激光钎焊研究现状与展望

刘大双，赵紫强，魏萍，董智慧，梁云，赵前程

1.江苏科技大学材料科学与工程学院 江苏镇江 212003

2.合肥工业大学材料科学与工程学院 安徽合肥 230009

3.马鞍山钢铁股份有限公司技术中心 安徽马鞍山 243000

1 序言

自20世纪60年代第一台激光器问世，从此开启了激光应用时代[1]。激光焊接是一种以激光束为热源的高效焊接方法。根据作用在工件上实际的功率密度，激光焊可分为热传导焊和深熔焊两种方式。热传导焊时，熔池表面封闭，而深熔焊时熔池则被激光束穿透成孔；同时，较之深熔焊，热传导焊在产生焊缝的过程中所受气体的影响程度较小，但焊缝熔深更浅，速度更慢[2]。此外，由于激光固有的能量集中特性，激光也被应用于熔钎焊工艺，实现

基金项目：中国博士后科学基金面上项目（2016M601753）。

因此，激光钎焊因其特有的优点，近年来被广泛应用于板料（尤其是薄板）的精密成形，并在微间距元器件精密连接方面显示出很大潜力，已成为当前研究的热点课题之一[10，11]。

2 激光钎焊设备及方法研究

2.1 激光钎焊设备发展现状

钎焊选用的热源通常有火焰钎焊、炉中钎焊、感应钎焊和激光钎焊等[12-16]。激光钎焊系统主要由激光器、激光镜组、防护用的激光焊接房、传导激光的光纤等部件构成。首先，激光束通过激光发生器聚焦于焊丝端部，焊丝受热熔化形成金属熔体、浸流入待焊板件之间缝隙中，之后冷却凝固，从而形成具有冶金结合的钎焊层[17]。由于在钎焊时钎料熔化，而母材不熔化，有利于获得良好的焊缝表面成形，这既提升了产品美观度，又增强了密封性，如图1所示[18]。激光钎焊选用的设备：机械手主要有KUKA[19]、FANUC[20]、ABB[21]、COMAU[22]等品牌；激光器可选用IPG、通快Trudiode系列激光器、Laserline LDF5000-6二极管激光器；激光镜组是Scsnsonic ALO1或ALO3系，送丝功能的实现一般采用福尼斯VR1500系列送丝机，相应的热丝电源为福尼斯TPS4000系列电源。

图1 GLK举升门激光钎焊焊缝[18]

随着激光钎焊系统的逐渐建立，激光钎焊的应用越来越广。根据加热温度的不同，钎焊分为软钎焊和硬钎焊。

2.2 激光硬钎焊研究

硬钎焊是指钎料液相线温度高于450℃的钎焊工艺，主要用于镀锌钢板和结构钢的连接等。需要指出的是，大多数有色金属对激光的反射率较高，材料的热导率较高，因此激光熔化焊需要较高的功率。而激光硬钎焊用于有色金属连接时具有独特优势，激光硬钎焊对Ag[23]、Cu[24]、NiF[25]、Au、Al[26-28]等基体材料具有良好的效果，有效消除了裂纹的出现，且钎缝组织细小[29]，沉积层晶粒更细小、强度更高。

覃志明[30]对隧道钢拱架材质及焊接性进行了分析，并以工字钢钢拱架为例进行了硬钎焊工艺设计研究，以期为隧道支护安全设计提供参考依据。黄永贵等[31]通过向AgCu28共晶粉末中添加适量活性元素Ti、Zr，制备了AgCu28-4.5Ti 和AgCu28-4.5Ti-4Zr 两种活性复合钎料，研究了脉冲激光作用下两种钎料的润湿性能。研究发现，由于活性元素Zr的添加，AgCu基钎料的润湿角降低约10°，钎焊性能得以提升。

2.3 激光软钎焊研究

软钎焊所采用的钎料液相线温度低于450℃，因此可实现在450℃以下的钎焊连接。激光软钎焊具有非接触式加热、局部微区快速加热、焊接参数精确可控、易于实现自动化等特点[32]。激光软钎焊采用激光为热源，对引线进行辐射加热，并采用焊膏传热给基板，在温度达到钎焊的要求时，能使焊膏熔化，将基板与引线均匀润滑，出现焊点[33]。钎料与被焊金属之间依靠元素扩散，并可能形成金属间化合物层，从而达到冶金连接作用[34，35]。激光软钎焊集成电路多采用YAG激光器，主要用于印刷电路板电子元器件的连接。

激光软钎焊有很多技术特点，主要表现为非接触式加热，对待焊材料形状尺寸无要求；局部精确加热，热影响区小；易于实现自动化，可实现常规方法不易施焊部位焊接及多工位连续焊接；重复操作稳定性好，钎剂对焊接工具污染小；激光束易于实现分光，能实现多点同时对称焊；焊接参数精确可控；焊点小，可达0.1mm2甚至更小，而且焊点可靠[36-39]。

夏海洋等[40]基于激光软钎焊的片式微波组件气密封装工艺试验研究，具体探讨了工艺参数（焊接结构、热台温度、激光功率、离焦量、焊接速度及助焊剂等）对焊缝成形的影响，分析了接头微观组织及密封组件的气密性，如图2所示。张伟[41]认为，激光软钎焊技术有利于提高微电子元器件半导体组件批量制造技术和多芯片系统组装的产品合格率，延长产品使用寿命。黄波等[42]利用Coffin-Manson方程，计算激光软钎焊焊点在热循环温度作用下的热疲劳寿命，发现电连接器激光软钎焊焊点在热循环作用下，最大应力-应变位于中间部位的焊点与金属Pin相互接触处，其疲劳寿命最低，为1146次。

通过在6上105-2工作面进行顶煤结构钻孔探测、覆岩导水裂隙带观测、地表钻孔深基点岩移及综放支架实测工作阻力分析，得出了工作面初采阶段综放采场顶板结构模型，如图1所示。

图2 壳体与盖板激光钎焊密封接头上部横截面扫描 电镜照片[40]

3 激光钎焊工艺研究

3.1 激光钎焊工艺参数对钎焊质量的影响

（1）激光功率 与激光熔焊相同，激光钎焊也使用CO2激光器或YAG激光器[43]。激光功率对钎焊接头的性能及微观组织都有很大的影响[44]，同时对外观形貌也有一定的影响。当激光功率过小时，焊丝熔速慢、铺展性差、效率低；当激光功率偏大时，焊丝熔速快，易导致送丝速度滞后而引起焊缝铺展间断现象。由于设备决定了激光额定功率，激光功率大小调节的重点在于焊接速度与送丝速度之间的匹配。许欣[45]以AZ31B镁合金焊丝为填充材料，采用激光熔钎焊连接AZ31B镁合金与Q235镀锌钢，分析不同激光功率对焊缝成形的影响，发现焊接功率为1800W时，液态金属在镀锌钢表面润湿铺展良好，焊缝成形美观（见图3），形成典型的熔钎焊接头，且接头的拉剪力最高。

图3 激光熔钎焊接头成形情况[45]

（2）光斑直径 激光钎焊通常采用散焦光斑，钎焊缝宽度需要合适的光斑大小，焊缝成形受到光斑大小的影响。一般说来，钎料的铺展受到光斑直径的影响较大，如果光斑直径过小，则会导致母材受热不足，铺展的钎料冷却过快致使铺展受限；如果光斑直径过大，则会造成熔化困难（激光功率不足时）或严重烧损母材（激光功率足够时）的情况。黄永德等[46]采用YAG低功率脉冲激光对0.4mm纯钛薄片的微孔进行封焊，研究光斑直径对焊缝成形的影响规律，发现当光斑直径≤0.4mm时，小孔能够完全封接，封接区有效厚度随着光斑直径的增大呈先增大后减小的趋势。

（3）钎焊速度 激光钎焊速度主要取决于激光功率。激光功率越大，钎焊速度越快，但是速度过慢或过快，均会影响焊缝成形和焊件的力学性能[47]。焊接速度决定着生产效率，通常焊接速度越快，生产效率越高，但对于过渡段焊缝或半径较小的圆弧段焊缝，由于过快的焊接速度会产生离心力，从而阻碍熔融钎料的铺展，破坏焊接过程稳定性。在设定的焊接速度下，需要根据焊缝填充量来选择与之相匹配的送丝速度。龙伟民等[48]使用镍基填充合金（BNi2焊料）在氩气保护条件下，通过光纤激光将金刚石颗粒钎焊于钢基体，并研究了不同扫描速度下激光钎焊金刚石涂层的机理。

（4）送丝速度 送丝速度大小主要考虑钎缝填充和良好成形，送丝速度过快时易导致焊丝熔化不充分。送丝速度与焊接速度之间一般保持1∶1的比例匹配，并根据实际情况进行微调[49]。送丝速度影响着焊缝成形及相关力学性能，若送丝速度过快，则焊缝表面钎料易堆积，从而影响外观质量；若送丝速度过慢，则会使焊缝表面下陷，填充量不足从而降低焊缝的焊接强度。袁军军等[50]采用不同的送丝速度对5056铝合金和ST04Z热镀锌钢进行激光填丝熔钎焊对接试验，并对熔钎焊接头的微观组织和力学性能进行研究，发现随着送丝速度的增加，接头铺展性不断得以改善，接头（见图4）中间位置的微观组织中金属间化合物层的厚度先减小后增加，而接头抗拉强度呈现先增加后减小的趋势。

图4 不同送丝速度的焊接接头宏观形貌

3.2 激光复合钎焊工艺

刘云祺等[51]采用激光-MIG电弧复合热源实现了4mm和6mm厚的钢/铝异种金属对接接头深熔钎焊。发现激光-MIG复合深熔钎焊接头温度分布相较于电弧、激光熔钎焊而言较为均匀，接头下部的温度得到明显的提高，可有效增加液态金属在钢表面的润湿铺展程度，有利于获得良好的焊缝成形。蔡鹏飞等[52]采用激光深熔钎焊的方法系统研究了Q235钢板/5052铝合金板的接头特性。研究发现，接头的抗拉强度随着界面处的热输入量呈先增加后减小的趋势，断裂位置为金属间化合物层内部或其与母材的结合面处，脆性断裂特征明显，最高抗拉强度为55.2MPa。张国锐等[53]发现脉冲激光热传导焊接中的热输入量对焊缝形态和焊接质量有直接的影响，当热输入量较低时，焊缝边界热影响区较小、轮廓整齐、残余应力较低，并且没有裂纹缺陷，同时焊接样件的抗拉强度是环氧胶黏结样件的3倍以上。

4 激光钎焊应用技术

激光钎焊技术具有缝隙洁净、焊缝成形美观的优势[54]。激光钎焊广泛应用于汽车制造的各个环节，技术已趋成熟。由于激光焊接技术具有高效、高质的优点，美国知名汽车制造商克莱斯勒公司、福特公司、通用公司等最先将该技术应用于汽车制造，保障了其行业内的世界领先地位。目前，通用汽车、神龙汽车主要使用光纤激光器（见图5），而大众汽车则使用半导体激光器[55]。汽车制造中可视的外围接合件大量使用激光钎焊，如行李箱上下两部分的连接、顶盖与左右侧围的连接等，欧系、美系部分中高端车型，以及德系奥迪、大众所有车型及顶盖均采用激光钎焊，日系和国内自主品牌也开始采购激光钎焊设备，或正在进行相关研究[56]。

图5 光纤激光器

韩晓辉等[57]结合轨道客车激光焊接的技术特点，围绕不锈钢车体的零件精密成形、部件精细组装、无痕焊接工艺、智能质量监控及无损检测方法等形成了一系列的核心技术、关键装备和标准规程，建立了不锈钢轨道车辆激光焊接生产制造工艺体系，探讨大规模激光焊接制造不锈钢车辆的主要技术问题，并对激光焊在轨道客车制造行业的应用前景进行预测和展望。余魁等[58]研究白车身顶盖与侧围激光钎焊装配尺寸控制方法，提高顶盖侧围激光钎焊焊缝装配精度，降低激光焊缺陷率，发现顶盖与侧围产品的设计优化、冲压模具工艺和结构的创新和优化以及焊接工装夹具的适配性，以确保车身顶盖钎焊搭接部位的尺寸精度。张妍等[59]以设备应用及焊接质量优化等为重点，简述了激光钎焊及激光填丝熔焊在奔驰白车身上的应用，开发了激光钎焊及填丝熔焊焊接系统，设计了一套基于焊接姿态、焊接参数以及焊接轨迹的调试方法。

激光钎焊在金刚石工具制造中也有很多应用。利用激光钎焊制备金刚石工具，根据钎料特性不同选择合适的钎料，优化焊接参数，获得合适的激光能量输入范围，从而实现精准钎焊工艺[60]。激光钎焊便于控制金刚石磨粒热损伤和基体热变形。选用激光束进行钎焊的方法，还能获得磨削性能良好的加工工具。HUANG等[61，62]利用CO2连续型激光器进行金刚石工具钎焊，将Cu基钎料与金刚石颗粒均匀混合后涂覆于钢基体表面，当激光功率为450W时，获得直径为7mm，厚度为90μm的钎焊金刚石复合层；摩擦试验显示仅5%左右的金刚石磨粒脱落，表明了优良的耐磨性。李嘉等[63]在氩气保护下进行CO2激光钎焊试验，采用钎料为Ni-Cr合金钎料，金刚石粒度为40/50目（0.27～0.38mm）。结果表明，当激光功率为450W、扫描速度为0.3m/min时，活性元素富集于金刚石与钎料的界面处，生成Cr3C2碳化物。郭佳杰等[64]分别采用两种Ni-Cr钎料，并采用Nd：YAG脉冲型固体激光器进行激光钎焊试验，通过优化钎焊工艺均可实现金刚石与基体的冶金连接；此外，采用Ag-Cu-Ti钎料也可实现金刚石与铝合金基体的光纤激光钎焊[65]。

5 小结与展望

作为一种伴随激光技术发展起来的新型焊接技术，激光钎焊表现出明显优势。国内外研究者从焊接方法、焊接工艺及应用技术等方面开展了相关的研究，取得了有益的成果，未来将可能从以下几个方面进行持续深入的研究。

1）开展激光钎焊机理方面的研究，主要涉及激光钎焊热量传输原理、温度精准控制、界面冶金行为、力学性能调控等方面的试验及数值模拟研究，为进一步推广激光钎焊技术奠定理论基础。

2）开展激光钎焊方法的研究，特别是激光与其他能场复合钎焊，如激光和电弧、感应电磁、电流、超声场等方面复合钎焊技术，进一步提升激光钎焊质量，拓展激光钎焊技术应用范围。

3）开展激光钎焊设备方面的研究。当前主要还是使用传统的激光焊接设备，因此需要针对激光钎焊的特点，进一步开发激光钎焊专用装备，逐步实现激光钎焊设备的高效化、自动化和智能化，为高端装备制造及智能制造赋能。

4）开展激光钎焊材料方面的研究，重点研发与激光能量相匹配的专用钎料、钎剂，实现成分与热源、工艺的协同作用，开发绿色无害钎焊材料，为激光钎焊技术的发展提供坚实的材料支撑。