上海工程技術大學的研究人員發(fā)表了關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，總結了脈沖激光在合金焊接方面的應用。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，并且廣泛的應用于連接薄板材料。由于脈沖形狀可以進行調制編輯以實現(xiàn)預熱和對每一焊道進行較慢的冷卻，脈沖激光曾經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用。主要的焊接問題和預防措施均進行了總結。通過討論提出的指數(shù)來預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鍵參數(shù)。脈沖激光焊接可以通過調節(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，這些結果會導致他們之間相互影響。搭接效應應該被考慮，當定義有效的峰值功率密度的時候。脈沖激光同時在復合焊接中也具有許多應用，如脈沖-連續(xù)波的雙光束激光焊接技術，脈沖激光-電弧焊接技術等。
▲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，從而該技術在焊接薄板方面具有非常大的優(yōu)勢。結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用，異種材料焊接鋁合金和銅合金的應用場合也很多。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用于制造和修復航空航天和工業(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果。通過對這些研究結果進行綜述，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，該技術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建遵照光線追蹤的方案已經進行了提出，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。在熱傳導模式下，強烈的等離子體羽通常會產生，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生匙孔，等離子體的逆增韌輻射吸收效應將會減弱。
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常用來阻止內部缺陷的產生。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
總結和展望
同弧焊和連續(xù)激光焊相比較，脈沖激光焊接的應用歷史比較短。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生。然而，對于一些微連接技術，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品輕質的要求。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常發(fā)生。經過證明，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，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)值模擬的結果和采用某一脈沖形式進行加工得到的高速攝影的結果
▲圖6. 幾種不同的脈沖形狀及其相應的能量
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