“激光攪拌焊”這一術(shù)語(yǔ)描述的是如下的工藝：激光匙孔或者蒸氣腔在相對(duì)較高的速度下被操縱或擺動(dòng)，從而在一個(gè)較大的焊接熔池內(nèi)發(fā)揮攪拌作用。它也被稱(chēng)為激光束擺動(dòng)焊接。這些現(xiàn)象主要與正確選擇激光器的能量密度，以及基于被處理材料的熱學(xué)特性所選擇的光束振蕩的相對(duì)速率和運(yùn)動(dòng)息息相關(guān)。

 

當(dāng)選擇正確的參數(shù)時(shí)，最終的效果是分布在光束振蕩區(qū)域上的能量，允許激光匙孔在快速移動(dòng)的光束上產(chǎn)生流體動(dòng)力攪動(dòng)作用。在振蕩區(qū)聚積的總能量負(fù)責(zé)維持大的熔池，而在熔池內(nèi)的振蕩和攪拌期間，激光束的局部強(qiáng)度則負(fù)責(zé)維持蒸汽腔。振蕩光束的快速運(yùn)動(dòng)為匙孔創(chuàng)建出一種自愈性。圖1示出了激光攪拌焊接的工藝過(guò)程，圖2示出了在熔池內(nèi)圓形光束操縱期間對(duì)激光匙孔或蒸汽腔高速攝影后選定的圖像，所有這些圖像都是以5000幀/秒獲得的。

 

 

圖1： 使用圓形光束操縱的激光攪拌焊的工藝示意圖。

 

根據(jù)該工藝在開(kāi)發(fā)過(guò)程中所進(jìn)行的研究表明，與傳統(tǒng)的激光束焊接工藝相比，使用激光攪拌焊在鋁合金上產(chǎn)生的激光焊點(diǎn)顯示出較少的焊接缺陷，其它優(yōu)勢(shì)還包括增加的焊縫尺寸以適應(yīng)間隙、搭接接頭剪切強(qiáng)度的改善，以及填充材料送料能力的提高等等。此外，通過(guò)適當(dāng)選擇控制與金屬的熱擴(kuò)散率和流動(dòng)性有關(guān)的能量輸入和分配的一系列參數(shù)，該激光攪拌焊工藝很容易被應(yīng)用到其它合金系統(tǒng)中。

 

自該工藝創(chuàng)建以來(lái)，針對(duì)激光攪拌焊的最新研究和應(yīng)用已顯著增長(zhǎng)，主要基于如下基本原理：即熔池內(nèi)的蒸氣腔的快速振蕩提供了可減少與氣體吸收和激光匙孔不穩(wěn)定相關(guān)的缺陷的流體動(dòng)力攪拌作用，同時(shí)還幫助形成更大的熔池。

 

 

圖2：熔池內(nèi)圓形光束操縱期間對(duì)激光匙孔或蒸汽腔高速攝影后選定的圖像（紅線顯示光束沿著順時(shí)針運(yùn)動(dòng)并指明其方向，而襯底相對(duì)于光束操縱向右移動(dòng)）。

 

激光攪拌焊接工藝的原理保持不變，但是旨在提供改進(jìn)的光束質(zhì)量的激光光源和用于光束操縱的振鏡系統(tǒng)使得該工藝能夠得到有效地采用并被用于廣泛的工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域。

 

激光攪拌焊工藝細(xì)節(jié)

 

激光攪拌焊利用某種光束操縱形式在更大的熔池內(nèi)振蕩匙孔或蒸汽腔。它需要相對(duì)較高的操作速率，可以通過(guò)圓形、橢圓形、直線運(yùn)動(dòng)或其他運(yùn)動(dòng)模式實(shí)現(xiàn)。激光束的操縱及其在熔池內(nèi)蒸汽腔的相應(yīng)振蕩，結(jié)合焊接路徑運(yùn)動(dòng)一同使用。

 

圖3顯示了使用傳統(tǒng)激光束焊接（LBW）和激光攪拌焊接（LSW）工藝對(duì)三種接頭配置打造的3mm厚鋁合金6013-T4上的焊縫的宏觀圖像。 使用LSW工藝的情況下，在焊接過(guò)程中以2,500rpm的速度對(duì)激光束進(jìn)行3mm的圓弧操縱，在所有情況下，焊接過(guò)程中使用填充合金4047來(lái)抑制凝固裂紋。 此外，使用LSW工藝生產(chǎn)的焊縫的生產(chǎn)速度略低于傳統(tǒng)的LBW工藝。

 

 

圖3：使用傳統(tǒng)激光束焊接（LBW）和激光攪拌焊（LSW）工藝生產(chǎn)的3mm 鋁合金的對(duì)接、搭接和角焊縫橫截面和對(duì)比效果。

 

如圖3所示，使用LSW工藝生產(chǎn)的焊縫不具有孔隙度，而在傳統(tǒng)制造的激光束焊縫的搭接和角焊縫結(jié)構(gòu)中，這種孔隙度顯而易見(jiàn)。這是值得關(guān)注的，因?yàn)榻鹣嘣嚇邮菑耐瓿傻暮缚p中隨機(jī)獲得的。然而，由于使用LSW工藝的匙孔的不穩(wěn)定性和塌陷導(dǎo)致的氣孔所引起的缺陷現(xiàn)象的減少，也已經(jīng)通過(guò)更嚴(yán)格的評(píng)估手段對(duì)其進(jìn)行了量化。

 

圖4顯示了使用LSW和LBW工藝在3mm厚的鋁合金6013-T6上產(chǎn)生的對(duì)接焊縫的特性。所有的焊縫均采用4.5kW功率的Nd：YAG激光器生產(chǎn)，焊接速度介于1-2.0m / min。所有使用LSW工藝生產(chǎn)的焊縫都采用了直徑約為3.0mm，轉(zhuǎn)速為2,500rpm的圓形光束控制。通過(guò)射線照相技術(shù)測(cè)量與這些焊縫相關(guān)的孔隙率，并使用光學(xué)金相來(lái)確定焊接寬度和穿透深度。使用最佳LSW工藝生產(chǎn)的焊縫顯示出孔隙度的顯著降低，滲透率幾乎沒(méi)有下降，并且焊縫寬度明顯增加。

 

 

圖4：使用LSW 和LBW 工藝在3mm 厚的鋁合金6013-T6 上產(chǎn)生的對(duì)接焊縫的特性。

 

LSW工藝在利用圓形或橢圓形光束操作模式時(shí)必須考慮的一個(gè)方面是激光束相對(duì)于工件的相對(duì)速度。圖5示出了采用順時(shí)針和逆時(shí)針圓形光束操作的激光束相對(duì)于工件的相對(duì)速度（VL）。在這種情況下，旋轉(zhuǎn)焊接速度被設(shè)定為與激光束的旋轉(zhuǎn)速度相同。

 

取決于光束操縱的方向，旋轉(zhuǎn)速度與焊接速度相反的焊接區(qū)域的邊緣產(chǎn)生較低的相對(duì)速度。這種情況會(huì)導(dǎo)致能量的增加，繼而導(dǎo)致在此位置的焊縫發(fā)生輕微下切。線性操縱（例如通過(guò)橫向于焊接方向的“抖動(dòng)”作用）的優(yōu)勢(shì)在于，相對(duì)于基板的激光束的總體速度與焊接線保持對(duì)稱(chēng)，并且不會(huì)產(chǎn)生這種效果。

 

如前所述，LSW工藝可用于減少激光焊接過(guò)程中的缺陷，同時(shí)還提供了相較于傳統(tǒng)的LBW工藝更為重要的優(yōu)勢(shì)。 LSW的這些互補(bǔ)特性，包括能夠在焊接對(duì)接接頭時(shí)適應(yīng)較寬的間隙；在搭接接頭的接合表面處具有較寬的界面焊接寬度，從而在循環(huán)載荷下能夠增加接頭的剪切強(qiáng)度和疲勞壽命；能夠在無(wú)須采用傳統(tǒng)LBW工藝所需的激光束精確定位以及對(duì)接頭進(jìn)行焊絲填充等情況下焊接搭接角焊縫，以及易于向焊接熔池引入足夠的填充材料等等。最后一個(gè)優(yōu)勢(shì)歸因于LSW工藝中產(chǎn)生了較大的焊接相互作用面積和熔池。在需要添加填充金屬的應(yīng)用中，該工藝的這種優(yōu)勢(shì)可能對(duì)高生產(chǎn)環(huán)境中的激光焊接工藝產(chǎn)生重大影響。

 

使能技術(shù)

 

激光焊接系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域的最新進(jìn)展對(duì)LSW工藝在生產(chǎn)中的應(yīng)用帶來(lái)很大的影響，其中包括新的激光器技術(shù)和數(shù)字驅(qū)動(dòng)的掃描系統(tǒng)。隨著能夠提供良好光束質(zhì)量的摻鐿光纖和Nd：YAG碟片激光器的出現(xiàn)——也就是具有相對(duì)較低的光束參數(shù)乘積（BPP）的激光器，能夠在焦距相對(duì)較長(zhǎng)的情況下實(shí)現(xiàn)小光斑尺寸和高能量密度的匙孔焊接。這使得能夠使用各種光學(xué)裝置，特別是振鏡掃描系統(tǒng)，在相當(dāng)長(zhǎng)的工作距離下操縱高能量密度的激光光束。

 

 

圖5：采用順時(shí)針和逆時(shí)針圓形光束操作的激光束相對(duì)于工件的相對(duì)速度（VL）。

 

通過(guò)簡(jiǎn)單地控制激光器、振鏡掃描系統(tǒng)和機(jī)器人系統(tǒng)，LSW工藝能夠在一個(gè)完全自動(dòng)化的生產(chǎn)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)，在這個(gè)系統(tǒng)中，可以遠(yuǎn)程、精確的投射和操縱激光束，以獲得傳統(tǒng)的LBW工藝無(wú)法實(shí)現(xiàn)的改進(jìn)。

 

圖6顯示了一臺(tái)商業(yè)型的激光振鏡掃描系統(tǒng)，其利用水冷反射鏡來(lái)適應(yīng)高達(dá)20kW的激光功率，并且能夠在LSW工藝模式下實(shí)現(xiàn)高速的光束操縱。這類(lèi)振鏡掃描系統(tǒng)能夠通過(guò)程序設(shè)定和控制后產(chǎn)生各種操作模式，同時(shí)可以被直接耦合到光纖傳送的激光器中并被集成到機(jī)械化或機(jī)器人系統(tǒng)中。

 

 

圖6. 用于激光攪拌焊的一款商業(yè)型激光振鏡掃描系統(tǒng)，系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)高功率的光束操縱。

 

工業(yè)應(yīng)用

 

盡管最初是為鋁合金的激光焊接開(kāi)發(fā)，但激光攪拌焊工藝在過(guò)去的十年中已經(jīng)受到了相當(dāng)大的重視。由于一些使能技術(shù)（即具有高光束質(zhì)量的高功率激光器和數(shù)字振鏡掃描系統(tǒng)）的應(yīng)用，該工藝正被廣泛用于各種行業(yè)。在需要高焊接質(zhì)量的應(yīng)用中，例如汽車(chē)，航空航天和醫(yī)療設(shè)備等行業(yè)，可以通過(guò)激光匙孔的操縱或振蕩，以減少陷入的氣體孔隙率，將由匙孔塌陷導(dǎo)致的空隙降至最低，并且增加焊接寬度來(lái)適應(yīng)間距和接頭失配等。

 

 

圖7. 在加筋鋁結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生點(diǎn)焊的激光攪拌焊接工藝的應(yīng)用案例。

 

通過(guò)正確的工藝參數(shù)選擇，LSW工藝可應(yīng)用于各種合金系統(tǒng)中，以生產(chǎn)對(duì)接焊縫、角焊縫，和搭接焊縫等。圖7示出了使用圓形光束操縱手段在鋁板和鑄鋁網(wǎng)格結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生點(diǎn)焊的LSW工藝的應(yīng)用案例。在這種情況下，也通過(guò)添加填充材料來(lái)抑制被焊接的鋁合金產(chǎn)生凝固裂紋。

 

由于需要高生產(chǎn)率和焊接質(zhì)量，汽車(chē)行業(yè)已迅速采用了LSW工藝，其中包括用于車(chē)身結(jié)構(gòu)的接縫、密封和焊接以及傳動(dòng)部件的焊接應(yīng)用。 在許多情況下，該LSW工藝已經(jīng)在激光器、振鏡掃描系統(tǒng)和機(jī)器人的自動(dòng)化系統(tǒng)中得到了實(shí)施。全球最大的商用車(chē)制造商德國(guó)戴姆勒公司 (Daimler AG)開(kāi)發(fā)了這樣一個(gè)系統(tǒng)，并被授予了激光技術(shù)創(chuàng)新獎(jiǎng)（圖8）。該系統(tǒng)被命名為RobScan（激光遠(yuǎn)程掃描焊接技術(shù)），戴姆勒公司表示RobScan能夠提高點(diǎn)焊工藝的生產(chǎn)效率。此外，使用遠(yuǎn)程掃描焊接，避免將點(diǎn)焊槍從一個(gè)焊接位置移動(dòng)到另一個(gè)焊接位置，節(jié)省了相對(duì)較長(zhǎng)的重新定位時(shí)間。與普通激光焊接技術(shù)相比較。RobScan 還具有焊接速度更快、更精確、維護(hù)成本低、機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡更加簡(jiǎn)單、更加柔性化、激光的可達(dá)性更好等特點(diǎn)。

 

 

圖8. 戴姆勒公司為汽車(chē)應(yīng)用開(kāi)發(fā)的RobScan 系統(tǒng)。

 

LSW工藝的優(yōu)勢(shì)特征已被證明能用于焊接厚度在0.5到4.5mm之間的各種合金系統(tǒng)（鋁合金、鐵合金、銅合金、鎂合金）中的接頭配置。

 

除了具備這些優(yōu)勢(shì)外，LSW還在更廣泛的市場(chǎng)領(lǐng)域展現(xiàn)出結(jié)構(gòu)和部件焊接方面的普遍適用性，其中包括海軍和海軍陸戰(zhàn)隊(duì)（甲板和整體加強(qiáng)型面板）；汽車(chē)（車(chē)輛的承載和非承載型部分，如內(nèi)外面板、底盤(pán)，門(mén)和柱子）；運(yùn)輸（卡車(chē)車(chē)廂，車(chē)壁和駕駛艙）和航空航天（加筋板，艙壁和甲板）等行業(yè)。

 

過(guò)去五年來(lái)，美國(guó)和海外地區(qū)及國(guó)家在LSW工藝應(yīng)用方面的勢(shì)頭不斷加速，這一趨勢(shì)預(yù)計(jì)將持續(xù)下去。