摘要：本文介紹一種用于異種金屬連接的激光-壓力復合焊接設備的滾壓裝置的設計制作。采用現有的激光焊接設備改裝，通過(guò)增加輔助滾壓系統的方法研究了激光滾壓焊接設備的設計制作。該設備能夠實(shí)現鈦/鋁異種金屬的連接。 

    關(guān)鍵詞：激光滾壓焊；異種金屬；滾壓設備

1 引言

    激光滾壓焊技術(shù)是由日本名古屋大學(xué)的沓名宗春等人開(kāi)發(fā)的新型焊接技術(shù)，并將其用于異種材料的焊接中[1]。其原理是：在異種金屬搭接焊的過(guò)程中，利用激光束照射到熔點(diǎn)較高的母材上，使其達到塑性狀態(tài)，再通過(guò)母材傳熱到熔點(diǎn)較低的母材使熔點(diǎn)較低的母材熔化；最后通過(guò)滾輪滾動(dòng)施加壓力到焊縫處，使接觸處發(fā)生固-液反應以達到冶金結合的目的。這種方法通過(guò)控制激光束的功率來(lái)達到結合處的固-液反應的目的，避免了由于發(fā)生液相反應時(shí)會(huì )產(chǎn)生大量金屬間化合物的問(wèn)題。又解決了其他焊接過(guò)程中存在的如需要大壓力或者高溫度的問(wèn)題。在原理上很適合于母材熔點(diǎn)相差較大的異種金屬的連接。目前該項技術(shù)主要存在實(shí)驗室研究階段，在工業(yè)應用中還存在比如激光功率小，焊接速度和焊接壓力匹配度，焊接效率低等問(wèn)題。國際上這一技術(shù)的研究主要集中在日本名古屋大學(xué)，沓名宗春利用激光滾壓焊技術(shù)對lmm厚的A5052鋁合金板和0.5mm厚的低碳鋼(SPCC)板進(jìn)行了焊接，獲得了良好的接頭。

    這種方法綜合利用了激光焊和壓力焊的優(yōu)點(diǎn)，克服了激光焊熔化母材時(shí)帶來(lái)的金屬間會(huì )產(chǎn)生脆性化合物和滾壓焊需要很大壓力的缺點(diǎn)。這種新的焊接方法對與熔點(diǎn)相差較大的母材的焊接有獨特優(yōu)勢?，F有的實(shí)驗表明，利用激光滾壓焊焊接異種金屬可以有效地抑制金屬間化合物的產(chǎn)生，明顯的增強焊接接頭的性能。隨著(zhù)研究的深入和實(shí)用化的推進(jìn)，在激光滾壓焊中包括專(zhuān)用的激光焊機和尺寸精度相互配合的滾壓焊設備的進(jìn)一步研發(fā)，激光滾壓焊技術(shù)由于其獨特的優(yōu)勢將會(huì )有很廣闊的應用前景。本文依據現有的激光設備，設計制造了滾壓裝置以組成激光滾壓焊設備，實(shí)現異種金屬的激光滾壓焊。

2 滾壓裝置的設計方案

   （圖1，圖2）

    激光滾壓焊的原理圖如圖1所示[2]。本文采用的激光焊機的平均功率為80W，在激光滾壓焊實(shí)施的過(guò)程中，難點(diǎn)是如何在有效地充分利用現有激光焊機的基礎上加裝滾壓設備。設計滾壓裝置前對現有的激光焊機的固定孔的尺寸進(jìn)行測量。包括工作孔徑，工作臺到定位孔的距離，激光頭的焦距，激光頭距離工作臺的上下極限位置等。測量完成后，參考資料顯示焊接1.5mm的鋁合金板材所需要的滾壓力為150MPa。經(jīng)過(guò)估算，其滾壓的面積大約為1mm2。換算后，所需要氣缸壓力約為0.1MPa。從經(jīng)濟性和實(shí)用性上考慮后，采用小型氣缸作為壓力來(lái)源，選定的氣缸型號為QGD型雙動(dòng)薄型氣缸，缸徑為50mm，行程為30mm。工作氣體壓力為0.1到0.15MPa，折合算成工件上的壓力為196MPa。

    對于滾輪，由于其工作環(huán)境比較惡劣，要滾壓處于塑性狀態(tài)的金屬，要經(jīng)受高溫高壓還帶有疲勞載荷，又要方便的實(shí)現滾動(dòng)，所以選擇了軸承，考慮到壓力的作用面積可以有效地對某一點(diǎn)的壓力進(jìn)行控制，選擇了外球面軸承。型號為INA 201NPPB型。在滾壓過(guò)程中，還要考慮到氣缸產(chǎn)生的壓力是否順利的傳遞到工件的表面，所以在壓力的傳遞過(guò)程中加裝了滑動(dòng)裝置，氣缸運動(dòng)過(guò)程為了有效地將壓力傳遞到工件上，在氣缸的軸上外加了直線(xiàn)滾珠導套來(lái)保證壓力的傳遞過(guò)程中摩擦力最小。用于固定和連接軸承以及氣缸等的支架等零件由自行設計加工。

    圖2為設計的激光滾壓焊的設備簡(jiǎn)圖。激光束是以一定角度射至滾輪前方的工件上進(jìn)行加熱，照射到材料表面上的激光束是散焦的，以增大加熱面積和避免被照射材料熔化。為了防止激光束因照射而在材料內部聚焦并致使該處熔化，激光束焦點(diǎn)一般調至材料上方即采用負離焦。加熱溫度可以通過(guò)調整輸出功率、散焦距離(焦點(diǎn)到材料表面距離)進(jìn)行控制。

為了便于調節光斑，對激光焊機的激光頭部位進(jìn)行了改造。在原有的只能豎直方向運動(dòng)的激光焊機激光頭上裝加了線(xiàn)性導軌，通過(guò)調節導軌來(lái)調節激光光斑在工件上的焦距和距離滾輪的距離達到控制焊接參數的目的。圖3為根據激光焊機的實(shí)際尺寸建的三維模型及其氣缸部位的放大圖。

                      （圖3，圖4）               

3 控制系統的設計

    滾壓焊接設備的控制系統主要是由空氣壓縮機、電磁換向閥、壓力閥以及導管等組成。焊接過(guò)程中壓力要一直保持，并且焊接完成后進(jìn)行夾具的替換等操作。所以，本設備中采用的是雙動(dòng)氣缸，電磁閥型號為4V21008AC220V，其工作原理圖如圖4所示。通過(guò)開(kāi)關(guān)控制線(xiàn)圈G，按下次開(kāi)關(guān)，氣缸下壓，保持開(kāi)關(guān)狀態(tài)。焊接完成時(shí)斷開(kāi)開(kāi)關(guān)，氣缸回收，壓力撤銷(xiāo)。

    A—電磁閥進(jìn)氣口； B、C—電磁閥出氣口； D、E—電磁閥排氣口； F—電磁閥閥體； G—電磁閥線(xiàn)圈； H—電磁閥閥芯；

4 結果及前景展望

    通過(guò)滾壓裝置和控制系統的設計制造，配合現有的激光發(fā)生器組成可激光滾壓焊成套裝置（如圖5所示），能夠實(shí)現異種金屬的連接。

                 (圖5)

    對于鈦/鋁異種金屬的連接，最突出的問(wèn)題就是會(huì )產(chǎn)生金屬間化合物[3]，從而影響接頭的性能。若是焊接過(guò)程總能夠有效地控制母材的熔化量甚至是阻止母材熔化而通過(guò)塑性變形以及擴散來(lái)實(shí)現連接，就可以在很大程度上解決金屬間化合物的問(wèn)題。所以激光滾壓焊在原理上可以很好地解決該問(wèn)題，但是在焊接過(guò)程中主要是要考慮激光的輸出功率防止出現母材的熔化。激光滾壓焊設備的控制系統簡(jiǎn)單，操作方便。焊接過(guò)程安全，綠色環(huán)保。并且焊后變形小，精度高，適合各種形狀材料的焊接。相信，隨著(zhù)研究的深入以及自動(dòng)化程度的提高，激光滾壓焊接設備的應用前景將會(huì )更加廣闊。

參考文獻

[1]Kutsuna M，Rathod MJ．Laser roll bonding of A5052 a1uminium alloy and SPCC steel[J]．Quarterly   Journal of the Japan Welding

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[2]邱 然 鋒、石 紅 信、張 柯 柯，等．激 光 滾 壓 焊 技 術(shù) 在 異 種 金屬 連 接 中 的 應 用 [J]．電 焊 機，2010，40( 5)：150～154．

[3]Nonaka K，Fujii H，Nakajima H．Effect of oxygen in titaniumon reaction diffusion between Ti and   Al[J]．Journal of the Japan

Institute of Metals，2000，64(2)：85～94．