激光釬焊質(zhì)量影響因素分析綜述

激光釬焊質(zhì)量影響因素分析綜述郭峰，王彤彤，張波（中國瑞林工程技術(shù)股份有限公司，江西南昌330038）隨著制造業(yè)的不斷發(fā)展，越來越多的新技術(shù)被引入到焊接領(lǐng)域中，激光釬焊就是其中之一。與傳統(tǒng)點(diǎn)焊相比，激光釬焊是一種高效、可靠、用途廣泛的連接工藝。近年來，激光釬焊技術(shù)連接鋁合金時(shí)的高效、優(yōu)質(zhì)受到了研究人員的廣泛關(guān)注。相較傳統(tǒng)的點(diǎn)焊工藝，激光釬焊在保證強(qiáng)度的同時(shí)，還具有如下優(yōu)勢：1）激光釬焊焊接光束能量密度高、熱影響區(qū)域小、焊接速度快、變形小、噪聲?。?）能精確調(diào)節(jié)和控制熱輸入值，且熱輸入值低，鍍鋅層燒損少，可減小焊件的變形；3）焊縫成形美觀、質(zhì)量穩(wěn)定，焊后僅需簡單處理甚至無需處理。由于釬焊過程復(fù)雜。影響因素眾多，為了保證產(chǎn)品的高質(zhì)量有效輸出，有必要對(duì)影響焊接質(zhì)量的因素進(jìn)行分析，以便在日常生產(chǎn)過程中做到及時(shí)響應(yīng)。1激光釬焊原理釬焊的原理是采用熔點(diǎn)比母材低的釬料，利用高于釬料熔點(diǎn)、低于母材熔點(diǎn)的加熱溫度，使釬料熔化，而母材不熔化；利用液態(tài)釬料潤濕母材，在釬縫間隙毛細(xì)作用下，使液態(tài)釬料自動(dòng)填充到母材間隙中去，與母材相互擴(kuò)散形成連接激光釬焊是釬焊技術(shù)的一種。它是以激光為熱源加熱釬料熔化，其主要特點(diǎn)是利用激光的高能量密度實(shí)現(xiàn)局部或微小區(qū)域快速加熱以完成釬焊［3-4］。根據(jù)加熱溫度的不同，激光釬焊分為軟釬焊和硬釬焊技術(shù)。激光液相線溫度低于4501的，稱為軟釬焊；釬焊液相線溫度高于450C而低于母材金屬熔點(diǎn)的，為硬釬焊［5］。軟釬焊主要用于印制電路板電子元器件的焊接，硬釬焊則在有色金屬的連接方面具有較大的優(yōu)勢。實(shí)踐證明，采用激光硬釬焊銀、銅、鍥、金和鋁等具有良好的效果,其焊縫金屬組織晶粒更細(xì)、硬度更高。由于釬焊加熱時(shí)溫度較低，故對(duì)激光功率密度的要求也較低，一般采用散焦的方式進(jìn)行加熱。這樣做既可以降低功率密度，又可以根據(jù)釬縫尺寸靈活調(diào)節(jié)光斑大小和形狀［6-7］。釬焊接頭通常采用卷對(duì)接和搭接兩種方式。卷對(duì)接方式是指釬焊絲從激光前端送入有利于焊接過程穩(wěn)定；搭接方式是指釬焊絲從側(cè)下方水平送入，有利于焊接過程穩(wěn)定［8-9］。2質(zhì)量影響因素分析近年來，隨著激光焊接設(shè)備成本逐漸降低，在制造業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域激光焊接技術(shù)得到廣泛的應(yīng)用，成為焊接領(lǐng)域的新發(fā)展方向激光釬焊具有外成形美觀、焊接效率高、焊縫均勻、焊接強(qiáng)度高等一系列優(yōu)點(diǎn)。但與其他焊接方法相比，激光釬焊對(duì)各參數(shù)要求較高。各參數(shù)偏差對(duì)激光釬焊質(zhì)量影響比較顯著［12］,比如常見的激光釬焊質(zhì)量缺陷有焊縫偏移、焊縫氣孔、焊縫漏焊等。根據(jù)釬焊原理分析，影響激光釬焊的質(zhì)量因素主要分激光、送絲機(jī)、釬料3個(gè)方面。2.1激光參數(shù)的影響激光參數(shù)的不同會(huì)對(duì)激光釬焊質(zhì)量產(chǎn)生不同的影響。影響激光釬焊質(zhì)量的主要激光參數(shù)包括激光類型、激光功率、激光掃描速度、激光束傾角等方面［13-14］。2.1.1激光類型激光器的種類有很多，不同種類的激光器產(chǎn)生的激光能量型式不一樣。激光的能量型式一般分為高斯型和平頂型：高斯型發(fā)出的能量不均勻，往往過于集中，導(dǎo)致加工過程材料受熱不均勻；平頂型使加工過程中材料受熱相對(duì)更均勻。2.1.2激光功率激光功率為焊縫提供能量，因此是影響釬焊質(zhì)量的關(guān)鍵因素。若激光功率過小，焊接能量輸入不足，釬焊溫度較低，會(huì)使釬料的流動(dòng)性不好，焊縫金屬潤濕鋪展效果較差，不能充分填縫形成有效連接。即使降低焊接速度以保證其線能量，但釬縫的散熱時(shí)間也會(huì)隨之相應(yīng)增加，釬焊溫度仍然較低，焊縫成形依舊會(huì)較差。若激光功率過高，則光斑的功率密度較高，容易使釬料過熱造成焊絲金屬燒損，即使提高釬焊速度，由于激光加熱速度很快，釬料的局部溫度仍然偏高，釬料也會(huì)有向外噴射的跡象［15T6］。尹燕等［17］利用小功率光纖激光器對(duì)鋁制空調(diào)換熱器進(jìn)行激光釬焊試驗(yàn)研究，分析了激光功率對(duì)釬焊接頭性能及微觀組織的影響。結(jié)果表明：釬焊接頭成形良好，焊縫熔合線長度合格；液態(tài)釬料的潤濕鋪展性能隨著激光功率增加而顯著改善；接頭通過基本耐壓性能試驗(yàn)及氣密性檢驗(yàn)的比率均隨這激光功率的增大而增加。另，釬焊接頭焊縫主要由Q（A1）固溶體及針狀或樹枝狀共晶Si組成，界面區(qū)為單相Q(A1)固溶體。隨著激光功率的增大，焊縫晶粒略有長大。SteffenWachsmuth等［18］研究了不同激光功率調(diào)整對(duì)接頭性能的影響。該研究通過目視表面檢查、顯微截面分析、準(zhǔn)靜態(tài)拉伸強(qiáng)度試驗(yàn)和動(dòng)態(tài)彎曲試驗(yàn)對(duì)接頭進(jìn)行檢查,還研究了鋅涂層類型對(duì)電鍍鋅(EG)和鋅鋁鎂(ZM)涂層鋼的影響。研究表明，在相對(duì)較高的激光功率下，使用EG涂層制造的接頭優(yōu)于使用ZM制造的接頭，因?yàn)樵趧?dòng)態(tài)測試期間，使用EG的接頭比使用ZM的接頭能多承受94%的負(fù)載循環(huán)。WeiminLong等［19］首次研究了激光功率對(duì)激光釬焊金剛石涂層形成機(jī)理的影響，并對(duì)其界面組織進(jìn)行了研究。采用BNi-2合金釬料作為釬焊材料，利用光纖激光器在65Mn鋼基體上制備釬焊金剛石涂層。激光光斑以3m/s的穩(wěn)態(tài)速度掃描，隨著激光功率的增加，BNi-2合金釬料層逐漸熔化并充分鋪展，直至達(dá)到LIkW的激光功率。但激光功率的進(jìn)一步增加導(dǎo)致金剛石磨粒表面強(qiáng)烈的石墨化和熱損傷。當(dāng)激光功率增加到1.3kW時(shí)，金剛石發(fā)生斷裂。顯微組織研究表明，在金剛石與BNi-2合金基體的界面處形成了CrC和BC碳化物。2.1.3激光掃描速度WeiminLong等［20］在穩(wěn)態(tài)功率下對(duì)激光光斑進(jìn)行掃描，考察了激光掃描速度對(duì)形成機(jī)理的影響。其采用尺寸為5mmX5mm的方形激光光斑，以預(yù)置的BNi-2合金釬料為釬焊材料，在65Mn鋼基體上制備釬焊金剛石涂層。在較小的激光掃描速度(1mm/s和2mm/s)下,焊料充分熔化形成了小的液球，且由于加熱溫度高、流動(dòng)性好，可以快速流入左液熔池。隨著激光掃描速度的增加（3mni/s）,未完全熔化的焊料由于焊料區(qū)域熔化不平衡程度較大，使涂層翻轉(zhuǎn)到液態(tài)熔球。初始液態(tài)熔球不斷聚集長大，最后與熔池接觸并融合在其中。但當(dāng)掃描速度達(dá)到4mm/s時(shí)，由于激光光斑照射時(shí)間的縮短，焊點(diǎn)無法完全熔化。該研究結(jié)果表明不同激光掃描速度確實(shí)對(duì)焊接質(zhì)量有影響。1.4激光束傾角激光束傾角是指焊絲與焊接方向形成的平面內(nèi)激光與工件的夾角。減小拖曳角或者激光束傾角，對(duì)焊縫質(zhì)量提升有利［21］。MohammcidpourMasoud等［22］采用實(shí)驗(yàn)和數(shù)值方法研究了激光束傾斜角度對(duì)鍍鋅鋼飛濺發(fā)生和激光釬焊質(zhì)量的影響。高速錄像顯示，飛濺主要發(fā)生在潤濕線和熔池前沿，主要由逸出的鋅蒸氣與熔體材料發(fā)生相互作用導(dǎo)致。該研究應(yīng)用開發(fā)的熱流體模擬模型，在考慮激光一材料相互作用、潤濕動(dòng)力學(xué)、材料熔化和凝固機(jī)理的基礎(chǔ)上，研究了給定光束角時(shí)，釬焊過程中鋅蒸發(fā)前沿和潤濕前沿位置的溫度分布。研究發(fā)現(xiàn)，負(fù)移動(dòng)角有助于將鋅蒸發(fā)前沿移動(dòng)到潤濕前沿之前，從而減少鋅蒸氣和熔池之間的相互作用。2.2送絲過程的影響送絲過程主要的影響因素包括送絲速度、熱絲電流等。2.2.1送絲速度激光釬焊焊接速度與送絲速度及激光頭移動(dòng)速度密切相關(guān)。焊縫的焊絲填充量由所要求的焊縫面積和板件搭接焊縫長度決定，焊絲單位時(shí)間的填充量由焊絲的截面積和送絲速度確定。這些參數(shù)值必須與激光頭的移動(dòng)速度協(xié)調(diào)一致才能保證焊絲的填充量達(dá)到最佳效果。因此，焊接速度與送絲速度的匹配程度，直接影響著焊縫的填充量，進(jìn)而影響接頭強(qiáng)度。一般情況下，給定適當(dāng)?shù)募す夤β剩附z直徑選擇1.6mm時(shí)，焊接速度/送絲速度在60%?120%范圍內(nèi)，比例越小，釬料填充量越大。釬料填充量過大，焊縫就會(huì)出現(xiàn)凸起、波浪等現(xiàn)象；釬料填充量過少，則會(huì)出現(xiàn)焊縫塌陷、焊縫寬度小、接頭強(qiáng)度下降等問題。D.Narsimhcichary等探究了送絲速度對(duì)鋁/鍍鋅鋼激光釬焊接頭力學(xué)微觀組織特征的影響。該研究采用直徑為2mm的實(shí)心AlSil2(AA4047)焊絲對(duì)2mm厚鍍鋅鋼板與5083鋁合金進(jìn)行激光釬焊連接。在激光功率(3.5kW)、掃描速度(2.5m/min)和光斑尺寸(1.7mm)一定的情況下，用不同的送絲速度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并在SEM下對(duì)腐蝕樣品的微觀結(jié)構(gòu)觀察。結(jié)果表明，在釬焊區(qū)有鑄態(tài)組織，并且在鍍鋅鋼上有雙層(平面和針狀結(jié)構(gòu))界面，在鋁側(cè)觀察到HAZ；接頭強(qiáng)度隨著送絲速度的增加而增加，并最終記錄界面失效。低應(yīng)變幅下，激光釬焊接頭的疲勞壽命隨送絲速度的增加而延長，且與鋁基材料(AA5083)值相近。2.2.2熱絲電流為了促進(jìn)焊絲融化，需使用電流對(duì)焊絲預(yù)熱。通過熱絲，可以提升焊縫的質(zhì)量和焊接效率［23-24］。如果在激光釬焊加工過程中出現(xiàn)飛濺物，那就說明加熱電流已經(jīng)到了最高上限。如果焊縫表面越來越粗糙，說明加熱電流在下限范圍。熱絲電流通常取在50?160A之間。沈義［25］研究了不同熱絲電流下的焊縫成型規(guī)律。實(shí)驗(yàn)表明，無論是否通熱絲電流，在穩(wěn)定的參數(shù)下，都可以有穩(wěn)定的焊縫成型。無熱絲電流，焊縫整體流動(dòng)性較差，被激光熔化的焊絲整體鋪展在母材的表面，表現(xiàn)出較寬的熔寬。隨著熱絲電流的增加，熔化的焊縫金屬流動(dòng)性增加，逐漸流動(dòng)到更底層的母材，表現(xiàn)出焊縫熔寬變窄，焊縫出現(xiàn)上表面下凹的弧線型。隨著熱絲電流的進(jìn)一步增加，焊接過程中的飛濺明顯增大，焊縫與母材搭接處出現(xiàn)鍍鋅層被燒損而發(fā)黑的黑邊，而且焊縫下凹程序增加。理想的焊接參數(shù)，需要在控制飛濺量的同時(shí)，表面無明顯下凹，合適的電流范圍為80?120A。2.3釬料的影響釬料對(duì)激光釬焊質(zhì)量的影響主要是由焊材類型、釬料直徑導(dǎo)致。為了保證良好的浸潤性及對(duì)激光的吸收率，填絲一般選用CuSi3,熔化溫度范圍為910—1025℃,Cu質(zhì)量分?jǐn)?shù)不低于94%,Si質(zhì)量分?jǐn)?shù)不超過4%。焊絲直徑可選擇1.0mm、1.2mm和1.6mm。為了保證填絲速度，常見選用1.6mm。選擇合適的焊材類型、釬料直徑跟焊接質(zhì)量有密切的關(guān)系［26］。Dharmendra等［27］將鋅、鋁質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為85%和15%的Zn-Al焊絲作為研究對(duì)象，使用連續(xù)脈沖NdYAG激光器對(duì)DP600鍍鋅鋼和AA6016鋁合金搭接接頭進(jìn)行熔釬焊。試驗(yàn)中通過改變激光功率、送絲速度、焊接速度，驗(yàn)證機(jī)械阻力對(duì)金屬問化合物厚度所產(chǎn)生的影響。機(jī)械阻力隨金屬間化合層均正向增加時(shí),金屬間化合物厚度小于8um；而機(jī)械阻力減小時(shí)，其厚度則大于12um。這是由于，化合物層較薄時(shí)，會(huì)產(chǎn)生裂紋沿脆性金屬間化合物層，從而影響斷裂強(qiáng)度；相反，當(dāng)化合物層比較厚時(shí)，較其他區(qū)域而言其脆性較大，導(dǎo)致機(jī)械抗力很低。Laukant等［28］以ZnA12釬料對(duì)鋁/鋼激光熔釬焊作為研究對(duì)象，實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生了大約5uni的FeAl金屬間化合物層，接頭剪切力達(dá)9kNoRajashekharaShabadi等［29］以鋅鋁合金釬料作為研究對(duì)象，進(jìn)行了激光熔釬焊試驗(yàn)。在釬料ZnA130上展開了相應(yīng)研究，試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生的金屬間化合物主要為Fe2A15Znx,同時(shí)伴隨有ZnFeA13,其厚度在10um左右。Sierra等［30］采用4047（AlT2Si）釬料作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，探索了鋁/鋼激光熔釬焊連接，實(shí)現(xiàn)了無明顯宏觀缺陷的連續(xù)接頭，并產(chǎn)生薄的Fe-A「Si金屬間化合物層。在探索硅元素對(duì)鐵鋁合金金屬間化合物生長的影響中，以AlT2Si釬料作為對(duì)象來展開實(shí)驗(yàn)。還有學(xué)者探究了不使用釬料來進(jìn)行焊接，例如Peyre等［31］采用激光熔釬焊的方法探索了在不使用釬料的情況下連接鍍鋅鋼和鋁合金；并從表面方面、界面微觀結(jié)構(gòu)和拉伸試驗(yàn)下的機(jī)械阻力等方面對(duì)非鍍鋅和鍍鋅DC04鋼的接頭性能進(jìn)行了研究；同時(shí)還進(jìn)行了熱和擴(kuò)散有限元模擬，以計(jì)算界面處的溫度歷史和反應(yīng)層厚度。研究發(fā)現(xiàn)沿界面形成的2?20um厚的反應(yīng)層主要由具有高硬度（1200HV）和較低延展性（存在凝固裂紋）的Fe2A15金屬間化合物組成。盡管由于鋅的蒸發(fā)在熔池中形成了閉塞孔，但鋼上存在10um厚的鋅層對(duì)接頭的潤濕特性產(chǎn)生了有益的影響。因此得出結(jié)論：激光誘導(dǎo)潤濕技術(shù)是一種在沒有填充材料的情況下生成鋁鋼接頭的相當(dāng)有效的方法，并且應(yīng)將其視為與固體組裝模式相比具有競爭力的技術(shù)。3結(jié)論焊接在汽車、制造業(yè)、航天業(yè)、國防軍事等行業(yè)扮演者愈加重要的角色。在這些行業(yè)中，對(duì)焊接接頭的機(jī)械性能和可靠性標(biāo)準(zhǔn)很高，這就使焊接質(zhì)量優(yōu)良、高效激光釬焊顯得更加重要。由于釬焊過程的復(fù)雜性，激光釬焊的