1高溫合金的激光焊接

激光焊接是一種利用高能量密度激光束作為熱源的高效精密焊接方法。隨著航空航天、微電子、醫(yī)療和核工業(yè)的快速發(fā)展，對材料性能的要求越來越高，傳統(tǒng)的焊接方法難以滿足要求，因此激光焊接得到越來越廣泛的應(yīng)用。激光焊接具有能量密度高、熔深大、精度高、適應(yīng)性強、無需真空裝置、熱輸入小、熱影響區(qū)小、焊縫深寬比大、焊后變形小、表面光滑、可自冷淬火等特點。非常適合焊接高溫合金。

2激光焊接機制

激光焊接的原理是光子轟擊金屬表面形成蒸汽，蒸發(fā)的金屬可以阻止剩余的能量被金屬反射。如果要焊接的金屬具有良好的導(dǎo)熱性，它將獲得更大的熔深。激光在材料表面的反射、透射和吸收，本質(zhì)上是光波電磁場與材料相互作用的結(jié)果。當(dāng)激光進入材料時，材料中的帶電粒子按照光波的電矢量的步調(diào)振動，這樣光子的輻射能就變成了電子的動能。吸收激光后，首先產(chǎn)生一些粒子的過剩能量，如自由電子的動能、束縛電子的激發(fā)能或過剩聲子。這些原始激發(fā)能經(jīng)過一定的過程轉(zhuǎn)化為熱能。

根據(jù)激光輸出能量的方式不同，激光焊接可分為脈沖激光焊接和連續(xù)激光焊接。根據(jù)激光聚焦后作用在工件上的激光光斑的功率密度不同，激光焊接可分為熱傳導(dǎo)焊接和深穿透焊接(小孔焊接)。用于熱傳導(dǎo)和焊接的激光光斑功率密度小于10瓦/厘米？激光將金屬表面加熱到熔點和沸點之間。焊接時，金屬材料表面將吸收的激光能量轉(zhuǎn)化為熱能，即金屬表面溫度升高熔化，然后通過熱傳導(dǎo)將能量傳遞到金屬內(nèi)部，使熔化區(qū)域逐漸擴大，凝固后形成焊點或焊縫。在這種焊接模式下，熔化深度低，深寬比小。主要用于焊接薄而小的工件。

深層焊接，當(dāng)激光光斑上的功率密度足夠大(^106W/cm2)時，金屬在激光的照射下被迅速加熱，其表面溫度在極端時間內(nèi)上升到沸點，使金屬熔化汽化，在液態(tài)金屬中形成充滿金屬蒸氣的細(xì)長孔洞進行焊接。當(dāng)孔形成時，激光束進入孔中。通過菲涅爾吸收機制，孔洞相當(dāng)于一個吸光黑體，大大增加了材料對激光能量的吸收率，從而焊縫熔深大。熱毛細(xì)作用大大加速了小孔頂部的熱流，導(dǎo)致焊縫頂部變寬，稱為深熔激光焊接。

3合金高溫激光焊接中的熔池行為

在激光深熔焊接中，熔池中小孔的深度和形狀與等離子體狀態(tài)密切相關(guān)。如果等離子體控制不好，等離子體狀態(tài)(包括電子密度、等離子體長度和擴散角)的波動會導(dǎo)致火焰池中小孔深度和形狀的波動。由于孔洞深度和形狀的波動(即孔洞形狀的擴大或縮小)，保護氣體和金屬蒸氣會在孔洞底部形成氣泡，然后氣泡會上浮，隨著熔池的快速凝固，以氣孔的形式停留在焊接熔池底部(第一種氣孔)。在激光深熔焊接中，隨著激光功率密度的增加，熔池的小孔會變得不穩(wěn)定，因此焊縫中的氣孔會急劇增加。焊接熔池的不穩(wěn)定是氣孔形成的主要原因。

與常規(guī)焊接相比，激光焊接具有以下優(yōu)點，因為其焊接速度快，熔池冷卻快。(1)焊接熔池的液固邊界存在較大的溫度梯度；(2)焊接熔池在快速凝固下結(jié)晶，結(jié)晶方向與焊接熔池的流動方向密切相關(guān)；(3)焊接區(qū)的熱影響區(qū)小。