激光-滚压焊接设备的设计
摘要：本文介绍一种用于异种金属连接的激光-压力复合焊接设备的滚压装置的设计制作。采用现有的激光焊接设备改装，通过增加辅助滚压系统的方法研究了激光滚压焊接设备的设计制作。该设备能够实现钛/铝异种金属的连接。
关键词：激光滚压焊；异种金属；滚压设备
1 引言
激光滚压焊技术是由日本名古屋大学的沓名宗春等人开发的新型焊接技术，并将其用于异种材料的焊接中[1]。其原理是：在异种金属搭接焊的过程中，利用激光束照射到熔点较高的母材上，使其达到塑性状态，再通过母材传热到熔点较低的母材使熔点较低的母材熔化；最后通过滚轮滚动施加压力到焊缝处，使接触处发生固-液反应以达到冶金结合的目的。这种方法通过控制激光束的功率来达到结合处的固-液反应的目的，避免了由于发生液相反应时会产生大量金属间化合物的问题。又解决了其他焊接过程中存在的如需要大压力或者高温度的问题。在原理上很适合于母材熔点相差较大的异种金属的连接。目前该项技术主要存在实验室研究阶段，在工业应用中还存在比如激光功率小，焊接速度和焊接压力匹配度，焊接效率低等问题。国际上这一技术的研究主要集中在日本名古屋大学，沓名宗春利用激光滚压焊技术对lmm厚的A5052铝合金板和0.5mm厚的低碳钢(SPCC)板进行了焊接，获得了良好的接头。
这种方法综合利用了激光焊和压力焊的优点，克服了激光焊熔化母材时带来的金属间会产生脆性化合物和滚压焊需要很大压力的缺点。这种新的焊接方法对与熔点相差较大的母材的焊接有独特优势。现有的实验表明，利用激光滚压焊焊接异种金属可以有效地抑制金属间化合物的产生，明显的增强焊接接头的性能。随着研究的深入和实用化的推进，在激光滚压焊中包括专用的激光焊机和尺寸精度相互配合的滚压焊设备的进一步研发，激光滚压焊技术由于其独特的优势将会有很广阔的应用前景。本文依据现有的激光设备，设计制造了滚压装置以组成激光滚压焊设备，实现异种金属的激光滚压焊。
2 滚压装置的设计方案
（图1，图2）
激光滚压焊的原理图如图1所示[2]。本文采用的激光焊机的平均功率为80W，在激光滚压焊实施的过程中，难点是如何在有效地充分利用现有激光焊机的基础上加装滚压设备。设计滚压装置前对现有的激光焊机的固定孔的尺寸进行测量。包括工作孔径，工作台到定位孔的距离，激光头的焦距，激光头距离工作台的上下极限位置等。测量完成后，参考资料显示焊接1.5mm的铝合金板材所需要的滚压力为150MPa。经过估算，其滚压的面积大约为1mm2。换算后，所需要气缸压力约为0.1MPa。从经济性和实用性上考虑后，采用小型气缸作为压力来源，选定的气缸型号为QGD型双动薄型气缸，缸径为50mm，行程为30mm。工作气体压力为0.1到0.15MPa，折合算成工件上的压力为196MPa。
对于滚轮，由于其工作环境比较恶劣，要滚压处于塑性状态的金属，要经受高温高压还带有疲劳载荷，又要方便的实现滚动，所以选择了轴承，考虑到压力的作用面积可以有效地对某一点的压力进行控制，选择了外球面轴承。型号为INA 201NPPB型。在滚压过程中，还要考虑到气缸产生的压力是否顺利的传递到工件的表面，所以在压力的传递过程中加装了滑动装置，气缸运动过程为了有效地将压力传递到工件上，在气缸的轴上外加了直线滚珠导套来保证压力的传递过程中摩擦力最小。用于固定和连接轴承以及气缸等的支架等零件由自行设计加工。
图2为设计的激光滚压焊的设备简图。激光束是以一定角度射至滚轮前方的工件上进行加热，照射到材料表面上的激光束是散焦的，以增大加热面积和避免被照射材料熔化。为了防止激光束因照射而在材料内部聚焦并致使该处熔化，激光束焦点一般调至材料上方即采用负离焦。加热温度可以通过调整输出功率、散焦距离(焦点到材料表面距离)进行控制。
为了便于调节光斑，对激光焊机的激光头部位进行了改造。在原有的只能竖直方向运动的激光焊机激光头上装加了线性导轨，通过调节导轨来调节激光光斑在工件上的焦距和距离滚轮的距离达到控制焊接参数的目的。图3为根据激光焊机的实际尺寸建的三维模型及其气缸部位的放大图。
（图3，图4）
3 控制系统的设计
滚压焊接设备的控制系统主要是由空气压缩机、电磁换向阀、压力阀以及导管等组成。焊接过程中压力要一直保持，并且焊接完成后进行夹具的替换等操作。所以，本设备中采用的是双动气缸，电磁阀型号为4V21008AC220V，其工作原理图如图4所示。通过开关控制线圈G，按下次开关，气缸下压，保持开关状态。焊接完成时断开开关，气缸回收，压力撤销。
A—电磁阀进气口； B、C—电磁阀出气口； D、E—电磁阀排气口； F—电磁阀阀体； G—电磁阀线圈； H—电磁阀阀芯；
4 结果及前景展望
通过滚压装置和控制系统的设计制造，配合现有的激光发生器组成可激光滚压焊成套装置（如图5所示），能够实现异种金属的连接。
(图5)
对于钛/铝异种金属的连接，最突出的问题就是会产生金属间化合物[3]，从而影响接头的性能。若是焊接过程总能够有效地控制母材的熔化量甚至是阻止母材熔化而通过塑性变形以及扩散来实现连接，就可以在很大程度上解决金属间化合物的问题。所以激光滚压焊在原理上可以很好地解决该问题，但是在焊接过程中主要是要考虑激光的输出功率防止出现母材的熔化。激光滚压焊设备的控制系统简单，操作方便。焊接过程安全，绿色环保。并且焊后变形小，精度高，适合各种形状材料的焊接。相信，随着研究的深入以及自动化程度的提高，激光滚压焊接设备的应用前景将会更加广阔。
参考文献
[1]Kutsuna M，Rathod MJ．Laser roll bonding of A5052 a1uminium alloy and SPCC steel[J]．Quarterly Journal of the Japan Welding
Society，2003，21(2)：282～294．
[2]邱 然 锋、石 红 信、张 柯 柯，等．激 光 滚 压 焊 技 术 在 异 种 金属 连 接 中 的 应 用 [J]．电 焊 机，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．