雷射輔助摩擦攪拌焊接

    雷射輔助摩擦攪拌焊接（Laser Assisted Friction Stir Welding, LAFSW）是一項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加熱工件，然后再借助焊接探針來進行攪拌動作進而接合工件。因此雷射輔助摩擦攪拌焊接系統(tǒng)能夠達到設(shè)備結(jié)構(gòu)簡易且制造費用低廉的優(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]。
    在摩擦攪拌焊接過程中，首先使用強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。由于材料受到壓力與摩擦熱的作用后將會使其產(chǎn)生塑化，因此可借助焊接探針來傳送此接合部位所需的熱能，進而完成工件的接合。
    當(dāng)鋁合金焊件厚度為40 mm時，可采用單邊式摩擦攪拌焊接制造，若其焊件厚度為75 mm時，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，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，因此將可獲致細晶結(jié)構(gòu)且?guī)缀醪粫�產(chǎn)生氣孔缺陷，進而可改善焊件機械性質(zhì)。
如下所述，摩擦攪拌焊接有許多優(yōu)越性：
1. 整個焊接過程相當(dāng)簡單，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. 整個過程可采用自動化的焊接方式，且可采用全姿勢（all position）的焊接位置。
5. 對鋁、鎂合金焊件而言，摩擦攪拌焊接可達到高接合強度的性能要求。
6. 摩擦攪拌焊接可使用于對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則包括需要強而有力的夾具來將工件夾持固定在焊接工作臺上。此外，由于需要施予較大的工作負荷才能驅(qū)使旋轉(zhuǎn)工具進行移行動作，因此焊接探針會產(chǎn)生較高的磨耗率。
    在Midling等人[8]所申請的專利范疇中，即針對摩擦攪拌焊接制造提出改良設(shè)計，其中包括在旋轉(zhuǎn)工具的前方采用移動式感應(yīng)線圈來當(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)電流可能會橫越焊接路徑進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使位于旋轉(zhuǎn)工具前方的工件軟化，因此不需要強而有力的夾具將欲接合的工件夾持固定在焊接工作臺上。此外，由于僅需施予較小的工作負荷即能驅(qū)使旋轉(zhuǎn)工具進行移行動作，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，亦不會造成旋轉(zhuǎn)工具過度的磨損現(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)助操作者準確控制傳遞至工件的能量大小。如此一來，將可有效地控制工件加熱的區(qū)域及雷射能量傳遞至工件的總額，以避免焊接探針與夾持裝置受到雷射光束所產(chǎn)生的熱能影響而受熱。
三、實驗方法與設(shè)備
    焊接實驗系統(tǒng)包含有一套700W之多模態(tài)Nd：YAG雷射系統(tǒng)，其波長為1064nm，及一臺3hp之傳統(tǒng)立式銑床。
    實驗試片利用4個23mm的螺栓予以固定在銑床機臺上。旋轉(zhuǎn)工具為一直徑20mm的高速鋼園柱，其下方則有一直徑9 mm、長4 mm的探針，此探針的主要作用為焊接實驗試片。利用纖芯為800 μm、長度為5 m的階射率光纖將雷射光束傳遞至實驗試片。雷射光束在旋轉(zhuǎn)工具前方被完全聚焦成直徑1 cm的光點。利用點焊方式將熱電隅接至實驗試片表面以校正焊件溫度。雷射功率設(shè)定為200W，利用此能量將實驗試片加熱至320 ℃左右。至於旋轉(zhuǎn)工具的轉(zhuǎn)速則為1700rpm，而焊接速度5cm/min。
四、結(jié)果與討論
    雷射輔助摩擦攪拌技術(shù)對4 mm厚之AZ91鎂合金板之焊制結(jié)果。局部熔透焊道（partial-penetration weld）之橫斷面。采用雷射輔助摩擦攪拌焊接技術(shù)可獲致無缺陷（defect-free）的微細結(jié)構(gòu)。