激光钎焊质量影响因素分析综述

郭峰，王彤彤，张波

（中国瑞林工程技术股份有限公司，江西南昌 330038）

随着制造业的不断发展， 越来越多的新技术被引入到焊接领域中，激光钎焊就是其中之一。与传统点焊相比，激光钎焊是一种高效、可靠、用途广泛的连接工艺。近年来，激光钎焊技术连接铝合金时的高效、优质受到了研究人员的广泛关注。相较传统的点焊工艺，激光钎焊在保证强度的同时，还具有如下优势：1）激光钎焊焊接光束能量密度高、热影响区域小、焊接速度快、变形小、噪声小；2）能精确调节和控制热输入值，且热输入值低，镀锌层烧损少，可减小焊件的变形；3）焊缝成形美观、质量稳定，焊后仅需简单处理甚至无需处理。由于钎焊过程复杂。影响因素众多，为了保证产品的高质量有效输出，有必要对影响焊接质量的因素进行分析， 以便在日常生产过程中做到及时响应。

1 激光钎焊原理

钎焊的原理是采用熔点比母材低的钎料， 利用高于钎料熔点、低于母材熔点的加热温度，使钎料熔化，而母材不熔化；利用液态钎料润湿母材，在钎缝间隙毛细作用下，使液态钎料自动填充到母材间隙中去，与母材相互扩散形成连接[1-2]。

激光钎焊是钎焊技术的一种。 它是以激光为热源加热钎料熔化，其主要特点是利用激光的高能量密度实现局部或微小区域快速加热以完成钎焊[3-4]。根据加热温度的不同，激光钎焊分为软钎焊和硬钎焊技术。 激光液相线温度低于450 ℃的， 称为软钎焊；钎焊液相线温度高于450 ℃而低于母材金属熔点的，为硬钎焊[5]。 软钎焊主要用于印制电路板电子元器件的焊接，硬钎焊则在有色金属的连接方面具有较大的优势。

实践证明，采用激光硬钎焊银、铜、镍、金和铝等具有良好的效果，其焊缝金属组织晶粒更细、硬度更高。由于钎焊加热时温度较低，故对激光功率密度的要求也较低，一般采用散焦的方式进行加热。这样做既可以降低功率密度， 又可以根据钎缝尺寸灵活调节光斑大小和形状[6-7]。

钎焊接头通常采用卷对接和搭接两种方式。 卷对接方式是指钎焊丝从激光前端送入有利于焊接过程稳定；搭接方式是指钎焊丝从侧下方水平送入，有利于焊接过程稳定[8-9]。

2 质量影响因素分析

近年来，随着激光焊接设备成本逐渐降低，在制造业的各个领域激光焊接技术得到广泛的应用，成为焊接领域的新发展方向[10-11]。激光钎焊具有外成形美观、焊接效率高、焊缝均匀、焊接强度高等一系列优点。但与其他焊接方法相比，激光钎焊对各参数要求较高。 各参数偏差对激光钎焊质量影响比较显著[12]，比如常见的激光钎焊质量缺陷有焊缝偏移、焊缝气孔、焊缝漏焊等。 根据钎焊原理分析，影响激光钎焊的质量因素主要分激光、送丝机、钎料3 个方面。

2.1 激光参数的影响

激光参数的不同会对激光钎焊质量产生不同的影响。 影响激光钎焊质量的主要激光参数包括激光类型、激光功率、激光扫描速度、激光束倾角等方面[13-14]。

2.1.1 激光类型

激光器的种类有很多， 不同种类的激光器产生的激光能量型式不一样。 激光的能量型式一般分为高斯型和平顶型：高斯型发出的能量不均匀，往往过于集中，导致加工过程材料受热不均匀；平顶型使加工过程中材料受热相对更均匀。

2.1.2 激光功率

激光功率为焊缝提供能量， 因此是影响钎焊质量的关键因素。 若激光功率过小， 焊接能量输入不足，钎焊温度较低，会使钎料的流动性不好，焊缝金属润湿铺展效果较差，不能充分填缝形成有效连接。即使降低焊接速度以保证其线能量， 但钎缝的散热时间也会随之相应增加，钎焊温度仍然较低，焊缝成形依旧会较差。若激光功率过高，则光斑的功率密度较高，容易使钎料过热造成焊丝金属烧损，即使提高钎焊速度，由于激光加热速度很快，钎料的局部温度仍然偏高，钎料也会有向外喷射的迹象[15-16]。 尹燕等[17]利用小功率光纤激光器对铝制空调换热器进行激光钎焊试验研究，分析了激光功率对钎焊接头性能及微观组织的影响。 结果表明：钎焊接头成形良好，焊缝熔合线长度合格；液态钎料的润湿铺展性能随着激光功率增加而显著改善； 接头通过基本耐压性能试验及气密性检验的比率均随这激光功率的增大而增加。 另，钎焊接头焊缝主要由α(Al)固溶体及针状或树枝状共晶Si 组成，界面区为单相α(Al)固溶体。随着激光功率的增大， 焊缝晶粒略有长大。 Steffen Wachsmuth 等[18]研究了不同激光功率调整对接头性能的影响。 该研究通过目视表面检查、 显微截面分析、 准静态拉伸强度试验和动态弯曲试验对接头进行检查，还研究了锌涂层类型对电镀锌（EG）和锌铝镁（ZM）涂层钢的影响。 研究表明，在相对较高的激光功率下，使用EG 涂层制造的接头优于使用ZM 制造的接头，因为在动态测试期间，使用EG 的接头比使用ZM 的接头能多承受94%的负载循环。 Weimin Long 等[19]首次研究了激光功率对激光钎焊金刚石涂层形成机理的影响，并对其界面组织进行了研究。采用BNi-2 合金钎料作为钎焊材料， 利用光纤激光器在65Mn 钢基体上制备钎焊金刚石涂层。 激光光斑以3 m/s 的稳态速度扫描， 随着激光功率的增加，BNi-2 合金钎料层逐渐熔化并充分铺展， 直至达到1.1 kW 的激光功率。 但激光功率的进一步增加导致金刚石磨粒表面强烈的石墨化和热损伤。 当激光功率增加到1.3 kW 时，金刚石发生断裂。 显微组织研究表明， 在金刚石与BNi-2 合金基体的界面处形成了CrC 和 BC 碳化物。

2.1.3 激光扫描速度

Weimin Long 等[20]在稳态功率下对激光光斑进行扫描，考察了激光扫描速度对形成机理的影响。其采用尺寸为5 mm×5 mm 的方形激光光斑，以预置的BNi-2 合金钎料为钎焊材料， 在65Mn 钢基体上制备钎焊金刚石涂层。 在较小的激光扫描速度(1 mm/s和2 mm/s)下，焊料充分熔化形成了小的液球，且由于加热温度高、流动性好，可以快速流入左液熔池。随着激光扫描速度的增加(3 mm/s)，未完全熔化的焊料由于焊料区域熔化不平衡程度较大， 使涂层翻转到液态熔球。初始液态熔球不断聚集长大，最后与熔池接触并融合在其中。 但当扫描速度达到4 mm/s时，由于激光光斑照射时间的缩短，焊点无法完全熔化。 该研究结果表明不同激光扫描速度确实对焊接质量有影响。

2.1.4 激光束倾角

激光束倾角是指焊丝与焊接方向形成的平面内激光与工件的夹角。减小拖曳角或者激光束倾角，对焊缝质量提升有利[21]。Mohammadpour Masoud 等[22]采用实验和数值方法研究了激光束倾斜角度对镀锌钢飞溅发生和激光钎焊质量的影响。高速录像显示，飞溅主要发生在润湿线和熔池前沿， 主要由逸出的锌蒸气与熔体材料发生相互作用导致。 该研究应用开发的热流体模拟模型，在考虑激光—材料相互作用、润湿动力学、材料熔化和凝固机理的基础上，研究了给定光束角时， 钎焊过程中锌蒸发前沿和润湿前沿位置的温度分布。研究发现，负移动角有助于将锌蒸发前沿移动到润湿前沿之前， 从而减少锌蒸气和熔池之间的相互作用。

2.2 送丝过程的影响

送丝过程主要的影响因素包括送丝速度、 热丝电流等。

2.2.1 送丝速度

激光钎焊焊接速度与送丝速度及激光头移动速度密切相关。 焊缝的焊丝填充量由所要求的焊缝面积和板件搭接焊缝长度决定， 焊丝单位时间的填充量由焊丝的截面积和送丝速度确定。 这些参数值必须与激光头的移动速度协调一致才能保证焊丝的填充量达到最佳效果。因此，焊接速度与送丝速度的匹配程度，直接影响着焊缝的填充量，进而影响接头强度。 一般情况下，给定适当的激光功率，焊丝直径选择1.6 mm 时， 焊接速度/送丝速度在60%～120%范围内，比例越小，钎料填充量越大。钎料填充量过大，焊缝就会出现凸起、波浪等现象；钎料填充量过少，则会出现焊缝塌陷、焊缝宽度小、接头强度下降等问题。 D. Narsimhachary 等探究了送丝速度对铝/镀锌钢激光钎焊接头力学微观组织特征的影响。 该研究采用直径为2 mm 的实心AlSi12(AA4047) 焊丝对2 mm 厚镀锌钢板与5083 铝合金进行激光钎焊连接。在激光功率(3.5 kW)、扫描速度(2.5 m/min)和光斑尺寸(1.7 mm)一定的情况下，用不同的送丝速度进行实验，并在SEM 下对腐蚀样品的微观结构观察。 结果表明，在钎焊区有铸态组织，并且在镀锌钢上有双层(平面和针状结构)界面，在铝侧观察到HAZ；接头强度随着送丝速度的增加而增加， 并最终记录界面失效。低应变幅下，激光钎焊接头的疲劳寿命随送丝速度的增加而延长，且与铝基材料(AA5083)值相近。

2.2.2 热丝电流

为了促进焊丝融化，需使用电流对焊丝预热。通过热丝，可以提升焊缝的质量和焊接效率[23-24]。 如果在激光钎焊加工过程中出现飞溅物， 那就说明加热电流已经到了最高上限。如果焊缝表面越来越粗糙，说明加热电流在下限范围。 热丝电流通常取在50～160 A 之间。沈义[25]研究了不同热丝电流下的焊缝成型规律。 实验表明，无论是否通热丝电流，在稳定的参数下，都可以有稳定的焊缝成型。 无热丝电流，焊缝整体流动性较差， 被激光熔化的焊丝整体铺展在母材的表面，表现出较宽的熔宽。随着热丝电流的增加，熔化的焊缝金属流动性增加，逐渐流动到更底层的母材，表现出焊缝熔宽变窄，焊缝出现上表面下凹的弧线型。随着热丝电流的进一步增加，焊接过程中的飞溅明显增大， 焊缝与母材搭接处出现镀锌层被烧损而发黑的黑边，而且焊缝下凹程序增加。理想的焊接参数，需要在控制飞溅量的同时，表面无明显下凹，合适的电流范围为80～120 A。

2.3 钎料的影响

钎料对激光钎焊质量的影响主要是由焊材类型、钎料直径导致。为了保证良好的浸润性及对激光的吸收率， 填丝一般选用CuSi3， 熔化温度范围为910～1 025 ℃，Cu 质量分数不低于 94%，Si 质量分数不超过4%。焊丝直径可选择1.0 mm、1.2 mm 和1.6 mm。 为了保证填丝速度，常见选用1.6 mm。 选择合适的焊材类型、钎料直径跟焊接质量有密切的关系[26]。Dharmendra 等[27]将锌、铝质量分数分别为85%和15%的Zn-Al 焊丝作为研究对象， 使用连续脉冲Nd YAG 激光器对DP600 镀锌钢和AA6016 铝合金搭接接头进行熔钎焊。试验中通过改变激光功率、送丝速度、焊接速度，验证机械阻力对金属间化合物厚度所产生的影响。 机械阻力随金属间化合层均正向增加时，金属间化合物厚度小于8 μm；而机械阻力减小时，其厚度则大于12 μm。 这是由于，化合物层较薄时，会产生裂纹沿脆性金属间化合物层，从而影响断裂强度；相反，当化合物层比较厚时，较其他区域而言其脆性较大，导致机械抗力很低。 Laukant 等[28]以ZnAl2钎料对铝/钢激光熔钎焊作为研究对象，实验中产生了大约5 μm 的FeAl 金属间化合物层，接头剪切力达 9 kN。 Rajashekhara Shabadi 等[29]以锌铝合金钎料作为研究对象，进行了激光熔钎焊试验。在钎料ZnAl30 上展开了相应研究，试验结果产生的金属间化合物主要为Fe2Al5Znx， 同时伴随有ZnFeAl3，其厚度在 10 μm 左右。 Sierra 等[30]采用 4047(Al-12Si)钎料作为实验对象，探索了铝/钢激光熔钎焊连接，实现了无明显宏观缺陷的连续接头，并产生薄的Fe-Al-Si 金属间化合物层。 在探索硅元素对铁铝合金金属间化合物生长的影响中，以Al-12Si 钎料作为对象来展开实验。 还有学者探究了不使用钎料来进行焊接，例如Peyre 等[31]采用激光熔钎焊的方法探索了在不使用钎料的情况下连接镀锌钢和铝合金；并从表面方面、 界面微观结构和拉伸试验下的机械阻力等方面对非镀锌和镀锌DCO4钢的接头性能进行了研究；同时还进行了热和扩散有限元模拟，以计算界面处的温度历史和反应层厚度。 研究发现沿界面形成的2～20 μm 厚的反应层主要由具有高硬度(1 200 HV)和较低延展性(存在凝固裂纹)的Fe2Al5金属间化合物组成。 尽管由于锌的蒸发在熔池中形成了闭塞孔，但钢上存在10 μm 厚的锌层对接头的润湿特性产生了有益的影响。因此得出结论：激光诱导润湿技术是一种在没有填充材料的情况下生成铝钢接头的相当有效的方法， 并且应将其视为与固体组装模式相比具有竞争力的技术。

3 结论

焊接在汽车、制造业、航天业、国防军事等行业扮演者愈加重要的角色。在这些行业中，对焊接接头的机械性能和可靠性标准很高， 这就使焊接质量优良、高效激光钎焊显得更加重要。由于钎焊过程的复杂性，激光钎焊的质量影响因素是综合性的，在改进优化激光钎焊技术时， 考虑多方面影响因素更具有工程意义。 现在已经有许多学者在针对激光焊接质量的多种影响因素进行研究， 但是最常见的方式仍是通过正交方法做出实验，统计数据并分析，以此来得到最佳参数。 这种方法简单、通用，在一定程度具有优越性，但是由于正交试验固有的缺陷，利用此方法所确定的参数并不一定能保证最佳的焊接质量。随着工业大数据和深度学习的快速发展， 可以在大数据的背景下搭建深度学习模型， 凭借深度学习模型强大的特征提取能力和非线性拟合能力， 确定多因素最优参数， 依托人工智能的发展来带动激光钎焊的进步。