激光復合焊接的探討

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生的原因。然后介紹了幾種其他熱源與激光進行復合焊接的方法，分析了這些復合焊接方法在保持激光焊接優點的基礎上克服激光焊接缺陷的機理，最后指出這些復合焊接方法是激光焊接的一個發展趨勢。

關鍵詞：激光;復合焊接;焊接缺陷;

引言

激光焊接由于具有很多優點，在制造行業得到了越來越廣泛的應用。人們為了更好地應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合焊接的工藝，以更好地發揮激光焊接的優點）。激光功率密度大，熱作用區域很小’因而激光焊接具有很多優點。

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，從而實現材料的焊接。在激光與材料相互作用過程中，會出現光的反射、吸收、熱傳導及物質的傳遞。激光焊接從焊接機理上可分為激光熱導焊和激光深熔焊。

當激光功率密度小于105W/cm2時為熱傳導焊接，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，未產生非線性效應或小孔效應。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使加熱區域的金屬熔化及汽化，在極短時間內形成了一個直徑不到1mm，內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

激光焊接的優點體現在激光焊接能力與焊接質量方面。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小，結合強度好，另外激光可以透過透明物質對密封空間內的材料進行焊接。激光焊接設備可以方便地進行參數調節，從而進行自動化加工，同一設備可以實現切割、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合，充分利用各自的優點，以提高焊接速度、改善焊接質量。

2激光與TIG焊接

20世紀80年代初，英國學者Steen首先提出激光與電弧復合焊接的概念，其研究發現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用，在合適參數下，焊縫質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復合焊接是激光與電弧兩種熱源共同作用于焊接區域，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，同時激光能夠穩定電弧，增加電弧的能量密度。激光-TIG復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、能量傳輸機制截然不同的激光與電弧兩種熱源復合在一起，既充分發揮了各自的優勢，又彌補了雙方的不足，從而形成一種全新高效的復合熱源。相關研究表明，激光-TIG復合焊接具體的優點有：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，提高結合強度;②由于電弧加熱區域較大，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、裂紋和結構變形缺陷，如在復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、高頻起弧引燃導致電弧不穩定、不連續，引起鎢極的燒蝕;易對其他電子設備產生電磁干擾等。

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構及力學性能的不同。實驗表明：復合熱源的瞬時耦合現象，對焊接過程的穩定性及焊接結果有很大的影響;同時，工藝參數值的稍微變動，就會對焊接穩定性產生強烈的影響;TIG電流頻率值應與激光脈沖重復頻率在同一變動范圍以保證焊接工藝穩定。

3結語

將激光與其他熱源復合的技術在19世紀70年代就為人所知，但直到現在激光復合焊接技術才引起廣泛關注。激光復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點。復合焊接方法提高激光利用率，增大焊接熔深，提高焊接速度，改善焊接質量，是今后激光焊接發展的一大趨勢。本文詳細闡述了各種激光復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合焊技術已廣泛應用于汽車、船舶等制造業中，激光雙光束焊、激光與感應熱源復合焊、激光與攪拌摩擦復合焊、激光-電、磁場復合焊等新方法在一些應用場合體現了其獨特的優勢。可以預見，隨著激光復合焊接方法與設備的不斷成熟，激光復合焊接必將在機械制造業中發揮更大的作用。

參考文獻

[1]侯志敏，楊磊，王淑君，等.焊接技術與設備[M].陜西：西安交通大學出版社，2011.

[2]劉繼長，李力鈞.激光復合焊接的探討[J].焊接技術，2002，31（4）：6-8.

[3]魏敬丹，張天宇，張景超，等.鋁合金激光拼焊應力場數值模擬[J].熱加工工藝，2013，42（15）：173-175.

[4]王宏，史耀武，鞏水利.激光深熔焊熔池動力學特性研究[J].航空制造技術，2005，12：63-66.

[5]鄭喜軍.激光焊接技術綜述[J].河南科技，2013，（7）：38-40.