紫銅具有高熱導率和大膨脹系數。紫銅焊接過程中大量熱被傳導出去，熱量難以集中，紫銅厚板傳統焊接需要預熱，存在焊接過程中易出現氣孔、熱裂紋、焊后殘余變形大等問題。長期以來，紫銅的焊接方法主要是氣焊、釬焊、手工電弧焊、TIG 焊、電子束焊等[1].氣焊存在預熱溫度高的問題，工作條件惡劣導致工人勞動強度很大，而且由于熱源能量密度低比較適合紫銅薄壁件的焊接； 釬焊接頭耐熱能力比較差，由于母材與釬料成分相差較大而引起的電化學腐蝕致使耐蝕性下降[2]; TIG 熔焊和手工電弧焊同樣存在需要預熱、焊接熱輸入大、焊接接頭熱影響區和焊縫組織粗大、性能降低的問題，而且 TIG 熔焊焊接速度低也造成生產效率比較低。電子束具有很高的能量密度，但是電子束焊接紫銅厚板的過程中由于電子束的沖擊會引起熔融金屬飛濺，同時由于電子束具有很高的能量密度與穿透能力，容易造成燒穿現象的發生。此外電子束焊接設備昂貴，焊接要求在真空中進行，工作環境受真空室大小限制[3].
激光焊接具有能量密度高、加熱區域小、焊縫深寬比大、熱影響區窄、變形小、生產效率高、控制靈活等優點，和電子束焊相比激光焊接還具有不需要真空室的優越性，符合國家提倡的低能耗，短流程，高效率的發展趨勢[4].隨著工業發展對高效、環保、自動化的需要，激光技術的應用迅速普及制造業的許多領域。在此基礎上，激光焊接工藝將成為激光應用的重要方面之一[5].近年來激光焊接技術穩步提高，日益成熟，越來越受到人們的關注。比如，李斌等人采用激光拼焊技術把不同材料，不同厚度和具有涂層的板材焊接在一起，形成可沖壓車身外板，減輕了汽車車身重量，經濟效果明顯[6].王金鳳等人采用脈沖激光對 0. 1mm 紫銅片進行焊接得到了成型良好的焊縫[7].劉雅靜等人利用 AnsysWorkbenchl4. 5 仿真平臺對焊接過程進行熱固耦合數值求解，得到熱應力集中是出現微細裂紋的主要原因[8].但是激光在紫銅焊接中的應用長期以來受到紫銅對激光高反射率的制約。近年來具有優質光束質量的大功率激光器的市場化程度大大提高，為激光應用于紫銅焊接提供了可能。同時，電能在能源消耗中所占比例日益增加，市場對紫銅及其優質、高效焊接技術的需求也日益迫切[9].2014 年 2 月 Kerr RA 在 Science 上撰文指出今后一段時間內全球紫銅消耗量將呈指數增長[10].近年來國外一些高校和科研機構紛紛開展紫銅優質、高效焊接技術的開發和研究，期望將激光應用于紫銅的焊接，解決市場對紫銅優質、高效焊接技術的需求。
1 紫銅激光焊接技術發展回顧
室溫下紫銅對紅外激光的吸收率約為 5%,加熱到熔點附近后吸收率能夠達到 20% 左右，如圖 1 所示。因此，要實現紫銅的激光深熔焊接需要很高的激光功率密度。紫銅對激光吸收率低還使激光焊接過程對紫銅工件表面的粗糙度、氧化物等非常敏感，導致紫銅的激光焊接過程穩定性和工藝可重復性很差[11].因此，為了將激光應用于紫銅焊接，國內外研究者往往使用盡可能大功率的激光器或者設法提高紫銅焊接過程中激光能量的耦合效率。
1. 1 紫銅表面預處理增大激光能量耦合效率
吳曉紅[12]通過對紫銅進行激光掃描預處理使其表面產生氧化銅薄膜，從而提高工件對激光能量的吸收率，達到了理想的焊接效果。Shimizukozo 等人研究了紫銅表面制備不同厚度的鎳涂層對紫銅激光焊接的影響[13].Daurelio 與 Giorleo 比較了紫銅表面制備鉻涂層、石墨涂層、氧化物對紫銅激光焊接過程的影響[14].Hui-Chi Chen 等人比較研究了紫銅表面預制石墨層、表面噴丸和表面預制納米涂層這三種處理方法對激光焊的影響，結果表明在紫銅表面制備納米復合層降低反射損失的效果最好[115].為了將激光應用于紫銅的焊接，日本神戶鋼鐵公司開發了專門的紫銅板材，也是通過在紫銅表面制備氧化層來提高對激光的吸收率。
1. 2 添加輔助材料增大激光能量耦合效率
B. Genc Oztoprak 等人[16]提出一種通過向熔池添加 Stellite 6 粉體來提高能量耦合效率的方法。在工業領域，第一次利用激光焊來得到紫銅管-管對接接頭是上世紀 90 年代完成的。當時采用不銹鋼管作為過渡段實現了紫銅管之間的連接，在焊接過程中將激光光斑偏向不銹鋼一側，紫銅的加熱和熔化主要靠不銹鋼熔池的傳熱來實現。Shen 等人系統地研究了光斑偏離焊縫中心距離對紫銅-不銹鋼脈沖 YAG 激光焊接異質接頭質量的影響[17].黃仁果等人進行了紫銅換熱管與不銹鋼管板接頭的焊接并且獲得了滿意的焊接接頭質量[18].董鵬等人采用黃銅在上、紫銅在下的搭接接頭形式，可使激光束深入到紫銅基體內部實現深熔焊接[19].國內上海交通大學也開展了紫銅-鋼異質接頭的大功率激光焊接研究[20-22].
1. 3 輔助氣流增大激光能量耦合效率
Dell Erba 等人研究了使用含氧輔助氣流的紫銅CO2激光焊，結果熔深顯著提高，但是焊縫出現氧化物沉淀和大量氣孔[23].Eibir 等人研究了含氧輔助氣流對紫銅脈沖 YAG 激光焊接的影響，發現輔助氣流中加氧能提高激光能量的耦合效率，使焊縫熔深增大。但是當含氧量較高時，焊縫強度由于銅氧化物的沉淀強化而提高，焊縫斷口會轉變為脆性斷口，并且焊縫存在嚴重的氣孔現象，焊縫表面成形變差[24].雷玉成等人通過在氬氣中混合一定比例的氮氣，順利實現了對紫銅的不預熱 TIG 焊接[25].
1. 4 使用大功率激光器增大絕對吸收量
Lechuga 和 Ramos 等人采用大功率連續 YAG 激光器進行了紫銅的焊接并對焊縫組織進行了初步分析[26,27].Gouveia 等人采用大功率連續 CO2激光進行了紫銅的焊接，認為逆韌致輻射吸收會促進激光能量向工件的耦合[28].2007 年，Trumf 公司將三臺 YAG激光器的光束并入直徑 600 微米的光纖中，總功率16. 5kW,焊接得到了熔深 5. 2mm 的紫銅焊縫，焊接速度為 1. 8m/min[29].
2 近年來激光在紫銅焊接中的應用研究新進展
近年來高光束質量的大功率圓盤激光和光纖激光器技術日益成熟、市場化程度大大提高，使紫銅的激光連續焊接成為可能，國外很多單位已經開展了相關研究，取得了一些有價值的結果，同時也發現了紫銅由于其具有一些特殊的熱物理性質，在工藝方面有更高、更復雜的要求。
2. 1 紫銅激光連續焊接相關研究
斯圖加特激光工具研究所（ IFSW） 采用單模 IPG光纖激光進行紫銅的連續焊接，在 2008 年首次系統研究了紫銅連續激光焊接焊縫熔深和焊接速度的關系[30].值得注意的是該研究中的紫銅激光焊接過程穩定性很差，分析認為是由于紫銅對激光吸收率低導致激光能量耦合行為、耦合效率很容易受到表面粗糙度、表面油污等外部因素干擾而出現波動和不穩定。
Dirk Petring 等人采用傳輸光纖直徑為 50 微米的 4kWIPG 光纖激光研究了 3mm 厚紫銅及銅合金激光焊接焊縫熔深和焊接速度的關系，發現紫銅激光焊焊縫熔深和焊接速度成指數關系，而銅鎳合金激光焊焊縫熔深和焊接速度成對數關系[31].上述研究都指出紫銅激光連續焊接存在穩定性差、飛濺大、氣孔傾向大、成形差等問題。
2. 2 綠色激光在紫銅焊接中的應用
室溫下紫銅對波長 532nm 的綠色激光吸收率達到 30%至 40%,這一特點被許多研究者注意到并加以利用。Elke Kaiser 等人發現采用脈沖綠色激光可以在點焊紫銅時得到較高質量的焊點，且具有較好的工藝可重復性[32].但是，目前市場上還沒有出現功率足夠高、可以進行較大厚度紫銅連續激光焊接的綠色激光器。將綠色激光和紅外 YAG 激光疊加在一起的雙波長激光焊方法被證明能提高紫銅激光焊的工藝可重復性。將小功率的綠色連續激光光斑和大功率的紅外激光光斑疊加在一起來焊接紫銅，紅外激光直接照射在紫外激光形成的熔池表面、吸收率大大提高，同時也抑制了工件表面氧化、油污和工件表面粗糙度對激光能量耦合行為的干擾，研究證明采用這種方法后熱導焊向深熔焊轉變的臨界功率顯著降低，焊接工藝可重復性提高。Axel Hess 等人把 70W 綠色激光和 510W YAG 紅外激光疊加后焊接紫銅，他們發現低功率綠色激光能夠顯著的影響紅外激光的能量耦合行為[33].Sebastian 等人進行了紫銅綠色激光焊和紅外激光焊的對比試驗，發現綠色激光實現深熔焊的臨界功率較低。但是當小孔形成后，兩種焊接過程的能量耦合效率差別不大[34].
2. 3 基于功率調制的紫銅激光焊接研究
Christph 等人將波長 532nm 激光和波長 1030nm激光聚焦在工件表面相同位置來焊接紫銅，發現工件表面被 532nm 波長綠色激光熔化后迅速降低兩種激光的功率，可以非常有效抑制飛濺，顯著改善焊縫表面成形質量和工件表面保護效果，工藝可重復性大大提高[35],他們采用的調制方案和效果分別如圖 2、3所示。
Andreas 等人發表的研究結果是通過激光功率波形調制來調控氣/液界面熱-力耦合行為進而達到改善紫銅焊接過程穩定性的一個成功范例。他們發現對激光輸出功率進行 400Hz 至 600Hz 正弦調制時紫銅激光焊接過程穩定性明顯提高，焊縫形狀規則，焊縫中的氣孔數量明顯減少[36],如圖 4 所示。
西安交通大學采用功率正弦調制的方法進行1. 5mm 紫銅板的焊接，發現對激光波形進行調制可以降低焊接過程中試樣由熱導焊向深熔焊轉變的臨界功率，而且調制頻率與振幅對焊接過程的穩定性影響很大，如圖 5 所示[37].
2. 4 激光-電弧復合熱源在紫銅焊接中的應用
采用輔助材料[16-22]、輔助氣體[23-25]的方法無疑增加了焊接過程中的復雜性同時使得焊接過程穩定性降低，而使用超高功率的激光器固然可以實現紫銅深熔焊接[26-29],但是激光器功率越大意味著投資成本越高。激光-電弧復合焊接由于激光與電弧的交互作用可以產生 1+1>2 的效果[38].理論上來講，可以將多模激光器和電弧復合起來，一方面激光入射在電弧形成的高溫熔池表面，吸收率大大提高； 另一方面，工件裝配間隙變化對焊接過程的干擾也被抑制。西安交通大學進行了紫銅的不預熱激光-電弧復合焊接研究，研究表明采用基于激光功率調制的光纖激光-MIG 電弧復合熱源可以在高焊速（ >1m / min） 、不預熱的條件下獲得無缺陷的 4mm 紫銅板 I 型坡口對接接頭[39],如圖 6.隨后，在開坡口的情況下采用激光-電弧復合熱源可以在不預熱的條件下實現 8mm 紫銅板單道全穿透焊接，如圖 7 所示。
2. 5 焊接過程穩定性機理相關研究
Peter Stritt[40-42]等人基于激光功率調制焊接研究了熱導焊向深熔焊的轉變過程，發現調制激光焊接過程中，輸入激光能量的大小對小孔的形成和關閉具有決定性的作用，如圖 8 所示。同時，激光功率的變化對于小孔的形成和崩塌具有一定的滯后作用，即在激光能量上升階段，輸入激光能量必須大于臨界值才能形成小孔，而在功率下降階段，小孔則可以維持較長的時間，如圖 9 所示。另外，采用調制激光功率焊接紫銅時，不僅要考慮平均功率的影響，還要考慮線能量的大小。
Katayama 等人借助可視化的方法研究紫銅激光連續焊接過程穩定性，發現必須通過調控激光輸出功率才能改善不同厚度紫銅的激光焊接過程穩定性。
他們采用的激光功率是 5kW,光纖直徑 300 微米，試驗中采用的保護氣體為氬氣，在 4. 5m/min 的速度下得到了熔深 2mm 的優質紫銅焊縫[43].Heider 等人使用 X 射線與高速攝影相結合的方法分析了紫銅焊接缺陷形成時的激光小孔的不穩定現象，發現小孔底部長大是導致焊接過程中諸如飛濺與氣孔等出現的主要原因，通過對功率進行激光調制可以抑制小孔底部的過度膨脹[44],如圖 10 所示。
Alp \ue6c0zmert 等人研究了通過等離子體光譜信號在線監測紫銅激光焊熔池深度并實時反饋控制的可行性，提出一種通過熔池幾何形狀和紫銅焊接過程中發射的光譜信號來檢測熔深的方法，如圖 11、12 所示[45].
3 結論與展望
綜上所述，近年來，隨著風電、水電、太陽能及核電等綠色可持續發展能源產業的高速發展，市場對紫銅需求量逐年遞增。在市場需求推動下，紫銅高效、優質焊接技術研究越來越受到國內外同行的關注，尤其是電子、通信領域的超薄、超細紫銅零部件的激光精密焊接以及電力、化工、機車等領域的大厚度大尺寸紫銅工件的不預熱自動化高效焊接這兩個應用領域。另一方面，隨著激光器技術的快速發展，多模激光器在工業上的使用日趨廣泛。如何克服多模激光器應用于焊接紫銅的技術瓶頸，開發基于多模激光器的優質、高效的紫銅焊接技術將會是今后紫銅激光焊接技術研究的發展趨勢。（本篇文章圖略）
參考文獻
[1] 季杰，馬學智。 銅及銅合金的焊接[J]. 焊接技術，1999,（ 2） : 13-15.
[2] 白津生，林嘉明。 鋼的 TIG 釬焊工藝探討[J]. 焊接技術，1994,（ 2） : 24-25.
[3] 劉方軍，王世卿。 大厚度紫銅電子束焊接的研究[J]. 中國機械工程，1996,7（ 3） : 101-102.
[4] 周麗。 激光焊接原理探析[J]. 中國科技信息，2012（ 22） : 119-119.
[5] 游德勇，高向東。 激光焊接技術的研究現狀與展望[J].焊接技術，2008,37（ 4） : 5-9.
