雷射辅助摩擦搅拌焊接

雷射辅助摩擦搅拌焊接（Laser Assisted Friction Stir Welding, LAFSW）是一项新式改良后的摩擦搅拌焊接（Friction Stir Welding, FSW）技术，此制造技术的发展在最近10年內已趋于成熟。由于在摩擦搅拌焊接过程中，焊接热能乃是借助旋转工具与接合工件间的摩擦而产生的，亦即需要施予较大的工作负荷，因此传统摩擦搅拌焊接系统之設备結构不仅复杂且制造费用亦较昂貴。然而，雷射辅助摩擦搅拌焊接系先采用雷射能来加热工件，然后再借助焊接探針來进行搅拌动作进而接合工件。因此雷射辅助摩擦搅拌焊接系统能够达到设备结构简易且制造费用低廉的优越性。

    本文主要在敘述雷射辅助摩擦搅拌焊接技术对AZ91D镁合金板之初步研究结果，文中並探討此制造技术的优越性。

    一、传統摩擦搅拌焊接

    摩擦搅拌焊接制造是一項相当新的接合制造技术，目前此专利权乃归属于The Welding Institute[1]，ESAB AB則將其发展成具有商业用途的制造技术。此項技术陆续衍生出許多常見的摩擦焊接方法，早期主要应用在铝及其合金的接合技术[2]。然而在最近几年，摩擦搅拌焊接制造則已被广泛地应用在其它轻金属及其合金的接合技术[3-7]。

    在摩擦搅拌焊接过程中，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，再將具有特殊轮廓外形的旋转工具沿着工件欲接合位置移动。由于材料受到压力与摩擦热的作用后將会使其产生塑化，因此可借助焊接探針來传送此接合部位所需的热能，进而完成工件的接合。

    当铝合金焊件厚度为40 mm时，可采用单边式摩擦搅拌焊接制造，若其焊件厚度为75 mm时，則需采用双边式摩擦搅拌焊接制造[4, 6]。根据研究指出[3, 4, 6]，当鋁、鎂合金采用摩擦搅拌焊接制造時，其將比传統熔焊制造有较佳的焊接性能。

    摩擦搅拌焊接制造可將熔焊过程中所产生的裂缝缺陷予以消除，且母材之合金元素也不会因蒸发作用而造成流失現象。此外，其焊道区域的形成主要是由于探針激烈的搅拌作用，因此將可获致細晶結构且几乎不会产生气孔缺陷，进而可改善焊件机械性质。

    如下所述，摩擦搅拌焊接有許多优越性：

    1. 整个焊接过程相当简单，且不需使用焊条或填料等消耗物。

    2. 接头边缘不需前加工处理。

    3. 焊接前不需事先清除工件表面的氧化物。

    4. 整个过程可采用自动化的焊接方式，且可采用全姿勢（all position）的焊接位置。

    5. 对铝、镁合金焊件而言，摩擦搅拌焊接可达到高接合強度的性能要求。

    6. 摩擦搅拌焊接可使用于对焊道裂缝敏感性较高的合金材料。

    至于摩擦搅拌焊接的缺点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台上。此外，由于需要施予较大的工作負荷才能驱使旋转工具进行移行动作，因此焊接探針会产生较高的磨耗率。

    在Midling等人[8]所申請的专利范畴中，即針對摩擦搅拌焊接制造提出改良設計，其中包括在旋转工具的前方采用移动式感应线圈來当作热源，借以提供位于焊接探針下方材料所需的热能。当材料受到热能作用后將会产生塑化現象，至于焊接探針的主要作用乃在控制预热材料的塑流型态，且可
破坏存在于工件表面的氧化薄膜。

    然而此改良后的摩擦搅拌焊接制造仍存有某些缺失。例如无法利用感应线圈在特定位置上予以精确加热。所有传导性材料，包含焊接探針与夾持裝置皆会受到感应线圈中之电流所产生的热能影响而受热。此外，感应电流可能会橫越焊接路径进而形成不良的放电火花。当然利用感应线圈加热的方式，只能适用于传导性材料，至于其他非金属、非传导性材料則无法适用此加热方式。

    二、雷射辅助摩擦搅拌焊接

    为了要克服传统摩擦搅拌焊接制造之缺失，遂发展出一套雷射辅助摩擦搅拌焊接系統[9]。此系統結合了工业用途的铣床設备及一套Nd : YAG雷射系統。至于雷射能的主要作用乃在預热工件（位于旋转工具前方的局部区域），如此將可使位于旋转工具前方的工件产生塑化現象（如图1所示）。

    接着工件就如同传统摩擦搅拌焊接制造將其予以接合。由于雷射能的高溫作用將会使位于旋转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台上。此外，由于仅需施予較小的工作負荷即能驱使旋转工具进行移行动作，因此可减少焊接探針的磨耗。在此新制造中的雷射能更具有另一优越性：即使在高速焊接狀态下，亦不会造成旋轉工具过度的磨損現象。

    若將商业用途的光束操纵器与決定雷射功率的高精密控制器相配合，則可协助操作者准确控制传递至工件的能量大小。如此一來，將可有效地控制工件加热的区域及雷射能量传递至工件的总額，以避免焊接探針与夾持裝置受到雷射光束所产生的热能影响而受热。

    三、实验方法与設备

    焊接实验系統包含有一套700W之多模态Nd：YAG雷射系統，其波長为1064nm，及一台3hp之传统立式銑床。

    实验試片利用4个23mm的螺栓予以固定在銑床机台上。旋转工具为一直径20mm的高速钢园柱，其下方則有一直径9 mm、長4 mm的探針，此探針的主要作用为焊接实验試片。利用纤芯为800 μm、長度为5 m的阶射率光纤將雷射光束传递至实验試片。雷射光束在旋转工具前方被完全聚焦成直径1 cm的光点。利用点焊方式將热电隅接至实验試片表面以校正焊件溫度。雷射功率設定为200W，利用此能量將实验試片加热至320 ℃左右。至於旋转工具的转速則为1700rpm，而焊接速度5cm/min。

    四、結果与討論 
    
    雷射輔助摩擦搅拌技术对4 mm厚之AZ91鎂合金板之焊制結果。局部熔透焊道（partial-penetration weld）之橫断面。采用雷射輔助摩擦搅拌焊接技术可获致无缺陷（defect-free）的微細結构。