激光焊接原理與主要工藝參數(shù)

1、1激光焊接原理激光焊接可以采用連續(xù)或脈沖激光束加以實現(xiàn)，激光焊接的原理可分為熱傳導型焊接和激光深熔焊接。功率密度小于104~105Wcm2為熱傳導焊，此時熔深淺、焊接速度慢；功率密度大于105~107Wcm2時，金屬表面受熱作用下凹成“孔穴”，形成深熔焊，具有焊接速度快、深寬比大的特點。其中熱傳導型激光焊接原理為：激光輻射加熱待加工表面，表面熱量通過熱傳導向內(nèi)部擴散，通過控制激光脈沖的寬度、能量、峰功率和重復頻率等激光參數(shù)，使工件熔化，

2、形成特定的熔池。用于齒輪焊接和冶金薄板焊接用的激光焊接機主要涉及激光深熔焊接。下面重點介紹激光深熔焊接的原理。激光深熔焊接一般采用連續(xù)激光光束完成材料的連接，其冶金物理過程與電子束焊接極為相似，即能量轉(zhuǎn)換機制是通過“小孔”（Keyhole）結(jié)構(gòu)來完成的。在足夠高的功率密度激光照射下，材料產(chǎn)生蒸發(fā)并形成小孔。這個充滿蒸氣的小孔猶如一個黑體，幾乎吸收全部的入射光束能量，孔腔內(nèi)平衡溫度達25000C左右，熱量從這個高溫孔腔外壁傳遞出來，使包圍

3、著這個孔腔四周的金屬熔化。小孔內(nèi)充滿在光束照射下壁體材料連續(xù)蒸發(fā)產(chǎn)生的高溫蒸汽，小孔四壁包圍著熔融金屬，液態(tài)金屬四周包圍著固體材料（而在大多數(shù)常規(guī)焊接過程和激光傳導焊接中，能量首先沉積于工件表面，然后靠傳遞輸送到內(nèi)部）?？妆谕庖后w流動和壁層表面張力與孔腔內(nèi)連續(xù)產(chǎn)生的蒸汽壓力相持并保持著動態(tài)平衡。光束不斷進入小孔，小孔外的材料在連續(xù)流動，隨著光束移動，小孔始終處于流動的穩(wěn)定狀態(tài)。就是說，小孔和圍著孔壁的熔融金屬隨著前導光束前進速度向前移動

4、，熔融金屬充填著小孔移開后留下的空隙并隨之冷凝，焊縫于是形成。上述過程的所有這一切發(fā)生得如此快，使焊接速度很容易達到每分鐘數(shù)米。2.激光深熔焊接的主要工藝參數(shù)1)激光功率。激光焊接中存在一個激光能量密度閾值，低于此值，熔深很淺，一旦達到或超過此值，熔深會大幅度提高。只有當工件上的激光功率密度超過閾值（與材料有關(guān)），等離子體才會產(chǎn)生，這標志著穩(wěn)定深熔焊的進行。如果激光功率低于此閾值，工件僅發(fā)生表面熔化，也即焊接以穩(wěn)定熱傳導型進行。而當激光

5、功率密度處于小孔形成的臨界條件附近時，深熔焊和傳導焊交替進行，成為不穩(wěn)定焊接過程，導致熔深波動很大。激光深熔焊時，激光功率同時控制熔透深度和焊接速度。焊接的熔深直接與光束功率密度有關(guān)，且是入射光束功率和光束焦斑的函數(shù)。一般來說，對一定直徑的激光束，熔深隨著光束功率提高而增加。2)光束焦斑。光束斑點大小是激光焊接的最重要變量之一，因為它決定功率密度。但對高功率激光來說，對它的測量是一個難題，盡管已經(jīng)有很多間接測量技術(shù)。光束焦點衍射極限光斑

6、尺寸可以根據(jù)光衍射理論計算，但由于聚焦透鏡像差的存在，實際光斑要比計算值偏大。最簡單的實測方法是等溫度輪廓法，即用厚紙燒焦和穿透聚丙烯板后測量焦斑和穿孔直徑。這種方法要通過測量實踐，掌握好激光功率大小和光束作用的時間。3)材料吸收值。材料對激光的吸收取決于材料的一些重要性能，如吸收率、反射率、熱導率、熔化溫度、蒸發(fā)溫度等，其中最重要的是吸收率。原子(分子)量44028272456電離能(eV)24.4615.6814.55.967.61

7、7.83=============================================================從表可知，等離子體云尺寸與采用的保護氣體不同而變化，氦氣最小，氮氣次之，使用氬氣時最大。等離子體尺寸越大，熔深則越淺。造成這種差別的原因首先由于氣體分子的電離程度不同，另外也由于保護氣體不同密度引起金屬蒸氣擴散差別。氦氣電離最小，密度最小，它能很快地驅(qū)除從金屬熔池產(chǎn)生的上升的金屬蒸氣。所以用氦作保護氣體，可最

8、大程度地抑制等離子體，從而增加熔深，提高焊接速度；由于質(zhì)輕而能逸出，不易造成氣孔。當然，從我們實際焊接的效果看，用氬氣保護的效果還不錯。等離子云對熔深的影響在低焊接速度區(qū)最為明顯。當焊接速度提高時，它的影響就會減弱。保護氣體是通過噴嘴口以一定的壓力射出到達工件表面的，噴嘴的流體力學形狀和出口的直徑大小十分重要。它必須以足夠大以驅(qū)使噴出的保護氣體覆蓋焊接表面，但為了有效保護透鏡，阻止金屬蒸氣污染或金屬飛濺損傷透鏡，噴口大小也要加以限制。流

9、量也要加以控制，否則保護氣的層流變成紊流，大氣卷入熔池，最終形成氣孔。為了提高保護效果，還可用附加的側(cè)向吹氣的方式，即通過一較小直徑的噴管將保護氣體以一定的角度直接射入深熔焊接的小孔。保護氣體不僅抑制了工件表面的等離子體云，而且對孔內(nèi)的等離子體及小孔的形成施加影響，熔深進一步增大，獲得深寬比較為理想的焊縫。但是，此種方法要求精確控制氣流量大小、方向，否則容易產(chǎn)生紊流而破壞熔池，導致焊接過程難以穩(wěn)定。6)透鏡焦距。焊接時通常采用聚焦方式會

10、聚激光，一般選用63~254mm(2.5”~10”)焦距的透鏡。聚焦光斑大小與焦距成正比，焦距越短，光斑越小。但焦距長短也影響焦深，即焦深隨著焦距同步增加，所以短焦距可提高功率密度，但因焦深小，必須精確保持透鏡與工件的間距，且熔深也不大。由于受焊接過程中產(chǎn)生的飛濺物和激光模式的影響，實際焊接使用的最短焦深多為焦距126mm(5”)。當接縫較大或需要通過加大光斑尺寸來增加焊縫時，可選擇254mm(10”)焦距的透鏡，在此情況下，為了達到深

11、熔小孔效應(yīng)，需要更高的激光輸出功率（功率密度）。當激光功率超過2kW時，特別是對于10.6μm的CO2激光束，由于采用特殊光學材料構(gòu)成光學系統(tǒng)，為了避免聚焦透鏡遭光學破壞的危險，經(jīng)常選用反射聚焦方法，一般采用拋光銅鏡作反射鏡。由于能有效冷卻，它常被推薦用于高功率激光束聚焦。7)焦點位置。焊接時，為了保持足夠功率密度，焦點位置至關(guān)重要。焦點與工件表面相對位置的變化直接影響焊縫寬度與深度。圖26表示焦點位置對1018鋼熔深及縫寬的影響。在大