激光熔滴焊技术优化探究

图14.40 激光熔滴焊

激光熔滴焊（Laser Droplet Welding，LDW）的研究主要是为了解决激光焊接中存在的一些问题，如间隙的桥接、高反射率材料的焊接、金属化薄层和热敏材料的焊接等。进行激光熔滴焊时，焊丝端部在脉冲激光的照射下会形成液态金属熔滴，图14.40a给出了激光熔滴焊系统的组成结构，包括可分为三束光的Nd∶YAG脉冲激光器、送丝系统、目标定位系统、保护气供气系统和激光光路的机械定位系统^[79，80]。

熔滴焊过程可以分为5个阶段：熔滴形成、熔滴脱离、熔滴下落、熔滴着陆和熔滴凝固。图14.40b为采用直径0.6mm的Ni丝进行激光熔滴焊时的优化激光脉冲波形。在功率为P₁的t₁阶段熔化焊丝形成熔滴；在t₂阶段激光功率下降到P₂，持续送丝，保证激光聚焦位置形成液态熔滴；在一个短暂的峰值功率P₃作用下，熔滴从焊丝脱落。注意t₂阶段，焊丝要持续送进，防止P₃高脉冲激光直接作用在熔化金属上产生飞溅，而且，熔滴的下落时间必须很短，以保证其处于高温状态。

连接一些微小部件时，熔滴的定位精度非常重要，图14.41为熔滴过渡频率为3Hz的焊接结果。可以看出，其定位误差在±0.5mm范围内，定位精度与板上的熔滴间距（1.3～4mm）无关。熔滴下落到母材时，最初的接触角接近90°，随着熔滴在母材上的润湿铺展，接触角不断减小。最后阶段，熔滴和母材以很高的冷却速度凝固（连接），并形成很窄的热影响区。

图14.41 激光熔滴焊的熔滴排布情况

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图14.42 两片200μm厚不锈钢板的Ni激光熔滴焊

图14.42为Ni熔滴连接两片200μm厚的不锈钢板，板间间隙为200μm。采用两个熔滴进行连接，其中熔滴被精确定位于间隙的中心线上（在保护气经过间隙时产生的毛细和层流作用影响下，可以实现自对准，实现熔滴的精确定位）。从图上看，工件上的热影响区较窄，但工件末端有部分材料熔化，会影响接头性能，从右侧图片可以清楚看出该区域发生了材料的混合。

根据经验，精确控制熔滴能量可以实现一些精密元件的连接，如Ag箔片与Si基体上的金属薄层之间的连接，如图14.43a所示^[81]。并且，激光熔滴焊非常适合于不同材料、不同形状和尺寸工件的连接，如图14.43b所示。由于熔滴具有一定体积，激光熔滴焊还可以实现间隙处的桥接。另外，它还可进行金属丝与箔片之间的连接^[79]。

图14.43 熔滴焊实例

据报道称，采用激光熔滴焊技术现已成功实现了Ti和不锈钢之间的熔化连接。由于Ti和不锈钢的热膨胀系数有很大差异（Ti的热膨胀系数为8.9×10^-6K^-1，不锈钢为16×10^-6K^-1），且凝固时易形成脆性金属间化合物，因此，传统的焊接方法难以实现Ti和不锈钢连接^[82]。目前，Ti和不锈钢只能采用固相连接，如扩散焊，但这一方法对材料表面的要求较高，且需要高温、高压和适当的焊接时间。此外就是摩擦焊，但摩擦焊对工件大小和几何形状有一定限制。