激光釬焊研究現(xiàn)狀與展望

1序言自20世紀(jì)60年代第一臺(tái)激光器問世，從此開啟了激光應(yīng)用時(shí)代。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(shí)際的功率密度，激光焊可分為熱傳導(dǎo)焊和深熔焊兩種方式。熱傳導(dǎo)焊時(shí)，熔池表面封閉，而深熔焊時(shí)熔池則被激光束穿透成孔；同時(shí)，較之深熔焊，熱傳導(dǎo)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。此外，由于激光固有的能量集中特性，激光也被應(yīng)用于熔釬焊工藝，實(shí)現(xiàn)快熱快冷，精確控制熱輸入及加熱區(qū)域。激光熔焊質(zhì)量受到多種因素的影響，主要包括激光束直徑、焦點(diǎn)位置、激光功率、焊接起始點(diǎn)和終止點(diǎn)的激光功率、焊接速度、保護(hù)氣體等。而激光釬焊的優(yōu)點(diǎn)在于焊縫外形美觀，密封性好，以及安全性高；熱損傷小，熱影響區(qū)小；釬焊過程中無(wú)需頻繁更換焊槍和噴嘴，無(wú)飛濺，加工成本低，釬焊縫質(zhì)量高；能量密度大，焊接效率高，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。然而，激光釬焊的缺點(diǎn)是易出現(xiàn)夾雜、氣孔、裂紋；可能出現(xiàn)熔焊與釬焊共存的現(xiàn)象；激光設(shè)備昂貴，維修成本高，且對(duì)夾具精度要求高。因此，激光釬焊因其特有的優(yōu)點(diǎn)，近年來被廣泛應(yīng)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(dāng)前研究的熱點(diǎn)課題之一。2激光釬焊設(shè)備及方法研究2.1激光釬焊設(shè)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(yīng)釬焊和激光釬焊等。激光釬焊系統(tǒng)主要由激光器、激光鏡組、防護(hù)用的激光焊接房、傳導(dǎo)激光的光纖等部件構(gòu)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。由于在釬焊時(shí)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(qiáng)了密封性，如圖1所示。激光釬焊選用的設(shè)備：機(jī)械手主要有KUKA、FANUC、ABB、COMAU等品牌；激光器可選用IPG、通快Trudiode系列激光器、LaserlineLDF5000-6二極管激光器；激光鏡組是ScsnsonicALO1或ALO3系，送絲功能的實(shí)現(xiàn)一般采用福尼斯VR1500系列送絲機(jī)，相應(yīng)的熱絲電源為福尼斯TPS4000系列電源。

圖1GLK舉升門激光釬焊焊縫隨著激光釬焊系統(tǒng)的逐漸建立，激光釬焊的應(yīng)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(gòu)鋼的連接等。需要指出的是，大多數(shù)有色金屬對(duì)激光的反射率較高，材料的熱導(dǎo)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(shí)具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，激光硬釬焊對(duì)Ag、Cu、NiF、Au、Al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(xì)小，沉積層晶粒更細(xì)小、強(qiáng)度更高。對(duì)隧道鋼拱架材質(zhì)及焊接性進(jìn)行了分析，并以工字鋼鋼拱架為例進(jìn)行了硬釬焊工藝設(shè)計(jì)研究，以期為隧道支護(hù)安全設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。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(fù)合釬料，研究了脈沖激光作用下兩種釬料的潤(rùn)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(rùn)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(shí)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(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等特點(diǎn)。激光軟釬焊采用激光為熱源，對(duì)引線進(jìn)行輻射加熱，并采用焊膏傳熱給基板，在溫度達(dá)到釬焊的要求時(shí)，能使焊膏熔化，將基板與引線均勻潤(rùn)滑，出現(xiàn)焊點(diǎn)。釬料與被焊金屬之間依靠元素?cái)U(kuò)散，并可能形成金屬間化合物層，從而達(dá)到冶金連接作用。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(shù)特點(diǎn)，主要表現(xiàn)為非接觸式加熱，對(duì)待焊材料形狀尺寸無(wú)要求；局部精確加熱，熱影響區(qū)?。灰子趯?shí)現(xiàn)自動(dòng)化，可實(shí)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(fù)操作穩(wěn)定性好，釬劑對(duì)焊接工具污染?。患す馐子趯?shí)現(xiàn)分光，能實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)同時(shí)對(duì)稱焊；焊接參數(shù)精確可控；焊點(diǎn)小，可達(dá)0.1平方毫米甚至更小，而且焊點(diǎn)可靠。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(yàn)研究，具體探討了工藝參數(shù)（焊接結(jié)構(gòu)、熱臺(tái)溫度、激光功率、離焦量、焊接速度及助焊劑等）對(duì)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(rèn)為，激光軟釬焊技術(shù)有利于提高微電子元器件半導(dǎo)體組件批量制造技術(shù)和多芯片系統(tǒng)組裝的產(chǎn)品合格率，延長(zhǎng)產(chǎn)品使用壽命。利用Coffin-Manson方程，計(jì)算激光軟釬焊焊點(diǎn)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(diǎn)在熱循環(huán)作用下，最大應(yīng)力-應(yīng)變位于中間部位的焊點(diǎn)與金屬Pin相互接觸處，其疲勞壽命最低，為1146次。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(duì)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。激光功率對(duì)釬焊接頭的性能及微觀組織都有很大的影響，同時(shí)對(duì)外觀形貌也有一定的影響。當(dāng)激光功率過小時(shí)，焊絲熔速慢、鋪展性差、效率低；當(dāng)激光功率偏大時(shí)，焊絲熔速快，易導(dǎo)致送絲速度滯后而引起焊縫鋪展間斷現(xiàn)象。由于設(shè)備決定了激光額定功率，激光功率大小調(diào)節(jié)的重點(diǎn)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(duì)焊縫成形的影響，發(fā)現(xiàn)焊接功率為1800W時(shí)，液態(tài)金屬在鍍鋅鋼表面潤(rùn)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。a）1600W宏觀形貌b）1600W截面形貌c）1800W宏觀形貌d）1800W截面形貌e）2000W宏觀形貌f）2000W截面形貌圖3激光熔釬焊接頭成形情況（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(huì)導(dǎo)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(huì)造成熔化困難（激光功率不足時(shí)）或嚴(yán)重?zé)龘p母材（激光功率足夠時(shí)）的情況。采用YAG低功率脈沖激光對(duì)0.4mm純鈦薄片的微孔進(jìn)行封焊，研究光斑直徑對(duì)焊縫成形的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)當(dāng)光斑直徑≤0.4mm時(shí)，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(shì)。（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(huì)影響焊縫成形和焊件的力學(xué)性能。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(duì)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(huì)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(shè)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(hù)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(jī)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(shí)易導(dǎo)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(shí)際情況進(jìn)行微調(diào)。送絲速度影響著焊縫成形及相關(guān)力學(xué)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(huì)使焊縫表面下陷，填充量不足從而降低焊縫的焊接強(qiáng)度。采用不同的送絲速度對(duì)5056鋁合金和ST04Z熱鍍鋅鋼進(jìn)行激光填絲熔釬焊對(duì)接試驗(yàn)，并對(duì)熔釬焊接頭的微觀組織和力學(xué)性能進(jìn)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(qiáng)度呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)。a）20mm/sb）50mm/s圖4不同送絲速度的焊接接頭宏觀形貌3.2激光復(fù)合釬焊工藝采用激光-MIG電弧復(fù)合熱源實(shí)現(xiàn)了4mm和6mm厚的鋼/鋁異種金屬對(duì)接接頭深熔釬焊。發(fā)現(xiàn)激光-MIG復(fù)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(rùn)濕鋪展程度，有利于獲得良好的焊縫成形。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(qiáng)度隨著界面處的熱輸入量呈先增加后減小的趨勢(shì)，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(qiáng)度為55.2MPa。發(fā)現(xiàn)脈沖激光熱傳導(dǎo)焊接中的熱輸入量對(duì)焊縫形態(tài)和焊接質(zhì)量有直接的影響，當(dāng)熱輸入量較低時(shí)，焊縫邊界熱影響區(qū)較小、輪廓整齊、殘余應(yīng)力較低，并且沒有裂紋缺陷，同時(shí)焊接樣件的抗拉強(qiáng)度是環(huán)氧膠黏結(jié)樣件的3倍以上。4激光釬焊應(yīng)用技術(shù)激光釬焊技術(shù)具有縫隙潔凈、焊縫成形美觀的優(yōu)勢(shì)。激光釬焊廣泛應(yīng)用于汽車制造的各個(gè)環(huán)節(jié)，技術(shù)已趨成熟。由于激光焊接技術(shù)具有高效、高質(zhì)的優(yōu)點(diǎn)，美國(guó)知名汽車制造商最先將該技術(shù)應(yīng)用于汽車制造，保障了其行業(yè)內(nèi)的世界領(lǐng)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(dǎo)體激光器。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(guó)內(nèi)自主品牌也開始采購(gòu)激光釬焊設(shè)備，或正在進(jìn)行相關(guān)研究。結(jié)合軌道客車激光焊接的技術(shù)特點(diǎn)，圍繞不銹鋼車體的零件精密成形、部件精細(xì)組裝、無(wú)痕焊接工藝、智能質(zhì)量監(jiān)控及無(wú)損檢測(cè)方法等形成了一系列的核心技術(shù)、關(guān)鍵裝備和標(biāo)準(zhǔn)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(shù)問題，并對(duì)激光焊在軌道客車制造行業(yè)的應(yīng)用前景進(jìn)行預(yù)測(cè)和展望。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(shè)計(jì)優(yōu)化、沖壓模具工藝和結(jié)構(gòu)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。以設(shè)備應(yīng)用及焊接質(zhì)量?jī)?yōu)化等為重點(diǎn)，簡(jiǎn)述了激光釬焊及激光填絲熔焊在奔馳白車身上的應(yīng)用，開發(fā)了激光釬焊及填絲熔焊焊接系統(tǒng)，設(shè)計(jì)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。圖5光纖激光器激光釬焊在金剛石工具制造中也有很多應(yīng)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(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)釬焊工藝。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(jìn)行釬焊的方法，還能獲得磨削性能良好的加工工具。利用CO2連續(xù)型激光器進(jìn)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(dāng)激光功率為450W時(shí)，獲得直徑為7mm，厚度為90μm的釬焊金剛石復(fù)合層；摩擦試驗(yàn)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(hù)下進(jìn)行CO2激光釬焊試驗(yàn)，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(dāng)激光功率為450W、掃描速度為0.3m/min時(shí)，活性元素富集于金剛石與釬料的界面處，生成Cr3C2碳化物。分別采用兩種Ni-Cr釬料，并采用Nd：YAG脈沖型固體激光器進(jìn)行激光釬焊試驗(yàn)，通過優(yōu)化釬焊工藝均可實(shí)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(shí)現(xiàn)金剛石與鋁合金基體的光纖激光釬焊。5小結(jié)與展望作為一種伴隨激光技術(shù)發(fā)展起來的新型焊接技術(shù)，激光釬焊表現(xiàn)出明顯優(yōu)勢(shì)。國(guó)內(nèi)外研究者從焊接方法、焊接工藝及應(yīng)用技術(shù)等方面開展了相關(guān)的研究，取得了有益的成果，未來將可能從以下幾個(gè)方面進(jìn)行持續(xù)深入的研究。1）開展激光釬焊機(jī)理方面的研究，主要涉及激光釬焊熱量傳輸原理、溫度精準(zhǔn)控制、界面冶金行為、力學(xué)性能調(diào)控等方面的試驗(yàn)及數(shù)值模擬研究，為進(jìn)一步推廣激光釬焊技術(shù)奠定理論基礎(chǔ)。2）開展