基礎。

2）開展激光釬焊方法的研究，特別是激光與其他能場復合釬焊，如激光和電弧、感應電磁、電流、超聲場等方面復合釬焊技術，進一步提升激光釬焊質(zhì)量，拓展激光釬焊技術應用范圍。

3）開展激光釬焊設備方面的研究。當前主要還是使用傳統(tǒng)的激光焊接設備，因此需要針對激光釬焊的特點，進一步開發(fā)激光釬焊專用裝備，逐步實現(xiàn)激光釬焊設備的高效化、自動化和智能化，為高端裝備制造及智能制造賦能。

4）開展激光釬焊材料方面的研究，重點研發(fā)與激光能量相匹配的專用釬料、釬劑，實現(xiàn)成分與熱源、工藝的協(xié)同作用，開發(fā)綠色無害釬焊材料，為激光釬焊技術的發(fā)展提供堅實的材料支撐。