激光深熔焊接大梯度残余应力的演变与表征研究

（图片来源于网络）

激光深熔焊:

当功率密度比较大的激光束照射到材料表面时，材料吸收光能转化为热能，材料被加热熔化至汽化，产生大量的金属蒸汽，在蒸汽退出表面时产生的反作用力下，使熔化的金属液体向四周排挤，形成凹坑，随着激光的继续照射，凹坑穿入更深，当激光停止照射后，凹坑周边的熔液回流，冷却凝固后将两焊件焊接在—起。

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这两种焊接机理根据实际的材料性质和焊接需要来选择，通过调节激光的各焊接工艺参数得到不同的焊接机理。这两种方式最基本的区别在于：前者熔池表面保持封闭，而后者熔池则被激光束穿透成孔。传导焊对系统的扰动较小，因为激光束的辐射没有穿透被焊材料，所以，在传导焊过程中焊缝不易被气体侵入；而深熔焊时，小孔的不断关闭能导致气孔。传导焊和深熔焊方式也可以在同一焊接过程中相互转换，由传导方式向小孔方式的转变取决于施加于工件的峰值激光能量密度和激光脉冲持续时间。激光脉冲能量密度的时间依赖性能够使激光焊接在激光与材料相互作用期间由一种焊接方式向另一种方式转变，即在相互作用过程中焊缝可以先在传导方式下形成，然后再转变为小孔方式。

激光焊接的焊缝形状:

对于大功率深熔焊由于在焊缝熔池处的熔化金属，由于材料的瞬时汽化而形成深穿型的圆孔空腔，随着激光束与工件的相对运动使小孔周边金属不断熔化、流动、封闭、凝固而形成连续焊缝，其焊缝形状深而窄，即具有较大的熔深熔宽比，在高功率器件焊接时，深宽比可达5：l，最高可达10：1。

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导读：激光焊接与传统焊接相比，具有诸多优势。

传统焊接

目前使用的大部分传统（非激光）焊接技术都源自电弧焊。在使用这类焊接时，首先要使两块金属接触或紧密靠近，通常，金属的边缘可能已经过成型处理，以方便焊接。电焊条和接触区域之间形成高压，从而产生可熔化焊接材料（或者，在某些情况下熔化其他焊补材料或焊条本身）的电弧。熔化的焊接材料填充或覆盖工件之间的所有缝隙，凝固后将各部分结合在一起。

大部分电弧焊方法的主要优点是它们具有相对较低的成本，尤其是在固定设备费用方面。而且，电弧焊技术接受度高，应用广泛，并已建立完善的生产和测试标准，因此不需要长时间学习即可应用相关的工艺。而电弧焊的主要缺点在于会让部件承受高温。这会在熔化的焊接材料中形成金相组织，导致焊缝强度降低，并且焊缝附近的热影响区域相对较大。此外，电弧的直径受局部电场的影响，因此无法独立设定。

激光深熔焊接

大部分激光焊接技术可以归入两个基本类，即“深熔”焊接和“热传导”焊接。这两种焊接模式既可以自熔（即，不使用焊补材料）方式进行，也可以在需要时使用焊补材料。

深熔，或称作深度穿透焊接。常见于以高激光功率焊接较厚的材料。在深熔焊接中，激光聚焦在一起从而在工件上形成极高的功率密度。事实上，激光束聚焦的部位会使金属气化，令金属熔池中出现一个盲孔（即深熔孔）。金属蒸气压力会挡住周围熔化的金属，使盲孔在焊接过程中始终处于开口状态。激光功率主要在蒸气与熔体边界和深熔孔壁处被熔体吸收。聚焦的激光束和深熔孔沿焊接轨迹持续移动。焊接材料在深熔孔前方熔化，并在后面重新凝固形成焊缝。

微小的深熔孔区域形成精确的窄熔化区，与电弧焊方法相比，它具有较高的纵横比（深度与宽度之比）。而且，高度集中的热量意味着工件的基体可以起到有效的散热作用，因此，焊接区域能够迅速地升温和冷却。这可在最大程度上减小受高温影响的区域面积，并降低晶粒生长。因此，激光产生的焊缝通常比电弧焊强度更高，这是它的主要优点之一。

激光焊接还能提供比电弧焊更好的灵活性，因为它可以用于大量材料，包括碳钢、高强钢、不锈钢、钛、铝，以及贵金属。由于材料熔化温度差异和热传导不会对焊接过程造成明显影响，因此激光焊接还可以用于焊接异种材料。

此外，如果考虑所有的加工步骤，激光焊接相较传统方法有着明显的成本优势，特别是精确的热量应用可以最大程度降低焊接点和整个部件的变形。因此在许多情况下，不必进行后期加工。激光焊接还能在较长距离上投射激光束，并确保基本没有功率损失，这使之易于融入其他生产流程，且能够很好地与工业机器人进行集成。最后，它还能以更小的法兰尺寸实现新的产品配置，这对轻型汽车而言至关重要。