近年来激光在紫铜焊接中的应用研究新进展,光学论文

　　紫铜具有高热导率和大膨胀系数。紫铜焊接过程中大量热被传导出去，热量难以集中，紫铜厚板传统焊接需要预热，存在焊接过程中易出现气孔、热裂纹、焊后残余变形大等问题。长期以来，紫铜的焊接方法主要是气焊、钎焊、手工电弧焊、TIG 焊、电子束焊等[1].气焊存在预热温度高的问题，工作条件恶劣导致工人劳动强度很大，而且由于热源能量密度低比较适合紫铜薄壁件的焊接；钎焊接头耐热能力比较差，由于母材与钎料成分相差较大而引起的电化学腐蚀致使耐蚀性下降[2]; TIG 熔焊和手工电弧焊同样存在需要预热、焊接热输入大、焊接接头热影响区和焊缝组织粗大、性能降低的问题，而且 TIG 熔焊焊接速度低也造成生产效率比较低。电子束具有很高的能量密度，但是电子束焊接紫铜厚板的过程中由于电子束的冲击会引起熔融金属飞溅，同时由于电子束具有很高的能量密度与穿透能力，容易造成烧穿现象的发生。此外电子束焊接设备昂贵，焊接要求在真空中进行，工作环境受真空室大小限制[3].

　　激光焊接具有能量密度高、加热区域小、焊缝深宽比大、热影响区窄、变形小、生产效率高、控制灵活等优点，和电子束焊相比激光焊接还具有不需要真空室的优越性，符合国家提倡的低能耗，短流程，高效率的发展趋势[4].随着工业发展对高效、环保、自动化的需要，激光技术的应用迅速普及制造业的许多领域。在此基础上，激光焊接工艺将成为激光应用的重要方面之一[5].近年来激光焊接技术稳步提高，日益成熟，越来越受到人们的关注。比如，李斌等人采用激光拼焊技术把不同材料，不同厚度和具有涂层的板材焊接在一起，形成可冲压车身外板，减轻了汽车车身重量，经济效果明显[6].王金凤等人采用脉冲激光对 0. 1mm 紫铜片进行焊接得到了成型良好的焊缝[7].刘雅静等人利用 AnsysWorkbenchl4. 5 仿真平台对焊接过程进行热固耦合数值求解，得到热应力集中是出现微细裂纹的主要原因[8].但是激光在紫铜焊接中的应用长期以来受到紫铜对激光高反射率的制约。近年来具有优质光束质量的大功率激光器的市场化程度大大提高，为激光应用于紫铜焊接提供了可能。同时，电能在能源消耗中所占比例日益增加，市场对紫铜及其优质、高效焊接技术的需求也日益迫切[9].2014 年 2 月 Kerr RA 在 Science 上撰文指出今后一段时间内全球紫铜消耗量将呈指数增长[10].近年来国外一些高校和科研机构纷纷开展紫铜优质、高效焊接技术的开发和研究，期望将激光应用于紫铜的焊接，解决市场对紫铜优质、高效焊接技术的需求。

　　1 紫铜激光焊接技术发展回顾

　　室温下紫铜对红外激光的吸收率约为 5%,加热到熔点附近后吸收率能够达到 20% 左右，如图 1 所示。因此，要实现紫铜的激光深熔焊接需要很高的激光功率密度。紫铜对激光吸收率低还使激光焊接过程对紫铜工件表面的粗糙度、氧化物等非常敏感，导致紫铜的激光焊接过程稳定性和工艺可重复性很差[11].因此，为了将激光应用于紫铜焊接，国内外研究者往往使用尽可能大功率的激光器或者设法提高紫铜焊接过程中激光能量的耦合效率。

　　1. 1 紫铜表面预处理增大激光能量耦合效率

　　吴晓红[12]通过对紫铜进行激光扫描预处理使其表面产生氧化铜薄膜，从而提高工件对激光能量的吸收率，达到了理想的焊接效果。Shimizukozo 等人研究了紫铜表面制备不同厚度的镍涂层对紫铜激光焊接的影响[13].Daurelio 与 Giorleo 比较了紫铜表面制备铬涂层、石墨涂层、氧化物对紫铜激光焊接过程的影响[14].Hui-Chi Chen 等人比较研究了紫铜表面预制石墨层、表面喷丸和表面预制纳米涂层这三种处理方法对激光焊的影响，结果表明在紫铜表面制备纳米复合层降低反射损失的效果最好[115].为了将激光应用于紫铜的焊接，日本神户钢铁公司开发了专门的紫铜板材，也是通过在紫铜表面制备氧化层来提高对激光的吸收率。

　　1. 2 添加辅助材料增大激光能量耦合效率

　　B. Genc Oztoprak 等人[16]提出一种通过向熔池添加 Stellite 6 粉体来提高能量耦合效率的方法。在工业领域，第一次利用激光焊来得到紫铜管-管对接接头是上世纪 90 年代完成的。当时采用不锈钢管作为过渡段实现了紫铜管之间的连接，在焊接过程中将激光光斑偏向不锈钢一侧，紫铜的加热和熔化主要靠不锈钢熔池的传热来实现。Shen 等人系统地研究了光斑偏离焊缝中心距离对紫铜-不锈钢脉冲 YAG 激光焊接异质接头质量的影响[17].黄仁果等人进行了紫铜换热管与不锈钢管板接头的焊接并且获得了满意的焊接接头质量[18].董鹏等人采用黄铜在上、紫铜在下的搭接接头形式，可使激光束深入到紫铜基体内部实现深熔焊接[19].国内上海交通大学也开展了紫铜-钢异质接头的大功率激光焊接研究[20-22].

　　1. 3 辅助气流增大激光能量耦合效率

　　Dell Erba 等人研究了使用含氧辅助气流的紫铜CO2激光焊，结果熔深显著提高，但是焊缝出现氧化物沉淀和大量气孔[23].Eibir 等人研究了含氧辅助气流对紫铜脉冲 YAG 激光焊接的影响，发现辅助气流中加氧能提高激光能量的耦合效率，使焊缝熔深增大。但是当含氧量较高时，焊缝强度由于铜氧化物的沉淀强化而提高，焊缝断口会转变为脆性断口，并且焊缝存在严重的气孔现象，焊缝表面成形变差[24].雷玉成等人通过在氩气中混合一定比例的氮气，顺利实现了对紫铜的不预热 TIG 焊接[25].

　　1. 4 使用大功率激光器增大绝对吸收量

　　Lechuga 和 Ramos 等人采用大功率连续 YAG 激光器进行了紫铜的焊接并对焊缝组织进行了初步分析[26,27].Gouveia 等人采用大功率连续 CO2激光进行了紫铜的焊接，认为逆韧致辐射吸收会促进激光能量向工件的耦合[28].2007 年，Trumf 公司将三台 YAG激光器的光束并入直径 600 微米的光纤中，总功率16. 5kW,焊接得到了熔深 5. 2mm 的紫铜焊缝，焊接速度为 1. 8m/min[29].

　　2 近年来激光在紫铜焊接中的应用研究新进展

　　近年来高光束质量的大功率圆盘激光和光纤激光器技术日益成熟、市场化程度大大提高，使紫铜的激光连续焊接成为可能，国外很多单位已经开展了相关研究，取得了一些有价值的结果，同时也发现了紫铜由于其具有一些特殊的热物理性质，在工艺方面有更高、更复杂的要求。

　　2. 1 紫铜激光连续焊接相关研究

　　斯图加特激光工具研究所（ IFSW）采用单模 IPG光纤激光进行紫铜的连续焊接，在 2008 年首次系统研究了紫铜连续激光焊接焊缝熔深和焊接速度的关系[30].值得注意的是该研究中的紫铜激光焊接过程稳定性很差，分析认为是由于紫铜对激光吸收率低导致激光能量耦合行为、耦合效率很容易受到表面粗糙度、表面油污等外部因素干扰而出现波动和不稳定。

　　Dirk Petring 等人采用传输光纤直径为 50 微米的 4kWIPG 光纤激光研究了 3mm 厚紫铜及铜合金激光焊接焊缝熔深和焊接速度的关系，发现紫铜激光焊焊缝熔深和焊接速度成指数关系，而铜镍合金激光焊焊缝熔深和焊接速度成对数关系[31].上述研究都指出紫铜激光连续焊接存在稳定性差、飞溅大、气孔倾向大、成形差等问题。

　　2. 2 绿色激光在紫铜焊接中的应用

　　室温下紫铜对波长 532nm 的绿色激光吸收率达到 30%至 40%,这一特点被许多研究者注意到并加以利用。Elke Kaiser 等人发现采用脉冲绿色激光可以在点焊紫铜时得到较高质量的焊点，且具有较好的工艺可重复性[32].但是，目前市场上还没有出现功率足够高、可以进行较大厚度紫铜连续激光焊接的绿色激光器。将绿色激光和红外 YAG 激光叠加在一起的双波长激光焊方法被证明能提高紫铜激光焊的工艺可重复性。将小功率的绿色连续激光光斑和大功率的红外激光光斑叠加在一起来焊接紫铜，红外激光直接照射在紫外激光形成的熔池表面、吸收率大大提高，同时也抑制了工件表面氧化、油污和工件表面粗糙度对激光能量耦合行为的干扰，研究证明采用这种方法后热导焊向深熔焊转变的临界功率显著降低，焊接工艺可重复性提高。Axel Hess 等人把 70W 绿色激光和 510W YAG 红外激光叠加后焊接紫铜，他们发现低功率绿色激光能够显著的影响红外激光的能量耦合行为[33].Sebastian 等人进行了紫铜绿色激光焊和红外激光焊的对比试验，发现绿色激光实现深熔焊的临界功率较低。但是当小孔形成后，两种焊接过程的能量耦合效率差别不大[34].

　　2. 3 基于功率调制的紫铜激光焊接研究

　　Christph 等人将波长 532nm 激光和波长 1030nm激光聚焦在工件表面相同位置来焊接紫铜，发现工件表面被 532nm 波长绿色激光熔化后迅速降低两种激光的功率，可以非常有效抑制飞溅，显著改善焊缝表面成形质量和工件表面保护效果，工艺可重复性大大提高[35],他们采用的调制方案和效果分别如图 2、3所示。

　　Andreas 等人发表的研究结果是通过激光功率波形调制来调控气/液界面热-力耦合行为进而达到改善紫铜焊接过程稳定性的一个成功范例。他们发现对激光输出功率进行 400Hz 至 600Hz 正弦调制时紫铜激光焊接过程稳定性明显提高，焊缝形状规则，焊缝中的气孔数量明显减少[36],如图 4 所示。

　　西安交通大学采用功率正弦调制的方法进行1. 5mm 紫铜板的焊接，发现对激光波形进行调制可以降低焊接过程中试样由热导焊向深熔焊转变的临界功率，而且调制频率与振幅对焊接过程的稳定性影响很大，如图 5 所示[37].

　　2. 4 激光-电弧复合热源在紫铜焊接中的应用

　　采用辅助材料[16-22]、辅助气体[23-25]的方法无疑增加了焊接过程中的复杂性同时使得焊接过程稳定性降低，而使用超高功率的激光器固然可以实现紫铜深熔焊接[26-29],但是激光器功率越大意味着投资成本越高。激光-电弧复合焊接由于激光与电弧的交互作用可以产生 1+1>2 的效果[38].理论上来讲，可以将多模激光器和电弧复合起来，一方面激光入射在电弧形成的高温熔池表面，吸收率大大提高；另一方面，工件装配间隙变化对焊接过程的干扰也被抑制。西安交通大学进行了紫铜的不预热激光-电弧复合焊接研究，研究表明采用基于激光功率调制的光纤激光-MIG 电弧复合热源可以在高焊速（ >1m / min）、不预热的条件下获得无缺陷的 4mm 紫铜板 I 型坡口对接接头[39],如图 6.随后，在开坡口的情况下采用激光-电弧复合热源可以在不预热的条件下实现 8mm 紫铜板单道全穿透焊接，如图 7 所示。

　　2. 5 焊接过程稳定性机理相关研究

　　Peter Stritt[40-42]等人基于激光功率调制焊接研究了热导焊向深熔焊的转变过程，发现调制激光焊接过程中，输入激光能量的大小对小孔的形成和关闭具有决定性的作用，如图 8 所示。同时，激光功率的变化对于小孔的形成和崩塌具有一定的滞后作用，即在激光能量上升阶段，输入激光能量必须大于临界值才能形成小孔，而在功率下降阶段，小孔则可以维持较长的时间，如图 9 所示。另外，采用调制激光功率焊接紫铜时，不仅要考虑平均功率的影响，还要考虑线能量的大小。

　　Katayama 等人借助可视化的方法研究紫铜激光连续焊接过程稳定性，发现必须通过调控激光输出功率才能改善不同厚度紫铜的激光焊接过程稳定性。

　　他们采用的激光功率是 5kW,光纤直径 300 微米，试验中采用的保护气体为氩气，在 4. 5m/min 的速度下得到了熔深 2mm 的优质紫铜焊缝[43].Heider 等人使用 X 射线与高速摄影相结合的方法分析了紫铜焊接缺陷形成时的激光小孔的不稳定现象，发现小孔底部长大是导致焊接过程中诸如飞溅与气孔等出现的主要原因，通过对功率进行激光调制可以抑制小孔底部的过度膨胀[44],如图 10 所示。

　　Alp zmert 等人研究了通过等离子体光谱信号在线监测紫铜激光焊熔池深度并实时反馈控制的可行性，提出一种通过熔池几何形状和紫铜焊接过程中发射的光谱信号来检测熔深的方法，如图 11、12 所示[45].

　　3 结论与展望

　　综上所述，近年来，随着风电、水电、太阳能及核电等绿色可持续发展能源产业的高速发展，市场对紫铜需求量逐年递增。在市场需求推动下，紫铜高效、优质焊接技术研究越来越受到国内外同行的关注，尤其是电子、通信领域的超薄、超细紫铜零部件的激光精密焊接以及电力、化工、机车等领域的大厚度大尺寸紫铜工件的不预热自动化高效焊接这两个应用领域。另一方面，随着激光器技术的快速发展，多模激光器在工业上的使用日趋广泛。如何克服多模激光器应用于焊接紫铜的技术瓶颈，开发基于多模激光器的优质、高效的紫铜焊接技术将会是今后紫铜激光焊接技术研究的发展趋势。（本篇文章图略）

　　参考文献

[1] 季杰，马学智。铜及铜合金的焊接[J]. 焊接技术，1999,（ 2） : 13-15.

　　[2] 白津生，林嘉明。钢的 TIG 钎焊工艺探讨[J]. 焊接技术，1994,（ 2） : 24-25.

　　[3] 刘方军，王世卿。大厚度紫铜电子束焊接的研究[J]. 中国机械工程，1996,7（ 3） : 101-102.

　　[4] 周丽。激光焊接原理探析[J]. 中国科技信息，2012（ 22） : 119-119.

　　[5] 游德勇，高向东。激光焊接技术的研究现状与展望[J].焊接技术，2008,37（ 4） : 5-9.