上海工程技术大学的研究人员发表了关于激光脉冲形状对合金焊接时的显微组织和热裂纹影响的综述，主要依据激光脉冲的特征，总结了脉冲激光在合金焊接方面的应用。通过讨论裂纹的敏感性的标准，对脉冲激光焊接时解决焊接裂纹的问题进行了分析，同时对脉冲激光焊接的未来发展趋势和裂纹的判断标准也进行了介绍。

　　简介：

　　在采用激光进行焊接的时候存在两种类型，即连续激光焊和脉冲激光焊接。这两类激光焊接均具有自己独特的特征。同连续激光焊接相比较，脉冲激光焊接的热输入在控制的时候要低一些，并且广泛的应用于连接薄板材料。由于脉冲形状可以进行调制编辑以实现预热和对每一焊道进行较慢的冷却，脉冲激光曾经用来抑制焊接铝合金时的热裂纹和其他缺陷，在镁合金和其他材料中也有类似研究。本文主要介绍了脉冲激光的焊接应用。主要的焊接问题和预防措施均进行了总结。通过讨论提出的指数来预测凝固裂纹的敏感性，形成热裂纹和热裂纹的生长均进行了较为综合的介绍。最后，对脉冲激光焊接的未来趋势也进行了介绍。

　　背景介绍

　　高效率和高精密的焊接特征，使得激光焊接的应用越来越广泛和普遍。在连续激光焊接时，焊接参数主要包括激光功率，焊接速度，光束直径以及离焦量等。然而，脉冲能量，脉冲宽度（脉冲持续时间）以及脉冲频率等也被认为是脉冲激光焊接中的关键参数。脉冲激光焊接可以通过调节几个同步的变量来实现控制热输入，这使得激光对材料的加工变得更加柔性。在脉冲激光焊接时的材料的相互作用同时也是区别于连续激光焊接的。此外，每一脉冲的简单求和的效应，这些结果会导致他们之间相互影响。搭接效应应该被考虑，当定义有效的峰值功率密度的时候。脉冲激光同时在复合焊接中也具有许多应用，如脉冲-连续波的双光束激光焊接技术，脉冲激光-电弧焊接技术等。

　　▲图1.（a）在27ms的焊接时间进行计算得到的焊接熔池的形貌；（b）计算得到的长度，焊接熔池的宽度（顶部）和深度（底部）和匙孔

　　对脉冲激光焊接，焊接的材料如铝合金，高温合金，不锈钢，镁合金以及异种金属材料均可以实现焊接。由于脉冲激光激光可以满足精密的热输入，从而该技术在焊接薄板方面具有非常大的优势。结合铝合金的低密度和高强度，铝合金在航空航天和运输行业的制造中具有广泛的应用，异种材料焊接铝合金和铜合金的应用场合也很多。激光焊接的主要缺陷不仅包括 气孔，元素的蒸发和裂纹，同时还包括它们之间的相互影响。对激光焊接，Huang等人提出了气孔形成的两个影响因素：气泡的形成是由于气孔的不稳定性和在凝固过程中气泡的受限制。气孔可以通过预热来加以限制。元素的蒸发和扩散对焊接工艺具有十分重要的影响。在脉冲激光焊接的时候，Ti，B，Zr等可以减少Al-Zn-Mg合金的凝固裂纹的敏感性。Kim和Nam则研究了过渡元素Mn和Zr对焊接高强7000系列Al-Zn-Mg合金的裂纹敏感性，而Cu和Cr则会增加裂纹的敏感性。Holzer等人测量了焊接处的元素浓度，并计算出凝固区的元素浓度。他们的研究证明能量在每单位长度上焊接AA7075时会导致焊接元素浓度的变化，由此影响热裂纹的敏感性。

　　由于固溶和热处理造成的析出，高温合金通常呈现出机械性能提高，蠕变断裂性能提高和对环境的腐蚀的抗力提高（包括氧化），即使是在接近熔点的时候都是如此。耐热高温合金的焊接变得非常重要，这是因为焊接广泛的应用于制造和修复航空航天和工业汽轮机场合中的热端部件。不像铝合金的凝固裂纹，液化状态是多数奥氏体合金（包括析出强化型的镍基高温合金）的热影响区形成裂纹的主要原因。许多研究结果表明传统的脉冲激光下焊接方法在解决高温合金的液化裂纹方面并不明显。

　　Mg合金由于具有比强度高，比刚性高和冲击吸收的特性而具有非常多的应用优势。使用Mg来代替铝合金可以减少重量15-20%。气孔和裂纹是镁合金焊接时的常见缺陷，而这些缺陷可以通过脉冲的搭接和编辑脉冲形状来解决。

　　为了深入了解和理解脉冲激光焊接工艺，非常有必要来比较脉冲激光焊接不同材料的结果。通过对这些研究结果进行综述，可以发现在脉冲激光焊接的时候存在许多问题，如裂纹是焊接中常见的缺陷，吸引着许多研究人员的注意。然而，尤其当在脉冲激光焊接的快速冷却的作用下，大多数的裂纹敏感指数就变得不再适用。在本综述中，通过综合的分析热裂纹产生的机理，研究人员可以充分的理解在脉冲激光焊接时的热裂纹的形成，并通过脉冲的办法来解决激光焊接合金中存在的问题。

　　激光焊接是一种熔化焊技术，该技术是通过聚焦激光束成为一个非常小的点来获得高功率密度而实现熔化和焊接的。激光功率的热传递模式构建遵照光线追踪的方案已经进行了提出，如图1所示。激光光束聚焦的状态影响着匙孔的行为和激光能量在材料中的分布，因此，也影响着等离子体羽的能量吸收机制。在热传导模式下，强烈的等离子体羽通常会产生，激光能量的有效吸收会被屏蔽。小的匙孔行为有助于提高等离子体和激光能量的吸收，一旦激光束的能量密度足够高而产生匙孔，等离子体的逆增韧辐射吸收效应将会减弱。

　　脉冲激光焊接可以通过点焊或者通过光斑搭接的形式实现连续焊接。当需要较低的能量的时候，脉冲激光是主要采用的手段。脉冲激光焊接可以看成是一系列的点焊所组成的。Liang和Luo建立了一个脉冲激光焊接异种材料时的三维瞬时模型，并发现表面波纹主要是周期性的激光和熔池凝固造成的。高的脉冲搭接因数，会导致较低的凝固速率，从而形成更加均匀的穿透深度和较精细的波纹。脉冲形状在控制材料的焊接缺陷等方面也具有非常重要的作用，通常用来焊接薄板和其他部件。Bertrand 和Poulon-Quintin 研究了使用脉冲激光来焊接牙科用的合金Co-Cr-Mo和义齿修复用的 Pd-Ag-Sn铸造板。较慢的冷却速率斜坡可以用来进行更好的控制凝固过程和经常用来阻止内部缺陷的产生。因为Co-Cr-Mo合金具有较低的反射率，较快的斜坡式比较好的，相反，对于 Pd-Ag-Sn合金，由于该合金具有较高的激光反射率，其斜坡的增加缓慢是比较有益的。

　　
▲图2. 采用连续波激光而不是脉冲波激光来避免热裂纹的产生：（a）脉冲波激光；（b）连续波激光

　　▲图3. 不同的脉冲激光的搭接率对气孔状态的影响

　　总结和展望

　　同弧焊和连续激光焊相比较，脉冲激光焊接的应用历史比较短。在连续激光焊接的时候，额外的材料可以采用普通的办法来避免裂纹的产生。然而，对于一些微连接技术，包括脉冲激光焊接，注入添加焊丝有可能并不适用。另外一方面，焊接前的预热和冷却速率可以通过同步的编辑脉冲形状来实现。在工业应用的时候，轻金属如铝合金和镁合金不仅能够满足机械部件强度的要求，同时还可以满足绿色产品轻质的要求。许多问题如气孔和裂纹，在焊接铝合金和镁合金的时候回会经常发生。经过证明，脉冲激光焊接，脉冲整形可以用来减少焊接凝固过程中的冷却速率而排出裂纹，气孔也可以通过熔池的搅拌或焊接点的再熔化来消除。镍基合金的液化裂纹精密的同基体材料的相组成密切相关，同时是脉冲激光所不可避免的。在脉冲激光的低热输入的条件下，可以显著的提高铝合金，镍基合金和不锈钢的焊接变形。通过条轮提出的预测裂纹敏感性的指数，我们可以更加综合的理解在焊接合金时的凝固裂纹的产生原因和形成过程。因此，基于铸造的状态，其指数并不适合脉冲激光的快速凝固过程。因此，非常有必要进一步的优化裂纹敏感指数和期待更加精确的预测合金在脉冲激光焊接时的裂纹。

　　▲图4. 降压脉冲逐渐增加脉冲宽度得到的俯视图

　　▲图5. 数值模拟的结果和采用某一脉冲形式进行加工得到的高速摄影的结果

　　▲图6. 几种不同的脉冲形状及其相应的能量