文/Barbara Stumpp

激光是一種用途廣泛的工具，在制造過(guò)程中的轉(zhuǎn)換時(shí)間可以忽略不計(jì)；但在某些領(lǐng)域，如在焊接中，它們的應(yīng)用仍不理想。在激光焊接過(guò)程中，仍然會(huì)出現(xiàn)裂縫和材料熔合問(wèn)題，這無(wú)疑會(huì)影響加工質(zhì)量。德國(guó)Sigma Laser公司CEO Shervin Rahimi與德國(guó)斯圖加特應(yīng)用技術(shù)大學(xué)（THM）Klaus Behler教授的團(tuán)隊(duì)展開合作，研究解決這些問(wèn)題的方法。他們研究了激光脈沖時(shí)間調(diào)制對(duì)裂紋和焊縫幾何形狀的影響。這項(xiàng)高質(zhì)量的研究結(jié)果，對(duì)醫(yī)療技術(shù)和航空航天等多種應(yīng)用都提供了有價(jià)值的參考。

激光沉積焊接是一種將金屬分層施加到焊件上的一種工藝。當(dāng)與超脈沖技術(shù)（SPT）產(chǎn)生的聚焦激光束結(jié)合使用時(shí)，這項(xiàng)技術(shù)可以對(duì)小表面進(jìn)行高分辨率處理。一些制造商認(rèn)為脈沖輻射也能為“金屬焊接的完整性”帶來(lái)積極影響。

在某些情況下，由于材料、幾何形狀和激光脈沖參數(shù)的不同，裂紋和其他焊接缺陷會(huì)導(dǎo)致焊接表面粗糙，從而影響整個(gè)工件的質(zhì)量。這種焊接缺陷是無(wú)法被接受的，特別是在醫(yī)療器件中。在熔融體積小的情況下，存在焊縫區(qū)域過(guò)熱和損壞工件的風(fēng)險(xiǎn)(見圖1)。

圖1：使用新開發(fā)的超脈沖技術(shù)（SPT）調(diào)制激光脈沖，可以精確控制輸入到材料中的熱量，并且使焊接工藝最適宜所用材料的凝固特性。（圖片來(lái)源：Sigma Laser GmbH）

本研究項(xiàng)目使用的焊接材料為絲狀，與激光粉末沉積焊接不同的是，當(dāng)使用絲狀材料時(shí)，涂層材料可以100%進(jìn)入待加工材料表面。這個(gè)過(guò)程相對(duì)較快，帶來(lái)的變形也很小。熔敷層與基體連接，有利于冶金作用，因此比其他焊接方法更牢固。熔敷層也很致密，保護(hù)更持久，而且加工過(guò)程環(huán)保無(wú)浪費(fèi)。

絲狀材料激光沉積焊接還具有不受重力影響的優(yōu)點(diǎn)，使其更容易在復(fù)雜表面上使用。金屬絲更小的表面積減少了與空氣不必要的反應(yīng)，從而促進(jìn)了鈦和鋁等對(duì)空氣反應(yīng)敏感的金屬的使用。鈦和鋁與氧、氮和其他氣體會(huì)發(fā)生反應(yīng)，與氧或氮接觸的面積越小，發(fā)生反應(yīng)的可能性就越小。相比之下，使用粉末材料則會(huì)加大材料與空氣的接觸面積。

硬質(zhì)材料或高合金金屬藥芯焊絲的使用，進(jìn)一步擴(kuò)大了應(yīng)用的可能性。由于激光加工的精確度，即使是復(fù)雜的幾何圖形也能被熔覆。激光的可控性可以保證高重復(fù)性，進(jìn)而提高生產(chǎn)效率(見圖2)。此外，幾乎所有金屬都可以通過(guò)脈沖調(diào)制進(jìn)行加工。

圖2：高精度調(diào)制的脈沖激光。(圖片來(lái)源：Sigma Laser GmbH)

當(dāng)涉及到昂貴部件的有效修復(fù)或功能層的應(yīng)用時(shí)，激光沉積焊接可能是必不可少的環(huán)節(jié)。與其他涂層方法相比，激光沉積焊接也是一種經(jīng)濟(jì)有效的解決方案。

解決焊接問(wèn)題

在激光沉積焊接中，脈沖激光束從焊絲在工件上產(chǎn)生一個(gè)焊接熔池，但是高脈沖峰值功率會(huì)迅速使熔池金屬過(guò)熱，并經(jīng)常導(dǎo)致焊接縫裂紋。激光脈沖調(diào)制能精確控制輸入到工件上的熱量，使焊接過(guò)程可以適應(yīng)使用材料的凝固特點(diǎn)(見圖2)。與傳統(tǒng)的激光焊接相比，該技術(shù)能讓用戶控制熔化金屬在凝固時(shí)的形核率，形成晶粒非常精細(xì)且均勻的焊縫微觀結(jié)構(gòu)(見圖3、圖4)。對(duì)于異種金屬材料，如鈦/鋁、鈦/不銹鋼等，可以提高接頭的延展性，避免裂紋的形成。

圖3：在沒(méi)有脈沖調(diào)制下的焊縫情況，由于激光功率過(guò)高會(huì)出現(xiàn)較多的不規(guī)則性和飛濺現(xiàn)象。(圖片來(lái)源：Sigma Laser GmbH)

其他金屬也會(huì)產(chǎn)生這樣的問(wèn)題。例如，焊接鋼材是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)，焊接難易程度取決于鋼材的碳含量和熔化后可接受的冷卻速度。在這里，脈沖調(diào)制控制熔化金屬動(dòng)力學(xué)和調(diào)節(jié)冷卻速度，在某些情況下，可以提高鋼材的可焊接性。

圖4：脈沖調(diào)制焊接得到的一條無(wú)瑕疵的均勻焊縫。(圖片來(lái)源：Sigma Laser GmbH)

脈沖激光器在焊接難熔金屬，如鎢、鈮、鋯、鉭、鉬等高達(dá)3500℃的高熔點(diǎn)合金時(shí)，發(fā)揮了重要作用。盡管這些合金由于具有極強(qiáng)的耐蝕性、低熱膨脹率、高導(dǎo)熱性和良好的導(dǎo)電性等特點(diǎn)，在許多類型的制造中難以加工，但它們卻是高科技領(lǐng)域中不可缺少的材料。

通過(guò)對(duì)焊縫熔池的精確過(guò)冷，由于脈沖調(diào)制，能夠形成具有精細(xì)的微觀結(jié)構(gòu)和高延展性的優(yōu)良焊縫。

該方法在工具和模具制造方面也具有顯著的優(yōu)勢(shì)，這無(wú)疑又拓寬了脈沖激光系統(tǒng)的應(yīng)用范圍。例如，在脆性材料（如鑄件和碳鋼）加工方面，該工藝能顯著提高材料的可焊性，并將返工成本降至最低。

可能性探索

由于激光光束良好的可聚焦性，它具有處理分辨率高、可加工小型復(fù)雜表面的特點(diǎn)，如醫(yī)療器件，脈沖輻射改善了表面加工質(zhì)量以及焊接金屬的冶金性能。涂層材料為直徑小于0.8 mm的焊絲。在德國(guó)的研究項(xiàng)目中，激光脈沖是由燈泵Nd：YAG激光器產(chǎn)生的。

一個(gè)更有效的解決方案是新開發(fā)的SPT控制技術(shù)，它可以在短期范圍內(nèi)調(diào)節(jié)激光脈沖，并可以將中斷時(shí)間減少到50μs以下。SPT控制允許在毫秒和微秒范圍內(nèi)調(diào)節(jié)脈沖，調(diào)制頻率高達(dá)3000Hz。

穩(wěn)定焊接過(guò)程

激光器的起始脈沖以1.2ms相對(duì)較短的脈沖熔化焊絲和基材，隨后調(diào)制的至少2ms的后續(xù)脈沖，保持工藝穩(wěn)定，并控制進(jìn)入熔化區(qū)的熱量輸入持續(xù)時(shí)間，從而控制熔池動(dòng)力學(xué)。在這種情況下，可以根據(jù)聚焦位置設(shè)置的工藝要求來(lái)調(diào)整光束直徑，例如，選擇比焊絲直徑大0.2mm左右的光束直徑，以充分保證堆焊期間的堆焊材料焊接。

在啟動(dòng)脈沖和穩(wěn)定脈沖之間，還可以設(shè)置較長(zhǎng)時(shí)間如幾毫秒的中斷。這可以確保一個(gè)過(guò)渡的冷卻周期，限制熔體體積和基材中熱影響區(qū)的溫度升高。調(diào)整控制，使焊接深度足夠，以實(shí)現(xiàn)焊絲與母材的完全連接。

此外，所設(shè)置的脈沖頻率決定了焊縫的距離，增加調(diào)制頻率可以使焊縫更加均勻，幾乎可以完全減少飛濺。

脈沖調(diào)制應(yīng)用

基于他們的發(fā)現(xiàn)，來(lái)自Sigma Laser GmbH和THM的團(tuán)隊(duì)，利用脈沖調(diào)制技術(shù)將不銹鋼和鈦合金結(jié)合起來(lái)，對(duì)醫(yī)用植入物或醫(yī)療器械進(jìn)行了多種材料和組合的試驗(yàn)。這些技術(shù)非常適合小尺寸薄涂層的工件，以及需要低能量輸入和適應(yīng)傳熱的材料的凝固行為。

初步應(yīng)用表明，調(diào)制激光脈沖堆焊能達(dá)到預(yù)期的效果。需要特別注意的是，在每種情況下，工藝必須根據(jù)所使用的材料以及與工藝有關(guān)的反應(yīng)進(jìn)行調(diào)整。

這些研究結(jié)果激起了航空航天、造船等行業(yè)人士的廣泛興趣。