于愛民

摘要：首先闡述了激光焊接的特點，指出了單熱源激光焊接存在的缺點及其產(chǎn)生的原因。然后介紹了幾種其他熱源與激光進行復(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)點的基礎(chǔ)上克服激光焊接缺陷的機理，最后指出這些復(fù)合焊接方法是激光焊接的一個發(fā)展趨勢。

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，在制造行業(yè)得到了越來越廣泛的應(yīng)用。人們?yōu)榱烁玫貞?yīng)用這一先進的焊接方法，對它進行了廣泛而深入的研究，并且提出了用其他熱源與激光進行復(fù)合焊接的工藝，以更好地發(fā)揮激光焊接的優(yōu)點）。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。

1激光焊接的原理及特點

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，在激光離開之后冷卻固化，從而實現(xiàn)材料的焊接。在激光與材料相互作用過程中，會出現(xiàn)光的反射、吸收、熱傳導(dǎo)及物質(zhì)的傳遞。激光焊接從焊接機理上可分為激光熱導(dǎo)焊和激光深熔焊。

當激光功率密度小于105W/cm2時為熱傳導(dǎo)焊接，此時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)生非線性效應(yīng)或小孔效應(yīng)。當照射到金屬表面的激光功率密度大于106W/cm2時，金屬表面溫度可在極短時間內(nèi)使加熱區(qū)域的金屬熔化及汽化，在極短時間內(nèi)形成了一個直徑不到1mm，內(nèi)部充滿金屬蒸氣和成分以保護氣體和金屬組成物為主的等離子體的細長氣柱，即激光“小孔”。焊接時，激光小孔隨工件一起移動，而焊接熔池內(nèi)部熔化的金屬繞過激光小孔后，冷卻凝固形成焊縫。

1.2激光焊接的特點

激光焊接的優(yōu)點體現(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)對金屬、非金屬等多種材料甚至是在不同材料間進行大深度比、快速焊接，焊接材料的熱影響區(qū)小，結(jié)合強度好，另外激光可以透過透明物質(zhì)對密封空間內(nèi)的材料進行焊接。激光焊接設(shè)備可以方便地進行參數(shù)調(diào)節(jié)，從而進行自動化加工，同一設(shè)備可以實現(xiàn)切割、焊接、表面處理等多種加工工藝，相對降低了成本。

但單獨的激光焊接也存在缺點，如：焊接時產(chǎn)生的等離子體云對激光有吸收與反射作用;熔融氣體來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行復(fù)合，充分利用各自的優(yōu)點，以提高焊接速度、改善焊接質(zhì)量。

2激光與TIG焊接

20世紀80年代初，英國學(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)電弧對激光束有能量增強作用。Tusek等人對激光與電弧焊進行了研究，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，焊接時電弧稀釋等離子體，從而降低等離子體對激光的吸收，使激光能量的利用率增大，同時激光能夠穩(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，又彌補了雙方的不足，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)點有：①電弧的加入降低了等離子云對激光的反射，加大了材料熔融深度，提高結(jié)合強度;②由于電弧加熱區(qū)域較大，使得焊接熔池擴大和冷卻速度降低，母材對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AZ31B鎂合金和Q235鋼進行搭接焊，并比較研究在搭接面放進一層Cu和Ni夾層時焊接頭的顯微結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能的不同。實驗表明：復(fù)合熱源的瞬時耦合現(xiàn)象，對焊接過程的穩(wěn)定性及焊接結(jié)果有很大的影響;同時，工藝參數(shù)值的稍微變動，就會對焊接穩(wěn)定性產(chǎn)生強烈的影響;TIG電流頻率值應(yīng)與激光脈沖重復(fù)頻率在同一變動范圍以保證焊接工藝穩(wěn)定。

3結(jié)語

將激光與其他熱源復(fù)合的技術(shù)在19世紀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。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。本文詳細闡述了各種激光復(fù)合焊接工藝方法及其研究進展，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、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、磁場復(fù)合焊等新方法在一些應(yīng)用場合體現(xiàn)了其獨特的優(yōu)勢?？梢灶A(yù)見，隨著激光復(fù)合焊接方法與設(shè)備的不斷成熟，激光復(fù)合焊接必將在機械制造業(yè)中發(fā)揮更大的作用。

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