近年來鐳射焊接技術穩步提高，日益成熟，越來越受到人們的關注，下面是小編蒐集整理的鐳射在紫銅焊接中的應用研究的論文範文，供大家閱讀借鑑。
紫銅具有高熱導率和大膨脹係數。紫銅焊接過程中大量熱被傳匯出去，熱量難以集中，紫銅厚板傳統焊接需要預熱，存在焊接過程中易出現氣孔、熱裂紋、焊後殘餘變形大等問題。長期以來，紫銅的焊接方法主要是氣焊、釺焊、手工電弧焊、TIG焊、電子束焊等[1].氣焊存在預熱溫度高的問題，工作條件惡劣導致工人勞動強度很大，而且由於熱源能量密度低比較適合紫銅薄壁件的焊接;釺焊接頭耐熱能力比較差，由於母材與釺料成分相差較大而引起的電化學腐蝕致使耐蝕性下降[2];TIG熔焊和手工電弧焊同樣存在需要預熱、焊接熱輸入大、焊接接頭熱影響區和焊縫組織粗大、效能降低的問題，而且TIG熔焊焊接速度低也造成生產效率比較低。電子束具有很高的能量密度，但是電子束焊接紫銅厚板的過程中由於電子束的衝擊會引起熔融金屬飛濺，同時由於電子束具有很高的能量密度與穿透能力，容易造成燒穿現象的發生。此外電子束焊接裝置昂貴，焊接要求在真空中進行，工作環境受真空室大小限制[3].
鐳射焊接具有能量密度高、加熱區域小、焊縫深寬比大、熱影響區窄、變形小、生產效率高、控制靈活等優點，和電子束焊相比鐳射焊接還具有不需要真空室的優越性，符合國家提倡的低能耗，短流程，高效率的發展趨勢[4].隨著工業發展對高效、環保、自動化的需要，鐳射技術的應用迅速普及製造業的許多領域。在此基礎上，鐳射焊接工藝將成為鐳射應用的重要方面之一[5].近年來鐳射焊接技術穩步提高，日益成熟，越來越受到人們的關注。比如，李斌等人採用鐳射拼焊技術把不同材料，不同厚度和具有塗層的板材焊接在一起，形成可衝壓車身外板，減輕了汽車車身重量，經濟效果明顯[6].王金鳳等人採用脈衝鐳射對0.1mm紫銅片進行焊接得到了成型良好的焊縫[7].劉雅靜等人利用AnsysWorkbenchl4.5模擬平臺對焊接過程進行熱固耦合數值求解，得到熱應力集中是出現微細裂紋的主要原因[8].但是鐳射在紫銅焊接中的應用長期以來受到紫銅對鐳射高反射率的制約。近年來具有優質光束質量的大功率鐳射器的市場化程度大大提高，為鐳射應用於紫銅焊接提供了可能。同時，電能在能源消耗中所佔比例日益增加，市場對紫銅及其優質、高效焊接技術的需求也日益迫切[9].2014年2月KerrRA在Science上撰文指出今後一段時間內全球紫銅消耗量將呈指數增長[10].近年來國外一些高校和科研機構紛紛開展紫銅優質、高效焊接技術的開發和研究，期望將鐳射應用於紫銅的焊接，解決市場對紫銅優質、高效焊接技術的需求。
1紫銅鐳射焊接技術發展回顧
室溫下紫銅對紅外鐳射的吸收率約為5%,加熱到熔點附近後吸收率能夠達到20%左右，如圖1所示。因此，要實現紫銅的鐳射深熔焊接需要很高的鐳射功率密度。紫銅對鐳射吸收率低還使鐳射焊接過程對紫銅工件表面的粗糙度、氧化物等非常敏感，導致紫銅的鐳射焊接過程穩定性和工藝可重複性很差[11].因此，為了將鐳射應用於紫銅焊接，國內外研究者往往使用盡可能大功率的鐳射器或者設法提高紫銅焊接過程中鐳射能量的耦合效率。
1.1紫銅表面預處理增大鐳射能量耦合效率
吳曉紅[12]通過對紫銅進行鐳射掃描預處理使其表面產生氧化銅薄膜，從而提高工件對鐳射能量的吸收率，達到了理想的焊接效果。Shimizukozo等人研究了紫銅表面製備不同厚度的鎳塗層對紫銅鐳射焊接的影響[13]elio與Giorleo比較了紫銅表面製備鉻塗層、石墨塗層、氧化物對紫銅鐳射焊接過程的影響[14]-ChiChen等人比較研究了紫銅表面預製石墨層、表面噴丸和表面預製奈米塗層這三種處理方法對鐳射焊的影響，結果表明在紫銅表面製備奈米複合層降低反射損失的效果最好[115].為了將鐳射應用於紫銅的焊接，日本神戶鋼鐵公司開發了專門的紫銅板材，也是通過在紫銅表面製備氧化層來提高對鐳射的吸收率。
1.2新增輔助材料增大鐳射能量耦合效率
Oztoprak等人[16]提出一種通過向熔池新增Stellite6粉體來提高能量耦合效率的`方法。在工業領域，第一次利用鐳射焊來得到紫銅管-管對接接頭是上世紀90年代完成的。當時採用不鏽鋼管作為過渡段實現了紫銅管之間的連線，在焊接過程中將鐳射光斑偏向不鏽鋼一側，紫銅的加熱和熔化主要靠不鏽鋼熔池的傳熱來實現。Shen等人系統地研究了光斑偏離焊縫中心距離對紫銅-不鏽鋼脈衝YAG鐳射焊接異質接頭質量的影響[17].黃仁果等人進行了紫銅換熱管與不鏽鋼管板接頭的焊接並且獲得了滿意的焊接接頭質量[18].董鵬等人採用黃銅在上、紫銅在下的搭接接頭形式，可使鐳射束深入到紫銅基體內部實現深熔焊接[19].國內上海交通大學也開展了紫銅-鋼異質接頭的大功率鐳射焊接研究[20-22].
1.3輔助氣流增大鐳射能量耦合效率
DellErba等人研究了使用含氧輔助氣流的紫銅CO2鐳射焊，結果熔深顯著提高，但是焊縫出現氧化物沉澱和大量氣孔[23]r等人研究了含氧輔助氣流對紫銅脈衝YAG鐳射焊接的影響，發現輔助氣流中加氧能提高鐳射能量的耦合效率，使焊縫熔深增大。但是當含氧量較高時，焊縫強度由於銅氧化物的沉澱強化而提高，焊縫斷口會轉變為脆性斷口，並且焊縫存在嚴重的氣孔現象，焊縫表面成形變差[24].雷玉成等人通過在氬氣中混合一定比例的氮氣，順利實現了對紫銅的不預熱TIG焊接[25].
1.4使用大功率鐳射器增大絕對吸收量
Lechuga和Ramos等人採用大功率連續YAG鐳射器進行了紫銅的焊接並對焊縫組織進行了初步分析[26,27]eia等人採用大功率連續CO2鐳射進行了紫銅的焊接，認為逆韌致輻射吸收會促進鐳射能量向工件的耦合[28].2007年，Trumf公司將三臺YAG鐳射器的光束併入直徑600微米的光纖中，總功率16.5kW,焊接得到了熔深5.2mm的紫銅焊縫，焊接速度為1.8m/min[29].
2近年來鐳射在紫銅焊接中的應用研究新進展
近年來高光束質量的大功率圓盤鐳射和光纖鐳射器技術日益成熟、市場化程度大大提高，使紫銅的鐳射連續焊接成為可能，國外很多單位已經開展了相關研究，取得了一些有價值的結果，同時也發現了紫銅由於其具有一些特殊的熱物理性質，在工藝方面有更高、更復雜的要求。
2.1紫銅鐳射連續焊接相關研究
斯圖加特鐳射工具研究所(IFSW)採用單模IPG光纖鐳射進行紫銅的連續焊接，在2008年首次系統研究了紫銅連續鐳射焊接焊縫熔深和焊接速度的關係[30].值得注意的是該研究中的紫銅鐳射焊接過程穩定性很差，分析認為是由於紫銅對鐳射吸收率低導致鐳射能量耦合行為、耦合效率很容易受到表面粗糙度、表面油汙等外部因素干擾而出現波動和不穩定。
DirkPetring等人採用傳輸光纖直徑為50微米的4kWIPG光纖鐳射研究了3mm厚紫銅及銅合金鐳射焊接焊縫熔深和焊接速度的關係，發現紫銅鐳射焊焊縫熔深和焊接速度成指數關係，而銅鎳合金鐳射焊焊縫熔深和焊接速度成對數關係[31].上述研究都指出紫銅鐳射連續焊接存在穩定性差、飛濺大、氣孔傾向大、成形差等問題。
2.2綠色鐳射在紫銅焊接中的應用
室溫下紫銅對波長532nm的綠色鐳射吸收率達到30%至40%,這一特點被許多研究者注意到並加以利用。ElkeKaiser等人發現採用脈衝綠色鐳射可以在點焊紫銅時得到較高質量的焊點，且具有較好的工藝可重複性[32].但是，目前市場上還沒有出現功率足夠高、可以進行較大厚度紫銅連續鐳射焊接的綠色鐳射器。將綠色鐳射和紅外YAG鐳射疊加在一起的雙波長鐳射焊方法被證明能提高紫銅鐳射焊的工藝可重複性。將小功率的綠色連續鐳射光斑和大功率的紅外鐳射光斑疊加在一起來焊接紫銅，紅外鐳射直接照射在紫外鐳射形成的熔池表面、吸收率大大提高，同時也抑制了工件表面氧化、油汙和工件表面粗糙度對鐳射能量耦合行為的干擾，研究證明採用這種方法後熱導焊向深熔焊轉變的臨界功率顯著降低，焊接工藝可重複性提高。AxelHess等人把70W綠色鐳射和510WYAG紅外鐳射疊加後焊接紫銅，他們發現低功率綠色鐳射能夠顯著的影響紅外鐳射的能量耦合行為[33]stian等人進行了紫銅綠色鐳射焊和紅外鐳射焊的對比試驗，發現綠色鐳射實現深熔焊的臨界功率較低。但是當小孔形成後，兩種焊接過程的能量耦合效率差別不大[34].
2.3基於功率調製的紫銅鐳射焊接研究
Christph等人將波長532nm鐳射和波長1030nm鐳射聚焦在工件表面相同位置來焊接紫銅，發現工件表面被532nm波長綠色鐳射熔化後迅速降低兩種鐳射的功率，可以非常有效抑制飛濺，顯著改善焊縫表面成形質量和工件表面保護效果，工藝可重複性大大提高[35],他們採用的調製方案和效果分別如圖2、3所示。
Andreas等人發表的研究結果是通過鐳射功率波形調製來調控氣/液介面熱-力耦合行為進而達到改善紫銅焊接過程穩定性的一個成功範例。他們發現對鐳射輸出功率進行400Hz至600Hz正弦調製時紫銅鐳射焊接過程穩定性明顯提高，焊縫形狀規則，焊縫中的氣孔數量明顯減少[36],如圖4所示。
西安交通大學採用功率正弦調製的方法進行1.5mm紫銅板的焊接，發現對鐳射波形進行調製可以降低焊接過程中試樣由熱導焊向深熔焊轉變的臨界功率，而且調製頻率與振幅對焊接過程的穩定性影響很大，如圖5所示[37].
2.4鐳射-電弧複合熱源在紫銅焊接中的應用
採用輔助材料[16-22]、輔助氣體[23-25]的方法無疑增加了焊接過程中的複雜性同時使得焊接過程穩定性降低，而使用超高功率的鐳射器固然可以實現紫銅深熔焊接[26-29],但是鐳射器功率越大意味著投資成本越高。鐳射-電弧複合焊接由於鐳射與電弧的互動作用可以產生1+1>2的效果[38].理論上來講，可以將多模鐳射器和電弧複合起來，一方面鐳射入射在電弧形成的高溫熔池表面，吸收率大大提高;另一方面，工件裝配間隙變化對焊接過程的干擾也被抑制。西安交通大學進行了紫銅的不預熱鐳射-電弧複合焊接研究，研究表明採用基於鐳射功率調製的光纖鐳射-MIG電弧複合熱源可以在高焊速(>1m/min)、不預熱的條件下獲得無缺陷的4mm紫銅板I型坡口對接接頭[39],如圖6.隨後，在開坡口的情況下采用鐳射-電弧複合熱源可以在不預熱的條件下實現8mm紫銅板單道全穿透焊接，如圖7所示。
2.5焊接過程穩定性機理相關研究
PeterStritt[40-42]等人基於鐳射功率調製焊接研究了熱導焊向深熔焊的轉變過程，發現調製鐳射焊接過程中，輸入鐳射能量的大小對小孔的形成和關閉具有決定性的作用，如圖8所示。同時，鐳射功率的變化對於小孔的形成和崩塌具有一定的滯後作用，即在鐳射能量上升階段，輸入鐳射能量必須大於臨界值才能形成小孔，而在功率下降階段，小孔則可以維持較長的時間，如圖9所示。另外，採用調製鐳射功率焊接紫銅時，不僅要考慮平均功率的影響，還要考慮線能量的大小。
Katayama等人藉助視覺化的方法研究紫銅鐳射連續焊接過程穩定性，發現必須通過調控鐳射輸出功率才能改善不同厚度紫銅的鐳射焊接過程穩定性。
他們採用的鐳射功率是5kW,光纖直徑300微米，試驗中採用的保護氣體為氬氣，在4.5m/min的速度下得到了熔深2mm的優質紫銅焊縫[43]er等人使用X射線與高速攝影相結合的方法分析了紫銅焊接缺陷形成時的鐳射小孔的不穩定現象，發現小孔底部長大是導致焊接過程中諸如飛濺與氣孔等出現的主要原因，通過對功率進行鐳射調製可以抑制小孔底部的過度膨脹[44],如圖10所示。
Alp?zmert等人研究了通過電漿體光譜訊號線上監測紫銅鐳射焊熔池深度並實時反饋控制的可行性，提出一種通過熔池幾何形狀和紫銅焊接過程中發射的光譜訊號來檢測熔深的方法，如圖11、12所示[45].
3結論與展望
綜上所述，近年來，隨著風電、水電、太陽能及核電等綠色可持續發展能源產業的高速發展，市場對紫銅需求量逐年遞增。在市場需求推動下，紫銅高效、優質焊接技術研究越來越受到國內外同行的關注，尤其是電子、通訊領域的超薄、超細紫銅零部件的鐳射精密焊接以及電力、化工、機車等領域的大厚度大尺寸紫銅工件的不預熱自動化高效焊接這兩個應用領域。另一方面，隨著鐳射器技術的快速發展，多模鐳射器在工業上的使用日趨廣泛。如何克服多模鐳射器應用於焊接紫銅的技術瓶頸，開發基於多模鐳射器的優質、高效的紫銅焊接技術將會是今後紫銅鐳射焊接技術研究的發展趨勢。(本篇文章圖略)
參考文獻
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