激光深熔焊接大梯度殘余應力的演變與表征研究

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激光深熔焊:

當功率密度比較大的激光束照射到材料表面時，材料吸收光能轉(zhuǎn)化為熱能，材料被加熱熔化至汽化，產(chǎn)生大量的金屬蒸汽，在蒸汽退出表面時產(chǎn)生的反作用力下，使熔化的金屬液體向四周排擠，形成凹坑，隨著激光的繼續(xù)照射，凹坑穿入更深，當激光停止照射后，凹坑周邊的熔液回流，冷卻凝固后將兩焊件焊接在—起。

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這兩種焊接機理根據(jù)實際的材料性質(zhì)和焊接需要來選擇，通過調(diào)節(jié)激光的各焊接工藝參數(shù)得到不同的焊接機理。這兩種方式最基本的區(qū)別在于：前者熔池表面保持封閉，而后者熔池則被激光束穿透成孔。傳導焊對系統(tǒng)的擾動較小，因為激光束的輻射沒有穿透被焊材料，所以，在傳導焊過程中焊縫不易被氣體侵入；而深熔焊時，小孔的不斷關(guān)閉能導致氣孔。傳導焊和深熔焊方式也可以在同一焊接過程中相互轉(zhuǎn)換，由傳導方式向小孔方式的轉(zhuǎn)變?nèi)Q于施加于工件的峰值激光能量密度和激光脈沖持續(xù)時間。激光脈沖能量密度的時間依賴性能夠使激光焊接在激光與材料相互作用期間由一種焊接方式向另一種方式轉(zhuǎn)變，即在相互作用過程中焊縫可以先在傳導方式下形成，然后再轉(zhuǎn)變?yōu)樾】追绞健?

激光焊接的焊縫形狀:

對于大功率深熔焊由于在焊縫熔池處的熔化金屬，由于材料的瞬時汽化而形成深穿型的圓孔空腔，隨著激光束與工件的相對運動使小孔周邊金屬不斷熔化、流動、封閉、凝固而形成連續(xù)焊縫，其焊縫形狀深而窄，即具有較大的熔深熔寬比，在高功率器件焊接時，深寬比可達5：l，最高可達10：1。

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導讀：激光焊接與傳統(tǒng)焊接相比，具有諸多優(yōu)勢。

傳統(tǒng)焊接

目前使用的大部分傳統(tǒng)（非激光）焊接技術(shù)都源自電弧焊。在使用這類焊接時，首先要使兩塊金屬接觸或緊密靠近，通常，金屬的邊緣可能已經(jīng)過成型處理，以方便焊接。電焊條和接觸區(qū)域之間形成高壓，從而產(chǎn)生可熔化焊接材料（或者，在某些情況下熔化其他焊補材料或焊條本身）的電弧。熔化的焊接材料填充或覆蓋工件之間的所有縫隙，凝固后將各部分結(jié)合在一起。

大部分電弧焊方法的主要優(yōu)點是它們具有相對較低的成本，尤其是在固定設備費用方面。而且，電弧焊技術(shù)接受度高，應用廣泛，并已建立完善的生產(chǎn)和測試標準，因此不需要長時間學習即可應用相關(guān)的工藝。而電弧焊的主要缺點在于會讓部件承受高溫。這會在熔化的焊接材料中形成金相組織，導致焊縫強度降低，并且焊縫附近的熱影響區(qū)域相對較大。此外，電弧的直徑受局部電場的影響，因此無法獨立設定。

激光深熔焊接

大部分激光焊接技術(shù)可以歸入兩個基本類，即“深熔”焊接和“熱傳導”焊接。這兩種焊接模式既可以自熔（即，不使用焊補材料）方式進行，也可以在需要時使用焊補材料。

深熔，或稱作深度穿透焊接。常見于以高激光功率焊接較厚的材料。在深熔焊接中，激光聚焦在一起從而在工件上形成極高的功率密度。事實上，激光束聚焦的部位會使金屬氣化，令金屬熔池中出現(xiàn)一個盲孔（即深熔孔）。金屬蒸氣壓力會擋住周圍熔化的金屬，使盲孔在焊接過程中始終處于開口狀態(tài)。激光功率主要在蒸氣與熔體邊界和深熔孔壁處被熔體吸收。聚焦的激光束和深熔孔沿焊接軌跡持續(xù)移動。焊接材料在深熔孔前方熔化，并在后面重新凝固形成焊縫。

微小的深熔孔區(qū)域形成精確的窄熔化區(qū)，與電弧焊方法相比，它具有較高的縱橫比（深度與寬度之比）。而且，高度集中的熱量意味著工件的基體可以起到有效的散熱作用，因此，焊接區(qū)域能夠迅速地升溫和冷卻。這可在最大程度上減小受高溫影響的區(qū)域面積，并降低晶粒生長。因此，激光產(chǎn)生的焊縫通常比電弧焊強度更高，這是它的主要優(yōu)點之一。

激光焊接還能提供比電弧焊更好的靈活性，因為它可以用于大量材料，包括碳鋼、高強鋼、不銹鋼、鈦、鋁，以及貴金屬。由于材料熔化溫度差異和熱傳導不會對焊接過程造成明顯影響，因此激光焊接還可以用于焊接異種材料。

此外，如果考慮所有的加工步驟，激光焊接相較傳統(tǒng)方法有著明顯的成本優(yōu)勢，特別是精確的熱量應用可以最大程度降低焊接點和整個部件的變形。因此在許多情況下，不必進行后期加工。激光焊接還能在較長距離上投射激光束，并確保基本沒有功率損失，這使之易于融入其他生產(chǎn)流程，且能夠很好地與工業(yè)機器人進行集成。最后，它還能以更小的法蘭尺寸實現(xiàn)新的產(chǎn)品配置，這對輕型汽車而言至關(guān)重要。