激光复合焊接的探讨
时间：2023-02-04 22:00:04 来源：千叶帆 本文已影响人
于爱民
摘要：首先阐述了激光焊接的特点，指出了单热源激光焊接存在的缺点及其产生的原因。然后介绍了几种其他热源与激光进行复合焊接的方法，分析了这些复合焊接方法在保持激光焊接优点的基础上克服激光焊接缺陷的机理，最后指出这些复合焊接方法是激光焊接的一个发展趋势。
关键词：激光;复合焊接;焊接缺陷;
引言
激光焊接由于具有很多优点，在制造行业得到了越来越广泛的应用。人们为了更好地应用这一先进的焊接方法，对它进行了广泛而深入的研究，并且提出了用其他热源与激光进行复合焊接的工艺，以更好地发挥激光焊接的优点）。激光功率密度大，热作用区域很小’因而激光焊接具有很多优点。
1激光焊接的原理及特点
1.1激光焊接的原理
激光焊接可以采用连续或脉冲激光，其将高功率密度的激光束聚焦后照射两部分材料连接处，高强度的激光能量被材料表面吸收，表面材料被激光熔化，在激光离开之后冷却固化，从而实现材料的焊接。在激光与材料相互作用过程中，会出现光的反射、吸收、热传导及物质的传递。激光焊接从焊接机理上可分为激光热导焊和激光深熔焊。
当激光功率密度小于105W/cm2时为热传导焊接，此时激光辐射至材料表面的功率密度较低，光能量只能被材料表层吸收，未产生非线性效应或小孔效应。当照射到金属表面的激光功率密度大于106W/cm2时，金属表面温度可在极短时间内使加热区域的金属熔化及汽化，在极短时间内形成了一个直径不到1mm，内部充满金属蒸气和成分以保护气体和金属组成物为主的等离子体的细长气柱，即激光“小孔”。焊接时，激光小孔随工件一起移动，而焊接熔池内部熔化的金属绕过激光小孔后，冷却凝固形成焊缝。
1.2激光焊接的特点
激光焊接的优点体现在激光焊接能力与焊接质量方面。激光焊接中激光束能量密度高，光束集中可以在极小空间内对金属、非金属等多种材料甚至是在不同材料间进行大深度比、快速焊接，焊接材料的热影响区小，结合强度好，另外激光可以透过透明物质对密封空间内的材料进行焊接。激光焊接设备可以方便地进行参数调节，从而进行自动化加工，同一设备可以实现切割、焊接、表面处理等多种加工工艺，相对降低了成本。
但单独的激光焊接也存在缺点，如：焊接时产生的等离子体云对激光有吸收与反射作用;熔融气体来不及逸出易形成疏松或气孔;焊接区定位要求高，焊缝处存在凹陷等。为了消除单热源激光焊接存在的缺陷，将激光与其他热源进行复合，充分利用各自的优点，以提高焊接速度、改善焊接质量。
2激光与TIG焊接
20世纪80年代初，英国学者Steen首先提出激光与电弧复合焊接的概念，其研究发现电弧对激光束有能量增强作用。Tusek等人对激光与电弧焊进行了研究，指出该工艺使能量得到更高效的应用，在合适参数下，焊缝质量比单独激光焊接工艺好。
TIG焊是利用纯钨或活化钨作为不熔化电极的惰性气体保护电弧焊。激光-TIG复合焊接是激光与电弧两种热源共同作用于焊接区域，使母材温度升高并熔化，焊接时电弧稀释等离子体，从而降低等离子体对激光的吸收，使激光能量的利用率增大，同时激光能够稳定电弧，增加电弧的能量密度。激光-TIG复合焊接并不是两种热源的简单叠加，而是将作用于同一加工位置的物理性质、能量传输机制截然不同的激光与电弧两种热源复合在一起，既充分发挥了各自的优势，又弥补了双方的不足，从而形成一种全新高效的复合热源。相关研究表明，激光-TIG复合焊接具体的优点有：①电弧的加入降低了等离子云对激光的反射，加大了材料熔融深度，提高结合强度;②由于电弧加热区域较大，使得焊接熔池扩大和冷却速度降低，母材对接定位的精度要求降低，有利于减轻与消除气泡残留、裂纹和结构变形缺陷，如在复合焊接中加入填充料，可较好的弥补焊接凹陷;③由于两者能量叠加，则可以增大焊接速度提高效率，并可降低对激光器功率的要求。但该复合焊接工艺本身也存在一定的问题，如：高压、高频起弧引燃导致电弧不稳定、不连续，引起钨极的烧蚀;易对其他电子设备产生电磁干扰等。
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。在镁、铝合金等轻金属及异种合金的连接方面也有研究。如：Liu等人利用激光-TIG焊接对AZ31B镁合金和Q235钢进行搭接焊，并比较研究在搭接面放進一层Cu和Ni夹层时焊接头的显微结构及力学性能的不同。实验表明：复合热源的瞬时耦合现象，对焊接过程的稳定性及焊接结果有很大的影响;同时，工艺参数值的稍微变动，就会对焊接稳定性产生强烈的影响;TIG电流频率值应与激光脉冲重复频率在同一变动范围以保证焊接工艺稳定。
3结语
将激光与其他热源复合的技术在19世纪70年代就为人所知，但直到现在激光复合焊接技术才引起广泛关注。激光复合焊接可以消除激光和其他单热源焊接存在的缺陷，综合了单一工艺的优点。复合焊接方法提高激光利用率，增大焊接熔深，提高焊接速度，改善焊接质量，是今后激光焊接发展的一大趋势。本文详细阐述了各种激光复合焊接工艺方法及其研究进展，其中激光-TIG焊、激光-GMA焊、激光-等离子弧焊等激光电弧复合焊技术已广泛应用于汽车、船舶等制造业中，激光双光束焊、激光与感应热源复合焊、激光与搅拌摩擦复合焊、激光-电、磁场复合焊等新方法在一些应用场合体现了其独特的优势。可以预见，随着激光复合焊接方法与设备的不断成熟，激光复合焊接必将在机械制造业中发挥更大的作用。
参考文献
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