激光辅助摩擦搅拌焊：预热如何改变焊缝

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  激光在搅拌针到达前实际做了什么
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  决定工艺是否可行的参数
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  哪些合金从预热中获益最多
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  限制、刀具磨损，以及工艺不再划算的边界
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  在投入批量生产前如何验证接头
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  激光辅助摩擦搅拌焊与普通搅拌摩擦焊对比

在标准搅拌摩擦焊中，旋转工具承担全部工作。轴肩摩擦和搅拌针搅动产生热量软化金属，而热量必须在工具施力的同一位置产生。问题在于工具必须先到达那里。轴向力始终很高，设备机架和垫板承受载荷。

激光辅助摩擦搅拌焊把工作分成两部分。光纤激光在搅拌针前方几毫米处跟踪，将能量沉积到表面。金属到达工具时已经温热，因此工具达到相同搅拌温度所需的扭矩和下压力更小。

实际结果是搅拌区周围的热影响区更窄。因为激光只加热工具即将加工的那一条带，板材其余部分保持冷却。变形减小，工装夹具可以更轻。

预热还改变了合金在工具界面处的流变应力。更软的金属更容易绕搅拌针流动，从而降低较高行进速度下搅拌针后方形成空洞的风险。产能提升正来源于此。

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  激光领先搅拌针光斑位于轴肩边缘前方5–20 mm。
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  热量局部化只加热焊缝带，因此板材保持平整。
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  力下降同一接头上的扭矩和轴向载荷更低。

每毫米厚度的激光功率是首先要设定的数值。对于6xxx铝，6 mm板材的常见起始区间是0.8–1.5 kW，可将搅拌针前方表面温度提升到约200–300 °C。功率太小激光不起作用；功率太大则形成表面熔池，随后被搅拌针拖入搅拌区。

引导距离与功率同样重要。光束离轴肩太近，加热区还没来得及向下传导就被工具切走。离得太远，板材在搅拌针到达前又冷却了。在1–3 s传导窗口内保持5–20 mm引导距离是常用工作范围。

工具转速和行进速度与激光功率相互制约。提高行进速度而不提高激光功率会使接头热量不足，产生虫孔缺陷。提高激光功率而不提高行进速度会使表面过热并烧掉氧化层。每次只改一个变量并记录结果。

垫板材料决定了这一切的上限。钢制垫板从根部带走热量，因此根部温度滞后于上表面。在厚截面上，限制熔深的正是这一温差，而不是激光。

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  功率区间6 mm厚6xxx铝对应0.8–1.5 kW。
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  引导距离轴肩边缘前方5–20 mm。
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  预热目标表面约200–300 °C。

高强度7xxx和2xxx合金获益最大。它们在室温下抗塑性流动，工具必须用力推。预热将流变应力降到足够低，使较小设备能焊接同样截面，且搅拌区硬度更接近母材。

镁合金获益的原因不同。AZ31B和AZ91D熔点低、热加工窗口窄。激光让你从表面达到该窗口的下限，而不依赖可能过冲到轴肩的摩擦热。

异种接头，如铝-铜或铝-钢，同样受益。激光可将热量偏向更硬、熔点更高的一侧，从而平衡界面处两种流变应力。这通常决定接头是连续结合还是形成脆性金属间化合物层。

高硅含量的铸造合金，如ADC12，是较弱的候选。硅颗粒预热后软化不多，无论激光功率如何，刀具磨损都居高不下。

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  最适用7075、2024、AZ31B、AZ91D、铝-铜。
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  较弱适用高硅压铸合金，如ADC12。
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  原因预热降低流变应力，不降低颗粒硬度。

激光增加了第二个热源，每次更换工装夹具都必须重新对准。在2 m长的焊缝上，光束位置漂移1 mm就会改变预热曲线，并在搅拌区表现为硬度带。光束传输光学元件需按计划清洁，不能凭感觉。

刀具磨损不会消失。搅拌针仍接触高温磨蚀性金属，在7xxx合金中，刀具寿命以焊接米数而非班次衡量。预热降低了机械载荷，但搅拌针涂层的热载荷可能上升。

能耗成本确实存在，但相比机床负载很小。1.5 kW 激光器相对于耗电大得多的主轴，增加的电耗有限。节省来自更低的工装夹具刚度要求、更少的重复装夹，以及更少的焊后矫直。

对于约 3 mm 以下的薄板，通常不需要激光。搅拌工具在行进几毫米内就能自行达到焊接温度，额外的热源只会增加装夹复杂度，并带来原本没有的变形风险。

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  对准光束漂移 1 mm 就会改变硬度分布。
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  工具寿命在 7xxx 中仍受限；按焊接米数计量。
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  可跳过约 3 mm 以下薄板，普通 FSW 已足够。

从首件切取横向截面，观察搅拌区形状。预热得当的焊缝应呈现对称、完全致密的焊核，后退侧无隧道缺陷。若焊核不对称，说明激光偏向焊缝一侧。

以 0.5 mm 步距沿接头做硬度扫描。在 6xxx 合金中，采用激光预热时热影响区最低硬度应在母材约 10–15 HV 以内，因为单位长度总热输入更低。

每组参数拉三个拉伸试样。记录抗拉强度、屈服强度和延伸率，再与母材对比。接头达到母材屈服强度的 70–80% 且延伸率良好，对搅拌铝焊缝而言属正常表现。

弯曲试验能发现拉伸试验漏掉的问题。在 4 mm 弯心上做根弯，会暴露未焊透缺陷，而拉伸试样可能直接通过，尤其在根部偏冷的厚截面上。

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  宏观截面检查焊核对称性和隧道缺陷。
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  硬度扫描以 0.5 mm 步距横跨接头。
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  弯曲试验根弯可发现冷根缺陷。