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。該設備能夠實現鈦/鋁異種金屬的連接。 

    關鍵詞：激光滾壓焊；異種金屬；滾壓設備

1 引言

    激光滾壓焊技術是由日本名古屋大學的沓名宗春等人開發的新型焊接技術，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程中，利用激光束照射到熔點較高的母材上，使其達到塑性狀態，再通過母材傳熱到熔點較低的母材使熔點較低的母材熔化；最后通過滾輪滾動施加壓力到焊縫處，使接觸處發生固-液反應以達到冶金結合的目的。這種方法通過控制激光束的功率來達到結合處的固-液反應的目的，避免了由于發生液相反應時會產生大量金屬間化合物的問題。又解決了其他焊接過程中存在的如需要大壓力或者高溫度的問題。在原理上很適合于母材熔點相差較大的異種金屬的連接。目前該項技術主要存在實驗室研究階段，在工業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，焊接效率低等問題。國際上這一技術的研究主要集中在日本名古屋大學，沓名宗春利用激光滾壓焊技術對lmm厚的A5052鋁合金板和0.5mm厚的低碳鋼(SPCC)板進行了焊接，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點，克服了激光焊熔化母材時帶來的金屬間會產生脆性化合物和滾壓焊需要很大壓力的缺點。這種新的焊接方法對與熔點相差較大的母材的焊接有獨特優勢?，F有的實驗表明，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生，明顯的增強焊接接頭的性能。隨著研究的深入和實用化的推進，在激光滾壓焊中包括專用的激光焊機和尺寸精度相互配合的滾壓焊設備的進一步研發，激光滾壓焊技術由于其獨特的優勢將會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，在激光滾壓焊實施的過程中，難點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。經過估算，其滾壓的面積大約為1mm2。換算后，所需要氣缸壓力約為0.1MPa。從經濟性和實用性上考慮后，采用小型氣缸作為壓力來源，選定的氣缸型號為QGD型雙動薄型氣缸，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，由于其工作環境比較惡劣，要滾壓處于塑性狀態的金屬，要經受高溫高壓還帶有疲勞載荷，又要方便的實現滾動，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的壓力進行控制，選擇了外球面軸承。型號為INA 201NPPB型。在滾壓過程中，還要考慮到氣缸產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程中加裝了滑動裝置，氣缸運動過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滾珠導套來保證壓力的傳遞過程中摩擦力最小。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圖。激光束是以一定角度射至滾輪前方的工件上進行加熱，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，激光束焦點一般調至材料上方即采用負離焦。加熱溫度可以通過調整輸出功率、散焦距離(焦點到材料表面距離)進行控制。

為了便于調節光斑，對激光焊機的激光頭部位進行了改造。在原有的只能豎直方向運動的激光焊機激光頭上裝加了線性導軌，通過調節導軌來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。焊接過程中壓力要一直保持，并且焊接完成后進行夾具的替換等操作。所以，本設備中采用的是雙動氣缸，電磁閥型號為4V21008AC220V，其工作原理圖如圖4所示。通過開關控制線圈G，按下次開關，氣缸下壓，保持開關狀態。焊接完成時斷開開關，氣缸回收，壓力撤銷。

    A—電磁閥進氣口； B、C—電磁閥出氣口； D、E—電磁閥排氣口； F—電磁閥閥體； G—電磁閥線圈； H—電磁閥閥芯；

4 結果及前景展望

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

                 (圖5)

    對于鈦/鋁異種金屬的連接，最突出的問題就是會產生金屬間化合物[3]，從而影響接頭的性能。若是焊接過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塑性變形以及擴散來實現連接，就可以在很大程度上解決金屬間化合物的問題。所以激光滾壓焊在原理上可以很好地解決該問題，但是在焊接過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單，操作方便。焊接過程安全，綠色環保。并且焊后變形小，精度高，適合各種形狀材料的焊接。相信，隨著研究的深入以及自動化程度的提高，激光滾壓焊接設備的應用前景將會更加廣闊。

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

Society，2003，21(2)：282～294．

[2]邱 然 鋒、石 紅 信、張 柯 柯，等．激 光 滾 壓 焊 技 術 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．