激光焊接技術(shù)的應(yīng)用研究進(jìn)展與分析

劉浩東，戴京濤

海軍航空大學(xué)青島校區(qū)航空機(jī)械工程與指揮系，山東 青島 266041

0 前言

激光焊接是指利用高能量密度的激光束聚焦后照射材料的待連接處，使材料表面因吸收高強(qiáng)度的激光能量而熔化，然后通過(guò)在激光離開(kāi)后冷卻固化實(shí)現(xiàn)材料焊接的方法。其具有焊接性能優(yōu)越、焊接變形小、焊接質(zhì)量穩(wěn)定、焊接速度快、自動(dòng)化程度高及可實(shí)現(xiàn)難焊材料的焊接等優(yōu)點(diǎn)［1-2］。

激光焊接技術(shù)作為一種先進(jìn)的加工再制造手段，在現(xiàn)代航空航天、國(guó)防領(lǐng)域以及國(guó)家建設(shè)中扮演著越來(lái)越重要的角色［3-8］。對(duì)激光焊接技術(shù)進(jìn)行研究具有重要的理論價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。文中在大量研究國(guó)內(nèi)外激光焊接技術(shù)相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道的基礎(chǔ)上，對(duì)不同激光焊接的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了總結(jié)分析。

1 激光自熔焊接工藝

激光自熔焊接工藝是激光焊接的基礎(chǔ)工藝，其以高能量密度的激光束作為熱源，作用于待焊材料并引發(fā)其產(chǎn)生固液相變從而實(shí)現(xiàn)待焊材料的原位連接，被焊材料在焊接過(guò)程中因高溫汽化而在基體表面產(chǎn)生的氣流波，對(duì)接頭有清潔作用。激光自熔焊接屬于非接觸焊，具有抗電磁干擾、無(wú)污染的優(yōu)點(diǎn)［9］。但由于激光自熔焊的光斑直徑小，焊接熱循環(huán)過(guò)程中的升溫速度和冷卻速度都極快，因此，對(duì)焊接過(guò)程中熔池溫度場(chǎng)、流場(chǎng)以及溫度場(chǎng)對(duì)材料的影響等方面的研究難度較大。同時(shí)，激光自熔焊接還存在焊接間隙適應(yīng)性差以及對(duì)焊縫的成分和組織控制困難等問(wèn)題［10］，因而行業(yè)內(nèi)以激光自熔焊為基礎(chǔ)研究開(kāi)發(fā)了多種新型焊接工藝。

2 激光復(fù)合焊接工藝

激光復(fù)合焊接工藝又稱(chēng)為激光增強(qiáng)焊接技術(shù)，是指將激光焊接與其他焊接方法相結(jié)合形成的新型焊接工藝，其優(yōu)點(diǎn)是能夠充分發(fā)揮相應(yīng)焊接方法的優(yōu)勢(shì)并避免各自的不足。

激光復(fù)合焊接技術(shù)中應(yīng)用最為廣泛的是激光電弧復(fù)合焊接技術(shù)，英國(guó)學(xué)者Steen［11］在20世紀(jì)70年代末最先提出該技術(shù)，并指出電弧對(duì)激光焊接具有能量增益的作用。Tusek等［12］對(duì)激光-電弧復(fù)合焊的研究表明，在合適參數(shù)下，該工藝能夠得到比激光焊接工藝更加優(yōu)異的焊縫質(zhì)量。Birdeanu等［13］將脈沖Nd：YAG激光與脈沖TIG電弧進(jìn)行復(fù)合后焊接3.0 mm厚度的奧氏體不銹鋼，并分析了工藝特點(diǎn)和TIG參數(shù)對(duì)該工藝穩(wěn)定性的影響。

激光-GMAW（熔化極氣體保護(hù)焊）復(fù)合焊接工藝包括激光-MIG（熔化極惰性氣體保護(hù)焊）復(fù)合焊和激光-MAG（熔化極活性氣體保護(hù)焊）復(fù)合焊，其原理與激光電弧復(fù)合焊基本相同，區(qū)別僅是保護(hù)氣體不同。與激光電弧復(fù)合焊相比，激光-GMAW復(fù)合焊接可焊更厚的板材，并且焊接的適應(yīng)性和電弧的方向性也更好［14］。Sathiya等［15］利用CO2激光-GMAW復(fù)合焊接工藝焊接5 mm厚AISI904L不銹鋼，研究了不同保護(hù)氣對(duì)焊縫質(zhì)量的作用規(guī)律。C.Roepke等［16］對(duì)激光-GMAW復(fù)合焊接的激光和電弧功率以及激光電弧的距離對(duì)DH36低合金鋼的接頭微觀組織的影響進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)在未改變接頭微觀組織形態(tài)的條件下，擴(kuò)大激光-電弧的距離有利于增加鐵素體的比例進(jìn)而改善接頭的力學(xué)性能。Zhao等［17］研究了光纖激光-GMAW復(fù)合焊接過(guò)程中易出現(xiàn)氣孔缺陷的問(wèn)題，結(jié)果表明，在熔池中通入適量的氧氣可以抑制氣孔缺陷的形成。

英國(guó)學(xué)者Walduck等［18］在20世紀(jì)90年代最先提出激光-等離子弧復(fù)合焊接技術(shù)。等離子弧焊的實(shí)質(zhì)為具有壓縮效應(yīng)的鎢極氣體保護(hù)焊，其焊接穩(wěn)定性和電弧能量均高于普通電弧，并且引弧電流較低，易于引燃，另外，其電極位于焊炬噴嘴中，可有效防止金屬蒸氣、熔池濺射以及其他污染物侵蝕電極［19］。近些年，Emmelmann 等［20］通過(guò) 2～4 mm 厚Q235B鋼板激光-等離子弧復(fù)合焊接實(shí)驗(yàn)研究了不同焊接工藝參數(shù)的作用規(guī)律，發(fā)現(xiàn)該焊接工藝對(duì)焊接參數(shù)的變化非常敏感，工藝參數(shù)的輕微變化都會(huì)對(duì)焊接質(zhì)量產(chǎn)生較大影響。Kim等［21］通過(guò)開(kāi)展CO2激光-微等離子弧復(fù)合搭接焊鍍鋅板的研究，初步解決了濺射、接頭淺層小坑及內(nèi)部氣孔等問(wèn)題，并且其弧輸入能量較激光-TIG復(fù)合焊降低約40%。

激光-攪拌摩擦復(fù)合焊接工藝是在攪拌頭前部施加激光來(lái)預(yù)熱工件，從而減小裝夾力和推動(dòng)力，并降低磨損和提高焊接速度［22-23］，可焊接熔點(diǎn)較高的材料。Able等［24］利用激光-攪拌摩擦復(fù)合焊接工藝對(duì)鋁合金進(jìn)行焊接，發(fā)現(xiàn)激光預(yù)熱可降低夾具的夾緊力和扭矩，并提高焊接效率和減少攪拌頭磨損。Merklein等［25］研究了1 mm厚DC04鋼與AA6016鋁合金激光-攪拌摩擦復(fù)合焊，得到了相似結(jié)論，并且鋼鋁結(jié)合界面處未觀察到金屬化合物相。

3 激光-場(chǎng)耦合焊接工藝

激光-感應(yīng)加熱耦合焊接不僅可以減緩焊縫冷卻速度，抑制裂紋的出現(xiàn)，而且能夠提高材料對(duì)激光的吸收率，從而增加焊接熔深［26］。Pinto等［27］利用激光-感應(yīng)加熱耦合焊接工藝對(duì)Q690E高強(qiáng)鋼進(jìn)行對(duì)接焊，解決了普通激光焊接存在的接頭硬度過(guò)高的問(wèn)題，有效地降低了熔合區(qū)硬度，但隨著板材厚度的增加，硬度降低效率減弱。Chiang等［28］利用激光-感應(yīng)加熱耦合焊接工藝焊接3.6 mm厚IN-738鎳基高溫合金，發(fā)現(xiàn)通過(guò)粉末填充可以抑制焊縫疏松以及未焊滿等缺陷，并且更易于得到無(wú)裂紋焊縫。

激光-電磁場(chǎng)耦合焊接是通過(guò)外加電磁場(chǎng)抑制激光等離子體的屏蔽效應(yīng)并改善熔池的流場(chǎng)，從而增大焊接效率，提高焊接穩(wěn)定性，改善焊接質(zhì)量，該方法具有廣闊的應(yīng)用前景［29-30］。Bachmann等［31］對(duì)激光-電磁場(chǎng)耦合焊接工藝對(duì)熔池流場(chǎng)的影響進(jìn)行了模擬，結(jié)果表明，外加磁場(chǎng)對(duì)熔池流場(chǎng)具有顯著影響，并利用實(shí)驗(yàn)對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。Schneider等［32］通過(guò)開(kāi)展6 mm厚AlMg3板激光-電磁場(chǎng)復(fù)合焊接實(shí)驗(yàn)，分析了激光照射點(diǎn)在磁極間的位置對(duì)焊接質(zhì)量的影響，結(jié)果表明，在最優(yōu)工藝參數(shù)下，氣孔數(shù)量下降80%，表面粗糙度下降50%。Bachmann等［33］模擬分析了穩(wěn)態(tài)磁場(chǎng)對(duì)熔池邊界的熱毛細(xì)對(duì)流和自然對(duì)流等的影響，結(jié)果表明，當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度為80 mT和135 mT時(shí)，磁場(chǎng)可以抑制熔池的重力下垂現(xiàn)象。

激光-振動(dòng)場(chǎng)耦合焊接是基于振動(dòng)時(shí)效發(fā)展起來(lái)的焊接工藝，可歸類(lèi)為振動(dòng)焊接［34］。該工藝的基本原理為利用振動(dòng)場(chǎng)破壞熔池表面的等離子屏蔽，從而增大對(duì)激光的吸收率，達(dá)到用較小的功率焊接材料的目的［35］。陳軒等［35］進(jìn)行了激光-振動(dòng)場(chǎng)耦合焊接工業(yè)純鐵的實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明，施加高頻振動(dòng)可增加焊接熔深，并細(xì)化焊縫晶粒。何曉峰等［36］開(kāi)展了激光-振動(dòng)場(chǎng)耦合焊接不銹鋼的實(shí)驗(yàn)，研究了焊接速度和振動(dòng)頻率對(duì)接頭宏觀形貌、微觀組織及顯微硬度的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)枝晶的數(shù)量和大小均得到抑制，等軸晶的數(shù)量增加，晶粒尺寸減小而顯微硬度增大。彭必榮等［37］開(kāi)展了激光-振動(dòng)場(chǎng)耦合焊接316不銹鋼實(shí)驗(yàn)，研究了不同振動(dòng)頻率和焊接速度下的接頭組織，結(jié)果表明，柱狀晶得到細(xì)化，并且焊后奧氏體的晶界處產(chǎn)生的網(wǎng)狀高溫鐵素體和點(diǎn)狀碳化物明顯減少。

激光-超聲場(chǎng)耦合焊接工藝是在普通振動(dòng)場(chǎng)（低頻和高頻）與激光耦合的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)得來(lái)的一種新工藝，由于激光焊接熔池的存在時(shí)間極短（約2 ms），一般的機(jī)械振動(dòng)頻率遠(yuǎn)小于激光熔池的存在時(shí)間，因此對(duì)激光焊接熔池的凝固行為的影響具有相當(dāng)?shù)木窒扌?，而超聲?chǎng)的振動(dòng)頻率在20 kHz以上，對(duì)激光焊接熔池凝固行為的影響更為有效。劉浩東等［5，38］開(kāi)展了超聲場(chǎng)輔助激光焊接TC4鈦合金工藝的研究，結(jié)果表明，焊縫組織的晶粒度較普通激光焊接細(xì)化約15.8%，焊件的殘余變形降低約50%，并且接頭的組織形態(tài)更加均勻。

4 激光填絲焊接工藝

針對(duì)激光自熔焊存在的焊接裝配間隙適應(yīng)性差、焊縫無(wú)余高以及無(wú)法控制焊縫合金成分等問(wèn)題，國(guó)外學(xué)者開(kāi)發(fā)了激光填絲焊工藝，并取得了大量研究成果。

Dilthey等［39-40］研究了激光填絲焊技術(shù)對(duì)裝配間隙的適應(yīng)性，分析了填絲量與裝配間隙之間的關(guān)系及其對(duì)熔池冶金的作用。Coste等［41］利用處于較低擺動(dòng)頻率的激光束為熱源，根據(jù)預(yù)先檢測(cè)的間隙量，通過(guò)實(shí)時(shí)改變送絲量形成了無(wú)凹陷焊縫形貌。Salminen等［42］開(kāi)展了對(duì)接間隙 1 mm、厚度 6 mm St52/37板材的激光填絲焊實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)焊接速度、送絲速度以及激光功率等對(duì)焊接質(zhì)量的敏感性較無(wú)間隙填絲焊均顯著降低。Ohashi等［43］采用可提供寬熱源分布的組合熱源，提高了焊接裝配的最大間隙。Alexandre等［44］采用激光填絲焊開(kāi)展了6016鋁合金與鍍鋅板的異種金屬焊接試驗(yàn)，并利用“Tagu‐chi”法獲得了鋼鋁異種金屬激光填絲焊的最優(yōu)工藝參數(shù)。Tommi等［45-46］使用額定功率為 3 kW 的 Nd：YAG激光器，通過(guò)在窄間隙坡口進(jìn)行多道激光填絲焊實(shí)現(xiàn)了20 mm厚奧氏體不銹鋼的焊接。

當(dāng)未對(duì)焊絲進(jìn)行加熱時(shí)，激光的部分能量將作用在焊絲上，導(dǎo)致焊接速度降低，故引入激光熱絲焊工藝。該工藝減少了焊絲對(duì)激光能量的消耗，使焊接速度得到顯著提高。Mathieu等［47］分別開(kāi)展了鋼鋁激光熱絲焊接和冷絲焊接實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，增大熱絲電流可提高送絲速度，并且填充熱絲的焊接試件的抗拉強(qiáng)度大于普通激光填絲焊。Yamamoto等［48］開(kāi)展了1 mm厚高強(qiáng)鋼板的大間隙（1 mm）激光熱絲大間隙焊接試驗(yàn)，分析了送絲角度和落點(diǎn)以及焊絲的加熱電流等參數(shù)的作用效果，結(jié)果表明，電流存在最佳變化范圍，最佳的送絲落點(diǎn)位置為距熔池后緣3 mm處，送絲與光束的最佳角度為70°。李俐群等［49］開(kāi)展了厚板高強(qiáng)鋼激光熱絲焊接的研究，解決了普通激光填絲焊易出現(xiàn)的焊縫側(cè)壁與焊層間存在熔合不良的缺點(diǎn)。溫鵬等［50］進(jìn)行了10 mm厚不銹鋼的窄間隙激光熱絲焊的研究，結(jié)果表明，焊絲的加熱電流對(duì)焊接穩(wěn)定性和焊接效率均有較大的影響。

5 激光填粉焊接工藝

由于激光填絲焊工藝對(duì)送絲機(jī)構(gòu)的精度和穩(wěn)定性要求高［51］，并且容易發(fā)生粘絲和頂絲等問(wèn)題，同時(shí)其涉及的工藝參數(shù)較多，操作較復(fù)雜，故而大批量的應(yīng)用受到諸多限制。為規(guī)避上述缺點(diǎn)，激光填粉焊工藝應(yīng)運(yùn)而生，相關(guān)研究表明［52-53］，激光填粉焊具有焊接柔性高、粉末分布規(guī)律、覆蓋范圍大且落點(diǎn)和合金成分便于控制等優(yōu)點(diǎn)。

Shannon等［54］研究表明，同軸填粉焊接的裝配間隙能夠達(dá)到試件厚度的20%。Oztoprak等［55］研究了利用填充司太立合金粉對(duì)銅進(jìn)行激光焊接，粉末在試件上部1.5 mm處熔化并過(guò)渡至試件表面而形成熔池，解決了銅的高反射帶來(lái)的焊接問(wèn)題，但焊縫的邊緣位置稍有不規(guī)則。Pelletier等［56］研究了利用填充奧氏體不銹鋼粉末對(duì)銅板進(jìn)行激光焊接，結(jié)果表明，接頭的硬度介于不銹鋼與冷軋銅板之間。徐磊等［57］開(kāi)展了鍍鋅鋼激光填粉焊接實(shí)驗(yàn)研究，通過(guò)提高送粉速度有效地改善了焊縫塌陷，但缺點(diǎn)是接頭表面存在未熔顆粒與部分孔洞。鄒宇峰等［58］通過(guò)激光填鎂粉末實(shí)驗(yàn)緩解了普通激光焊接5052鋁合金時(shí)存在的鎂元素?zé)龘p的問(wèn)題，使焊縫強(qiáng)度提高約36%。楊武雄等［53］進(jìn)行了高強(qiáng)鋁合金激光填粉焊接的實(shí)驗(yàn)研究，減少了焊縫的氣孔和熱裂紋等缺陷，并使接頭的拉伸強(qiáng)度提高了約15%。張盛海等［59］開(kāi)展了2219鋁合金激光填粉焊接的實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明，粉末的添加使激光的功率閾值下降50%，并且焊縫的成形、飽滿度及余高等均有所改善，另外，焊接過(guò)程中的等離子體相較普通激光焊接更為穩(wěn)定。王濤等［60］對(duì)激光填充硅粉焊接異種金屬低碳鋼與鋁合金進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明，硅粉可以改善熔池的流動(dòng)性，使熔融金屬更易于鋪展在結(jié)合界面，并且可以抑制金屬間化合物（Fe-Al）的生成。

6 激光雙光束焊接工藝

激光雙光束焊接工藝于20世紀(jì)80年代被提出，其系統(tǒng)是由互成一定角度的兩束激光合成，或由一束激光經(jīng)分光器分為兩束平行的激光。該工藝的研發(fā)是為提高焊接穩(wěn)定性及對(duì)焊接裝配間隙的適應(yīng)性，從而達(dá)到提高焊接質(zhì)量的目的。

Glumann等［61］研究了光束間距和兩激光束功率比對(duì)焊縫的深度和寬度的影響，結(jié)果表明，在束間距分別為1 mm、10 mm、20 mm時(shí)，焊縫的寬度和深度改變非常微小。Narikiyo［62］利用互成特定角度的兩束Nd：YAG激光開(kāi)展了304不銹鋼的焊接實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)兩激光束均會(huì)產(chǎn)生各自的匙孔，并且當(dāng)激光束總能量或兩光束間的夾角達(dá)到特定值時(shí)，熔池底部會(huì)出現(xiàn)兩匙孔分離的現(xiàn)象。Chen等［63］開(kāi)展了脈沖Nd：YAG激光與連續(xù)半導(dǎo)體激光復(fù)合焊接0.05 mm厚AA5052-H19鋁合金的實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明，激光雙光束焊接工藝可獲得更大的熔深、更優(yōu)的焊接質(zhì)量以及高于母材約2倍的硬度。Iqbal等［64］基于激光雙光束焊接工藝研究了一種新的焊接方法，可解決鍍鋅板搭接焊中熔池中易出現(xiàn)鋅蒸氣殘留的問(wèn)題，并認(rèn)為該焊接方法在汽車(chē)工業(yè)中具有良好的應(yīng)用前景。

由于雙光束激光焊接在國(guó)內(nèi)的研究起步較晚，目前還處于實(shí)驗(yàn)室階段，工程中的應(yīng)用和相關(guān)報(bào)道均較少。張澐龍等［65］對(duì)不同入射角工藝下的2099/2060鋁鋰合金T型接頭焊接試驗(yàn)進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，降低激光功率和提高焊接速度能夠有效地控制氣孔缺陷。歐陽(yáng)自鵬等［66］研究了雙光束雙側(cè)同步激光焊接鋁合金T型接頭的穩(wěn)定性，結(jié)果表明，蒸汽的反沖壓力和重力以及表面張力的附加壓力是維持焊接小孔穩(wěn)定的主要作用力。

7 結(jié)論

文中綜述了激光自熔焊、激光復(fù)合焊、激光-場(chǎng)耦合焊、激光填絲焊、激光填粉焊、激光雙光束焊等焊接技術(shù)的原理，分析了各焊接過(guò)程的機(jī)理及相關(guān)影響因素，并著重介紹了各焊接技術(shù)的研究現(xiàn)狀。需要特別說(shuō)明的是，除了上文綜述的一系列激光焊接技術(shù)外，還有諸多其他焊接技術(shù)，比如激光雙光束填絲焊技術(shù)、激光電弧復(fù)合雙面焊技術(shù)、負(fù)壓激光焊接技術(shù)、活性劑激光焊接技術(shù)、熱壓激光焊接技術(shù)等，同時(shí)，隨著時(shí)代的進(jìn)步和技術(shù)的發(fā)展，新型的激光焊技術(shù)亦層出不窮，不同激光焊接技術(shù)具有不同的應(yīng)用特點(diǎn)和領(lǐng)域，相關(guān)從業(yè)人員可根據(jù)特定的施工對(duì)象對(duì)焊材和焊接質(zhì)量的要求，綜合考量后進(jìn)行選擇使用。