雷射輔助摩擦攪拌焊接
2008-03-06 14:31:14
雷射輔助摩擦攪拌焊接（Laser Assisted Friction Stir Welding, LAFSW）是一項(xiàng)新式改良后的摩擦攪拌焊接（Friction Stir Welding, FSW）技術(shù)，此制造技術(shù)的發(fā)展在最近10年內(nèi)已趨于成熟。由于在摩擦攪拌焊接過(guò)程中，焊接熱能乃是借助旋轉(zhuǎn)工具與接合工件間的摩擦而產(chǎn)生的，亦即需要施予較大的工作負(fù)荷，因此傳統(tǒng)摩擦攪拌焊接系統(tǒng)之設(shè)備結(jié)構(gòu)不僅復(fù)雜且制造費(fèi)用亦較昂貴。然而，雷射輔助摩擦攪拌焊接系先采用雷射能來(lái)加熱工件，然后再借助焊接探針來(lái)進(jìn)行攪拌動(dòng)作進(jìn)而接合工件。因此雷射輔助摩擦攪拌焊接系統(tǒng)能夠達(dá)到設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)易且制造費(fèi)用低廉的優(yōu)越性。
本文主要在敘述雷射輔助摩擦攪拌焊接技術(shù)對(duì)AZ91D鎂合金板之初步研究結(jié)果，文中並探討此制造技術(shù)的優(yōu)越性。
一、傳統(tǒng)摩擦攪拌焊接
摩擦攪拌焊接制造是一項(xiàng)相當(dāng)新的接合制造技術(shù)，目前此專利權(quán)乃歸屬于The Welding Institute[1]，ESAB AB則將其發(fā)展成具有商業(yè)用途的制造技術(shù)。此項(xiàng)技術(shù)陸續(xù)衍生出許多常見的摩擦焊接方法，早期主要應(yīng)用在鋁及其合金的接合技術(shù)[2]。然而在最近幾年，摩擦攪拌焊接制造則已被廣泛地應(yīng)用在其它輕金屬及其合金的接合技術(shù)[3-7]。
在摩擦攪拌焊接過(guò)程中，首先使用強(qiáng)而有力的夾具將欲接合的工件夾持固定在支撐板（backing plate）上，再將具有特殊輪廓外形的旋轉(zhuǎn)工具沿著工件欲接合位置移動(dòng)。由于材料受到壓力與摩擦熱的作用后將會(huì)使其產(chǎn)生塑化，因此可借助焊接探針來(lái)傳送此接合部位所需的熱能，進(jìn)而完成工件的接合。
當(dāng)鋁合金焊件厚度為40 mm時(shí)，可采用單邊式摩擦攪拌焊接制造，若其焊件厚度為75 mm時(shí)，則需采用雙邊式摩擦攪拌焊接制造[4, 6]。根據(jù)研究指出[3, 4, 6]，當(dāng)鋁、鎂合金采用摩擦攪拌焊接制造時(shí)，其將比傳統(tǒng)熔焊制造有較佳的焊接性能。
摩擦攪拌焊接制造可將熔焊過(guò)程中所產(chǎn)生的裂縫缺陷予以消除，且母材之合金元素也不會(huì)因蒸發(fā)作用而造成流失現(xiàn)象。此外，其焊道區(qū)域的形成主要是由于探針激烈的攪拌作用，因此將可獲致細(xì)晶結(jié)構(gòu)且?guī)缀醪粫?huì)產(chǎn)生氣孔缺陷，進(jìn)而可改善焊件機(jī)械性質(zhì)。
如下所述，摩擦攪拌焊接有許多優(yōu)越性：
1. 整個(gè)焊接過(guò)程相當(dāng)簡(jiǎn)單，且不需使用焊條或填料等消耗物。
2. 接頭邊緣不需前加工處理。
3. 焊接前不需事先清除工件表面的氧化物。
4. 整個(gè)過(guò)程可采用自動(dòng)化的焊接方式，且可采用全姿勢(shì)（all position）的焊接位置。
5. 對(duì)鋁、鎂合金焊件而言，摩擦攪拌焊接可達(dá)到高接合強(qiáng)度的性能要求。 6. 摩擦攪拌焊接可使用于對(duì)焊道裂縫敏感性較高的合金材料。
至于摩擦攪拌焊接的缺點(diǎn)則包括需要強(qiáng)而有力的夾具來(lái)將工件夾持固定在焊接工作臺(tái)上。此外，由于需要施予較大的工作負(fù)荷才能驅(qū)使旋轉(zhuǎn)工具進(jìn)行移行動(dòng)作，因此焊接探針會(huì)產(chǎn)生較高的磨耗率。
在Midling等人[8]所申請(qǐng)的專利范疇中，即針對(duì)摩擦攪拌焊接制造提出改良設(shè)計(jì)，其中包括在旋轉(zhuǎn)工具的前方采用移動(dòng)式感應(yīng)線圈來(lái)當(dāng)作熱源，借以提供位于焊接探針下方材料所需的熱能。當(dāng)材料受到熱能作用后將會(huì)產(chǎn)生塑化現(xiàn)象，至于焊接探針的主要作用乃在控制預(yù)熱材料的塑流型態(tài)，且可 破壞存在于工件表面的氧化薄膜。
然而此改良后的摩擦攪拌焊接制造仍存有某些缺失。例如無(wú)法利用感應(yīng)線圈在特定位置上予以精確加熱。所有傳導(dǎo)性材料，包含焊接探針與夾持裝置皆會(huì)受到感應(yīng)線圈中之電流所產(chǎn)生的熱能影響而受熱。此外，感應(yīng)電流可能會(huì)橫越焊接路徑進(jìn)而形成不良的放電火花。當(dāng)然利用感應(yīng)線圈加熱的方式，只能適用于傳導(dǎo)性材料，至于其他非金屬、非傳導(dǎo)性材料則無(wú)法適用此加熱方式。
二、雷射輔助摩擦攪拌焊接
為了要克服傳統(tǒng)摩擦攪拌焊接制造之缺失，遂發(fā)展出一套雷射輔助摩擦攪拌焊接系統(tǒng)[9]。此系統(tǒng)結(jié)合了工業(yè)用途的銑床設(shè)備及一套Nd : YAG雷射系統(tǒng)。至于雷射能的主要作用乃在預(yù)熱工件（位于旋轉(zhuǎn)工具前方的局部區(qū)域），如此將可使位于旋轉(zhuǎn)工具前方的工件產(chǎn)生塑化現(xiàn)象（如圖1所示）。
接著工件就如同傳統(tǒng)摩擦攪拌焊接制造將其予以接合。由于雷射能的高溫作用將會(huì)使位于旋轉(zhuǎn)工具前方的工件軟化，因此不需要強(qiáng)而有力的夾具將欲接合的工件夾持固定在焊接工作臺(tái)上。此外，由于僅需施予較小的工作負(fù)荷即能驅(qū)使旋轉(zhuǎn)工具進(jìn)行移行動(dòng)作，因此可減少焊接探針的磨耗。在此新制造中的雷射能更具有另一優(yōu)越性：即使在高速焊接狀態(tài)下，亦不會(huì)造成旋轉(zhuǎn)工具過(guò)度的磨損現(xiàn)象。
若將商業(yè)用途的光束操縱器與決定雷射功率的高精密控制器相配合，則可協(xié)助操作者準(zhǔn)確控制傳遞至工件的<
