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年内已趋于成熟。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设备结构不仅复杂且制造费用亦较昂贵。然而，雷射辅助摩擦搅拌焊接系先采用雷射能来加热工件，然后再借助焊接探针来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。

本文主要在叙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，文中并探讨此制造技术的优越性。

一、传统摩擦搅拌焊接

摩擦搅拌焊接制造是一项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则将其发展成具有商业用途的制造技术。此项技术陆续衍生出许多常见的摩擦焊接方法，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，摩擦搅拌焊接制造则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，首先使用强而有力的夹具将欲接合的工件夹持固定在支撑板（backing plate）上，再将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将会使其产生塑化，因此可借助焊接探针来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，则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]，当铝、镁合金采用摩擦搅拌焊接制造时，其将比传统熔焊制造有较佳的焊接性能。

摩擦搅拌焊接制造可将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现象。此外，其焊道区域的形成主要是由于探针激烈的搅拌作用，因此将可获致细晶结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，摩擦搅拌焊接有许多优越性：

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，且可采用全姿势（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强度的性能要求。

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则包括需要强而有力的夹具来将工件夹持固定在焊接工作台上。此外，由于需要施予较大的工作负荷才能驱使旋转工具进行移行动作，因此焊接探针会产生较高的磨耗率。

在Midling等人[8]所申请的专利范畴中，即针对摩擦搅拌焊接制造提出改良设计，其中包括在旋转工具的前方采用移动式感应线圈来当作热源，借以提供位于焊接探针下方材料所需的热能。当材料受到热能作用后将会产生塑化现象，至于焊接探针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，包含焊接探针与夹持装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，感应电流可能会横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、非传导性材料则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统[9]。此系统结合了工业用途的铣床设备及一套Nd : YAG雷射系统。至于雷射能的主要作用乃在预热工件（位于旋转工具前方的局部区域），如此将可使位于旋转工具前方的工件产生塑化现象（如图1所示）。

接着工件就如同传统摩擦搅拌焊接制造将其予以接合。由于雷射能的高温作用将会使位于旋转工具前方的工件软化，因此不需要强而有力的夹具将欲接合的工件夹持固定在焊接工作台上。此外，由于仅需施予较小的工作负荷即能驱使旋转工具进行移行动作，因此可减少焊接探针的磨耗。在此
新制造中的雷射能更具有另一优越性：即使在高速焊接状态下，亦不会造成旋转工具过度的磨损现象。

若将商业用途的光束操纵器与决定雷射功率的高精密控制器相配合，则可协助操作者准确控制传递至工件的能量大小。如此一来，将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额，以避免焊接探针与夹持装置受到雷射光束所产生的热能影响而受热。

图1 雷射辅助摩擦搅拌焊接原理之示意图

三、实验方法与设备

焊接实验系统包含有一套700 W之多模态Nd：YAG雷射系统，其波长为1064 nm，及一台3 hp之传统立式铣床。

实验试片利用4个23 mm的螺栓予以固定在铣床机台上。旋转工具为一直径20 mm的高速钢园柱，其下方则有一直径9 mm、长4 mm的探针，此探针的主要作用为焊接实验试片。利用纤芯为800 μm、长度为5 m的阶射率光纤将雷射光束传递至实验试片。雷射光束在旋转工具前方被完全聚焦成直径1 cm的光点（如图1所示）。利用点焊方式将热电隅接至实验试片表面以校正焊件温度。雷射功率设定为200 W，利用此能量将实验试片加热至320 ℃左右。至于旋转工具的转速则为1700 rpm，而焊接速度5cm/min。

图略