光束振荡技术进行铜合金的激光焊接

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2021-03-25

　　▲图1. 上图为激光光束振荡焊接技术的示意图，下图，在不同激光功率的条件下焊接焊道的俯视图和横截面，参数为: 焊接速度 = 4.0 m/min, 聚焦的位置 = 0, 旋转直径 = 1.0 mm,旋转频率 = 100 Hz, 光束轨迹 =圆形. 焊接方向为自左边向右边

　　众所周知，铜及其合金是一种非常难以焊接的材料，其原因如下：铜及其合金的传导率比较高，造成熔化困难，因此大量的热需要用来补偿热消散和局部进行高度加热，结果形成热应力和最终造成变形等缺陷。溶解的氧容易形成氧化物和气孔。对激光束的吸收率比较低，尤其是激光波长为700nm以上的时候，吸收率不到3%。Auwal等人曾经对激光焊接铜合金进行了一个综述，详细的讨论了在铜合金作为工程材料时所面临的问题。

　　▲图2. 在不同的焊接速度下得到的焊道的俯视图和横截面，激光参数为：: 激光功率 = 4000 W, 光斑聚焦位置 = 0, 光束振荡直径 = 1.0 mm, 光束振荡频率 = 100 Hz,光束轨迹 =圆形. 焊接方向为自左边向右边进行焊接

　　如今，大多数激光焊接铜合金的研究聚焦在脉冲激光的点焊的应用上。采用连续激光焊接厚板的铜的可行性将会允许在热交换器，高功率翅膀转换以及导电和导热所需要的设备上的应用。

　　▲图3. 光束移动时铜材料的相互作用的示意图（俯视图），每一种颜色代表一个单个的周期T

　　为了克服焊接性的问题，采用不同的策略产生连续的穿透型的对接焊缝且可以控制焊接缺陷，显微组织和残余应力与变形。在所有的策略钟，在连续激光焊接的过程钟，采用光束振荡，或者说叫摇摆，目前还没有应用到铜的激光焊接上，但铝合金和钛合金等材料中的激光光束振荡焊接已经有应用，以上材料比铜合金的焊接相对要容易一些。

　　▲图4. 在不同的激光光斑聚焦位置下焊道的俯视图和横截面，焊接参数为：激光功率 = 4000 W, 焊接速度 = 4.0 m/min，旋转直径 = 1.0 mm, 选装频率 = 100 Hz, 光束轨迹 =圆形).焊接方向为自左边向右边进行焊接

　　光束摇摆（振荡）扩大了激光束与材料之间相互作用的面积和焊接宽度，降低了焊接过程中所需要的热输入。在高反射材料中，如铜合金，采用光束振荡，材料的局部温度会升高和提高对激光的吸收率。能量的效率会增加，因为在焊接过程中的反射变少。另外一个主要的优势在于适宜的光束振荡激光头在使用时，可以控制热温度梯度和匙孔的稳定性，这将导致焊接缺陷的减少和获得光滑的焊缝表面。

　　▲图5. 在不同的光束振荡旋转直径的条件下得到的俯视图和横截面图：激光参数为激光功率 = 4000 W, 焊接速度 = 3.0 m/min, 光斑聚焦位置 = 0, 旋转频率 = 100 Hz,光束轨迹 = 圆形. 焊接方向为自左向右进行扫描

　　激光的动态移动可以具有不同的形状，并且其振荡模式的变化可以促进在焊接工艺过程中实现更好的温度管理，从而导致并不陡峭的热输入和冷却速率以及热温度梯度。因此，激光光束振荡可以通过最大化的降低焊接缺陷来提高工艺过程，而不会对焊接后的显微组织产生影响，就不会出现以前Kraetzsch所报道的 Cu/Al异种材料的焊接和Wang等人所报道的进行Al焊接时所产生的情况。

　　▲图6. 采用不同的光束轨迹得到的焊道的俯视图和横截面；激光参数为：激光功率 = 4000 W, 焊接速度 = 4.0 m/min, 光斑聚焦位置 = 0, 旋转直径 = 1.0 mm. 焊接方向为自左边到右边进行焊接

　　激光光束摆动焊接（光束振荡技术）在如今开始变得可以实现更加广泛的应用。Khodabakhshi等人成功的采用光束摆动技术实现了Al与Mg之间的异种连接。观察到裂纹的敏感性在适当的激光运动下变得可控。这些结果进一步的得到了 Shah 的证明，他的研究结果表明光束摆动可以提高Al同Mg的异种材料连接的质量。气孔的形成在采用光束摆动焊接Al-Mg合金的的时候也会得到抑制，这进一步的证明了光束摆动这一新颖的技术在焊接中的潜在影响。而且，Jiang等人和Li等人的研究显示熔化区的晶粒细化在光束摆动中可以观察到。在光束摆动过程中复杂的激光束的运动可以用来控制材料在焊接过程中的峰值温度和热温度梯度。

　　▲图7. 激光焊接铜合金时的光学照片：a) 焊接接头的宏观照片; b)基材; c) 热影响区; d) 熔化区

　　由于激光摆动焊接仍然是新发展起来的一项技术，在当前，激光摆动焊接主要集中在钢和Al的焊接上，针对铜合金的有效焊接上尚存在理解缺乏的问题。本研究主要针对光束振荡参数对铜合金进行激光焊接时的焊道形貌和显微组织的影响，其目的时希望能够理解光束摆动对熔池的运动，焊道形貌和横截面的特征以及显微组织进行分析表征。

　　▲图8. a) 和 b) 光束振荡（摆动）焊接工艺的示意图; c) 熔化区的横截面 ; d) 实际焊道的边界和理论分析的边界的对比

　　▲图9. 在不同的光束振荡参数下，当匙孔在同一位置时熔池的顶部表面的速度矢量图的模拟结果 (测试单位: m/s)：(a) 30 Hz; (b) 50 Hz; (c) 70 Hz; (d) 90 Hz; (e) 0.50 mm; (f) 0.75 mm; (g) 1.00 mm; (h) 1.25 mm.（材料为SUS304不锈钢）

　　主要研究结论

　　采用激光光束振荡（摆动）技术进行铜合金的焊接，取得了如下积极的结果：当焊接参数进行优化时，没有焊接缺陷存在，如气孔，裂纹等，这些是铜合金应用时的关键指标。

　　采用多模光纤激光进行焊接铜合金的厚度为1.5mm的时候，可以实现无缺陷的焊接，焊接参数为：焊接速度在3.5 到4 m/min，采用圆形的焊接模型，圆形的旋转直径为0.6–1 mm，频率为100Hz。

　　光束振荡对焊接工艺产生了积极的影响，这是因为焊接模式从匙孔效应转变为传导焊接模式。没有施加光束振荡的条件下，样品中存在大量的气孔缺陷，飞溅和空穴，导致的原因是匙孔的不稳定性。

　　高的旋转直径和旋转频率增加了焊道之间的搭接，导致交互作用时间变短，因此，焊道的穿透能力下降。然而，焊道表面的形态呈现出较少的缺陷，如飞溅和表面空穴。由于焊接工艺不是对称的，这是因为光束旋转的原因造成的，在高速旋转频率的作用下底部存在不饱满。

　　在高的焊接速度下，尽管表面空穴和飞溅减少，但焊接深度显著下降。测试不同的光束运动轨迹后发现，圆形的运动轨迹是效果最佳的。

　　在焊接的熔化化区发现非传统的显微组织特征，这些圆形的条带是由于凝固前沿在光束振动的条件下所形成的。圆形的条带表明激光光束和材料的相互作用的边界相类似。由于光束摆动效应，在相互作用的时间间隔Δt中，激光束接触在熔化区可以接触到同熔池更多的相互作用时间。在每一旋转过程中，它就会发生部分材料熔化和产生圆形的熔化线，从而在前一选装中凝固形成外延生长的模式。在铜合金的增材制造过程中，会观察到相似的现象，但，实际上，此时的形成归因于Cu2O的存在。