上海工程技術(shù)大學(xué)的研究人員發(fā)表了關(guān)于激光脈沖形狀對合金焊接時的顯微組織和熱裂紋影響的綜述，主要依據(jù)激光脈沖的特征，總結(jié)了脈沖激光在合金焊接方面的應(yīng)用。通過討論裂紋的敏感性的標準，對脈沖激光焊接時解決焊接裂紋的問題進行了分析，同時對脈沖激光焊接的未來發(fā)展趨勢和裂紋的判斷標準也進行了介紹。
簡介：
在采用激光進行焊接的時候存在兩種類型，即連續(xù)激光焊和脈沖激光焊接。這兩類激光焊接均具有自己獨特的特征。同連續(xù)激光焊接相比較，脈沖激光焊接的熱輸入在控制的時候要低一些，并且廣泛的應(yīng)用于連接薄板材料。由于脈沖形狀可以進行調(diào)制編輯以實現(xiàn)預(yù)熱和對每一焊道進行較慢的冷卻，脈沖激光曾經(jīng)用來抑制焊接鋁合金時的熱裂紋和其他缺陷，在鎂合金和其他材料中也有類似研究。本文主要介紹了脈沖激光的焊接應(yīng)用。主要的焊接問題和預(yù)防措施均進行了總結(jié)。通過討論提出的指數(shù)來預(yù)測凝固裂紋的敏感性，形成熱裂紋和熱裂紋的生長均進行了較為綜合的介紹。最后，對脈沖激光焊接的未來趨勢也進行了介紹。
背景介紹
高效率和高精密的焊接特征，使得激光焊接的應(yīng)用越來越廣泛和普遍。在連續(xù)激光焊接時，焊接參數(shù)主要包括激光功率，焊接速度，光束直徑以及離焦量等。然而，脈沖能量，脈沖寬度（脈沖持續(xù)時間）以及脈沖頻率等也被認為是脈沖激光焊接中的關(guān)鍵參數(shù)。脈沖激光焊接可以通過調(diào)節(jié)幾個同步的變量來實現(xiàn)控制熱輸入，這使得激光對材料的加工變得更加柔性。在脈沖激光焊接時的材料的相互作用同時也是區(qū)別于連續(xù)激光焊接的。此外，每一脈沖的簡單求和的效應(yīng)，這些結(jié)果會導(dǎo)致他們之間相互影響。搭接效應(yīng)應(yīng)該被考慮，當定義有效的峰值功率密度的時候。脈沖激光同時在復(fù)合焊接中也具有許多應(yīng)用，如脈沖-連續(xù)波的雙光束激光焊接技術(shù)，脈沖激光-電弧焊接技術(shù)等。
▲圖1.（a）在27ms的焊接時間進行計算得到的焊接熔池的形貌；（b）計算得到的長度，焊接熔池的寬度（頂部）和深度（底部）和匙孔
對脈沖激光焊接，焊接的材料如鋁合金，高溫合金，不銹鋼，鎂合金以及異種金屬材料均可以實現(xiàn)焊接。由于脈沖激光激光可以滿足精密的熱輸入，從而該技術(shù)在焊接薄板方面具有非常大的優(yōu)勢。結(jié)合鋁合金的低密度和高強度，鋁合金在航空航天和運輸行業(yè)的制造中具有廣泛的應(yīng)用，異種材料焊接鋁合金和銅合金的應(yīng)用場合也很多。激光焊接的主要缺陷不僅包括 氣孔，元素的蒸發(fā)和裂紋，同時還包括它們之間的相互影響。對激光焊接，Huang等人提出了氣孔形成的兩個影響因素：氣泡的形成是由于氣孔的不穩(wěn)定性和在凝固過程中氣泡的受限制。氣孔可以通過預(yù)熱來加以限制。元素的蒸發(fā)和擴散對焊接工藝具有十分重要的影響。在脈沖激光焊接的時候，Ti，B，Zr等可以減少Al-Zn-Mg合金的凝固裂紋的敏感性。Kim和Nam則研究了過渡元素Mn和Zr對焊接高強7000系列Al-Zn-Mg合金的裂紋敏感性，而Cu和Cr則會增加裂紋的敏感性。Holzer等人測量了焊接處的元素濃度，并計算出凝固區(qū)的元素濃度。他們的研究證明能量在每單位長度上焊接AA7075時會導(dǎo)致焊接元素濃度的變化，由此影響熱裂紋的敏感性。
由于固溶和熱處理造成的析出，高溫合金通常呈現(xiàn)出機械性能提高，蠕變斷裂性能提高和對環(huán)境的腐蝕的抗力提高（包括氧化），即使是在接近熔點的時候都是如此。耐熱高溫合金的焊接變得非常重要，這是因為焊接廣泛的應(yīng)用于制造和修復(fù)航空航天和工業(yè)汽輪機場合中的熱端部件。不像鋁合金的凝固裂紋，液化狀態(tài)是多數(shù)奧氏體合金（包括析出強化型的鎳基高溫合金）的熱影響區(qū)形成裂紋的主要原因。許多研究結(jié)果表明傳統(tǒng)的脈沖激光下焊接方法在解決高溫合金的液化裂紋方面并不明顯。
Mg合金由于具有比強度高，比剛性高和沖擊吸收的特性而具有非常多的應(yīng)用優(yōu)勢。使用Mg來代替鋁合金可以減少重量15-20%。氣孔和裂紋是鎂合金焊接時的常見缺陷，而這些缺陷可以通過脈沖的搭接和編輯脈沖形狀來解決。
為了深入了解和理解脈沖激光焊接工藝，非常有必要來比較脈沖激光焊接不同材料的結(jié)果。通過對這些研究結(jié)果進行綜述，可以發(fā)現(xiàn)在脈沖激光焊接的時候存在許多問題，如裂紋是焊接中常見的缺陷，吸引著許多研究人員的注意。然而，尤其當在脈沖激光焊接的快速冷卻的作用下，大多數(shù)的裂紋敏感指數(shù)就變得不再適用。在本綜述中，通過綜合的分析熱裂紋產(chǎn)生的機理，研究人員可以充分的理解在脈沖激光焊接時的熱裂紋的形成，并通過脈沖的辦法來解決激光焊接合金中存在的問題。
激光焊接是一種熔化焊技術(shù)，該技術(shù)是通過聚焦激光束成為一個非常小的點來獲得高功率密度而實現(xiàn)熔化和焊接的。激光功率的熱傳遞模式構(gòu)建遵照光線追蹤的方案已經(jīng)進行了提出，如圖1所示。激光光束聚焦的狀態(tài)影響著匙孔的行為和激光能量在材料中的分布，因此，也影響著等離子體羽的能量吸收機制。在熱傳導(dǎo)模式下，強烈的等離子體羽通常會產(chǎn)生，激光能量的有效吸收會被屏蔽。小的匙孔行為有助于提高等離子體和激光能量的吸收，一旦激光束的能量密度足夠高而產(chǎn)生匙孔，等離子體的逆增韌輻射吸收效應(yīng)將會減弱。
脈沖激光焊接可以通過點焊或者通過光斑搭接的形式實現(xiàn)連續(xù)焊接。當需要較低的能量的時候，脈沖激光是主要采用的手段。脈沖激光焊接可以看成是一系列的點焊所組成的。Liang和Luo建立了一個脈沖激光焊接異種材料時的三維瞬時模型，并發(fā)現(xiàn)表面波紋主要是周期性的激光和熔池凝固造成的。高的脈沖搭接因數(shù)，會導(dǎo)致較低的凝固速率，從而形成更加均勻的穿透深度和較精細的波紋。脈沖形狀在控制材料的焊接缺陷等方面也具有非常重要的作用，通常用來焊接薄板和其他部件。Bertrand 和Poulon-Quintin 研究了使用脈沖激光來焊接牙科用的合金Co-Cr-Mo和義齒修復(fù)用的 Pd-Ag-Sn鑄造板。較慢的冷卻速率斜坡可以用來進行更好的控制凝固過程和經(jīng)常用來阻止內(nèi)部缺陷的產(chǎn)生。因為Co-Cr-Mo合金具有較低的反射率，較快的斜坡式比較好的，相反，對于 Pd-Ag-Sn合金，由于該合金具有較高的激光反射率，其斜坡的增加緩慢是比較有益的。
▲圖2. 采用連續(xù)波激光而不是脈沖波激光來避免熱裂紋的產(chǎn)生：（a）脈沖波激光；（b）連續(xù)波激光
▲圖3. 不同的脈沖激光的搭接率對氣孔狀態(tài)的影響
總結(jié)和展望
同弧焊和連續(xù)激光焊相比較，脈沖激光焊接的應(yīng)用歷史比較短。在連續(xù)激光焊接的時候，額外的材料可以采用普通的辦法來避免裂紋的產(chǎn)生。然而，對于一些微連接技術(shù)，包括脈沖激光焊接，注入添加焊絲有可能并不適用。另外一方面，焊接前的預(yù)熱和冷卻速率可以通過同步的編輯脈沖形狀來實現(xiàn)。在工業(yè)應(yīng)用的時候，輕金屬如鋁合金和鎂合金不僅能夠滿足機械部件強度的要求，同時還可以滿足綠色產(chǎn)品輕質(zhì)的要求。許多問題如氣孔和裂紋，在焊接鋁合金和鎂合金的時候回會經(jīng)常發(fā)生。經(jīng)過證明，脈沖激光焊接，脈沖整形可以用來減少焊接凝固過程中的冷卻速率而排出裂紋，氣孔也可以通過熔池的攪拌或焊接點的再熔化來消除。鎳基合金的液化裂紋精密的同基體材料的相組成密切相關(guān)，同時是脈沖激光所不可避免的。在脈沖激光的低熱輸入的條件下，可以顯著的提高鋁合金，鎳基合金和不銹鋼的焊接變形。通過條輪提出的預(yù)測裂紋敏感性的指數(shù)，我們可以更加綜合的理解在焊接合金時的凝固裂紋的產(chǎn)生原因和形成過程。因此，基于鑄造的狀態(tài)，其指數(shù)并不適合脈沖激光的快速凝固過程。因此，非常有必要進一步的優(yōu)化裂紋敏感指數(shù)和期待更加精確的預(yù)測合金在脈沖激光焊接時的裂紋。
▲圖4. 降壓脈沖逐漸增加脈沖寬度得到的俯視圖
▲圖5. 數(shù)值模擬的結(jié)果和采用某一脈沖形式進行加工得到的高速攝影的結(jié)果
▲圖6. 幾種不同的脈沖形狀及其相應(yīng)的能量
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