影响激光焊接质量的主要因素Word文档下载推荐.docx

1、激光焊接现已在各领域中得到大规模的应用，由于焊接质量中出现问题，所造成的危害甚至是毁灭性的，故正确设定和控制影响激光焊接质量的因素，使其在高速连续的激光焊接过程中控制在合适的范围内，对保证焊接质量如焊缝成形的可靠性和稳定性等有着重要意义。本文就影响因素中的焊接设备，工件状况和工艺参数等方面进行分析，并分别就热导焊和深熔焊的特点作具体讨论。2 主要影响因素2.1 焊接设备激光焊接设备通常由激光器、导光和聚焦系统和计算机控制系统组成。2.1.1 激光器用于激光焊接的激光器主要有CO2气体激光器和YAG固体激光器两种。激光器最重要的性能是输出功率和光束质量。从这两方向考虑，CO2激光器比YAG激光器

2、具有很大优势，是目前深熔焊接主要采用的激光器，生产上应用大多数还处在156kW范围。而YAG激光器在过去相当长一段时间内提高功率有困难，一般功率小于1kW，只用于薄小零件的微联接。但是，近几年来，国外在研制和生产大功率YAG激光器方面取得了突破性的进展，最大功率已达5kW，并已投人市场。且由于其波长短，仅为CO2激光的1/10，有利于金属表面吸收，可以用光纤传输，使导光系统大为简化，故大功率YAG激光焊接技术在今后一段时间内将获得迅速发展。焊接对激光器的质量要求最主要的是光束模式和输出功率及其稳定性。光束模式是光束质量的主要指标，光束模式阶数越低，光束聚焦性能越好，光斑越小，相同激光功率下功率

3、密度越高，焊缝深宽越大。一般要求基模（TEM00）或低阶模，否则难以满足高质量激光焊接的要求。虽然目前国产激光器在光束质量和功率输出稳定性方面用于激光焊接还有一定困难。但从国外情况来看，激光器的光束质量和输出功率稳定性已相当高，应不会成为激光焊接的问题。另外，高的焊接还要求激光器抽运源应能保证脉冲辐射波形的连续可调和输出光束发散角应足够小。2.1.2 导光和聚焦系统导光聚焦系统由圆偏振镜、扩束镜、反射镜或光纤、聚焦镜等组成，实现改变光束偏振状态、方向，传输光束和聚焦的功能。这些光学零件的状况对激光焊接质量有极其重要的影响。在大功率激光作用下，光学部件，尤其是透镜性能会劣化使透过率下降；会产生热

4、透镜效应（透镜受热膨胀焦距缩短）；表面污染也会增加传输损耗。所以光学部件的质量，维护和工作状态监测对保证焊接质量至关重要。光束变换系统中影响焊接质量最大的因素是聚焦镜，所用焦距一般在127mm（5in）到200mm（7.9in）之间，焦距小对减小聚焦光束腰斑直径有好处，但过小容易在焊接过程中受污染和飞溅损伤。2.2 工件状况激光焊接要求对工件的边缘进行加工，装配有很高的精度，光斑与焊缝严格对中，而且工件原始装配精度和光斑对中情况在焊接过程中不能因焊接热变形而变化。这是因为激光光斑小，焊缝窄，一般不加填充金属，如装配不严间隙过大，光束能穿过间隙不能熔化母材，或者引起明显的咬边、凹陷，如光斑对缝的

5、偏差稍大就有可能造成未熔合或未焊透。所以，一般板材对接装配间隙和光斑对缝偏差均不应大于0.1mm，错边不应大于0.2mm。当焊缝较长时，焊前的准备难度很大，普通剪床一般不能满足要求必须经过机械加工或用高精度剪床剪切，还必须根据具体工件情况设计合适的精密胎夹具。实际生产中，有时因不能满足这些要求，而无法采用激光焊接技术。2.3 激光功率密度和光束模式对焊接质量影响激光功率密度是激光焊接的一个关键参数，对于同一种金属来说，激光功率密度不同时材料达到熔点和沸点的时间不同。图2- 1 两种功率密度下同一金属表层及底层的温度与时间的关系从图2-1可见，激光功率密度越大其达到熔点和沸点的时间越快且表层底层

6、间的时间差值越少。又由于不同材料的热导率和热扩散率等不同。激光功率密度需根据材料本身的特性及焊接技术要求来选取。一般情况下，在薄板（板厚为0.01-0.10mm）焊接中，激光功率密度范围为FmFFc，在厚板（板厚大于0.50mm）焊接中，激光功率密度范围为FmFFv。同时，激光功率密度的大小对其熔深和焊接速度存在相当的影响。图2- 2 激光热导焊焊接不锈钢时功率与焊接速度、熔化深度的关系图2-2中1、2、3分别为1.0、3.0、10.0mm/s的焊接速度时熔化深度曲线。可以看出，在一定的激光功率下，提高焊接速度，则热输入下降，焊接熔深减少。对于不同的激光功率密度，要到达要求的熔化深度需选择不同

7、的焊接速度。激光深熔焊的熔深和激光输出功率也密切相关，也是功率和光斑直径的函数。由于不同的材料都有一个临界功率密度阈值，只有激光的功率密度超过这个阈值，才能形成小孔，获得深熔焊接。适当降低焊接速度可加大熔深，但若焊接速度过低，熔深却不会再增加，反而使熔宽增大，所以对于给定的激光功率等条件，存在一维持熔深焊接的最小焊接速度。图2- 3 激光束模式对激光焊接的影响光束模式决定了聚焦焦点的能量分布，其对深熔焊有着重要的影响。如图2-3所示，激光束为基模时，可以获得最大的焊缝深度与深宽比，光束模式的阶次越高，激光束的能量分布越发散，焊接质量变差。具有不同光束聚焦特征参数值Kf的光束对激光焊接质量的影响

8、如图2-4所示，光束的Kf值越大，质量就越差，焊缝的深宽比就越小。图2- 4 光束Kf值与激光深熔焊深度与宽度的关系2.4 影响热导焊焊接质量的工艺参数2.4.1 脉冲波形对焊接质量影响激光脉冲波形在激光焊接中是一个重要问题，尤其对于薄片焊接更为重要。当高强度激光束射至材料表面，金属表面将会有6098%的激光能量反射而损失掉，且反射率随表面温度变化。在一个激光脉冲作用期间内，金属反射率的变化很大。图2- 5 脉冲作用期间内，材料的相对反射率随时间的变化曲线图2-5为一个激光脉冲作用期间内，材料的相对反射率随时间的变化曲线（曲线1、2分别为铜和钢的反射率变化）。可以看出，激光脉冲开始作用时反射率

9、高相当高；当材料表面温度升至熔点时，反射率迅速下降；表面处于熔化状态时，反射率稳定于某一值；当表面温度继续上升到沸点时，反射率又一次下降。对于上述情况，在焊接铜、铝、金、银等高反射率的材料时，为了突破高反射率的屏障，可以利用带有前置尖峰的激光波形，在开始出现的尖峰，迅速改变金属表面状况，使其温度上升至熔点，从而在脉冲时刻到来时，瞬间把金属表面反射率较低，使光脉冲的能量利用率大大提高，利于后续的热导焊处理。前置尖峰的激光波形如图2-6所示：图2- 6 前置尖峰的激光波但这种脉冲波型在高重复率缝焊时不宜采用。因为重复率很高时，重叠区可能仍处于熔融状态。若使用这种波形，初期尖峰可使表面出现高速气化，

10、伴随着剧烈的体积膨胀，金属蒸气以超声速向外扩张，给工件很大的反冲力，使金屑产生飞溅，在熔斑中形成不规则的孔洞。这在气密性要求高的缝焊中尤其要避免，故缝焊中宜采用矩形波或缓衰减波形，减缓或慢慢均匀预热，且不能快速冷却，其激光波形如下图所示。而对于铁、镍、钼钛等黑色金属，表面反射率较低，也可采用如图2-7波形。图2- 7 缓衰减波形2.4.2 脉冲宽度对焊接质量影响激光脉宽是脉冲激光焊接的重要参数之一，它是决定材料是否熔化的重要参数。为了保证激光焊接过程中材料表面不出现强烈气化，一般假定在脉冲终止时材料表面温度达到沸点。最大熔深与脉宽关系从该式可以得到：（1）最大的熔深正比于脉宽的平方根，脉宽越长

11、，熔深越深。（2）熔点、沸点相差较大的金属，如钼、铂、钨等，则熔深较深。（3）热扩散率越大的金属，如金、铜、银等，熔深越深。2.4.3 离焦量对焊接质量影响激光焊接通常需要一定的离焦量，因为激光焦点处光斑中心的功率密度过高，容易蒸发成孔。离开激光焦点的各平面上，功率密度分布相对均匀。离焦方式有两种：正离焦与负离焦。焦平面位于工件上方为正离焦，反之为负离焦。按几何光学理论，当正负离焦量相等时，所对应平面上功率密度近似相同，但实际上所获得的熔池形状不同。负离焦时，可获得更大的熔深，这与熔池的形成过程有关。实验表明，激光加热50200us材料开始熔化，形成液相金属并出现汽化，形成蒸汽，并以极高的速度

12、喷射，发出耀眼的白光。与此同时，高浓度汽体使液相金属运动至熔池边缘，在熔池中心形成凹陷。当负离焦时，材料内部功率密度比表面还高，易形成更强的熔化、汽化，使光能向材料更深处传递。所以在实际应用中，当要求熔深较大时，采用负离焦；焊接薄材料时，宜用正离焦。离焦量的变化直接改变了光斑直径与能量密度的大小，离焦量向负方向和正方向增大时，都意味着光斑直径的增大和能量密度的减小。通过离焦量可调整能量密度。在激光点焊过程中，光斑直径与激光入射在试件上所形成的初始匙孔大小存在一定的对应关系，而能量密度则决定了熔池的扩展速度。当离焦量绝对值较小时，激光光斑直径小，激光功率密度大，焊点熔池扩展的速度较快，但初始匙孔

13、的直径小；相反情况下，离焦量较大，初始匙孔的直径大，但是熔池扩展速度变慢，得到的焊点尺寸不一定很大。在一定激光功率和焊接速度下，只有焦点处于最佳位置范围内才能获得最大熔深和好的焊缝形状。2.5 影响深熔焊焊接质量的工艺参数和效应2.5.1 热导焊和深熔焊的区别热导焊和深熔焊最基本的区别在于前者熔池表面保持封闭，而后者熔池则被激光束穿透成孔。热导焊对系统的扰动较小，因为激光束的辐射没有穿透被焊材料，所以，在传导焊过程中焊缝不易被气体侵入；而深熔焊时，小孔的不断关闭能导致气孔。2.5.2 等离子体的影响在深熔焊焊接过程中，高功率密度的激光束照射到工件表面，材料被迅速地熔化蒸发，在工件上方形成蒸汽云

14、团。在以很高的速度离开工件表面的过程中，位于入射光束路径上的蒸汽云团受到加热，在一定的条件下会迅速电离，产生等离子体。等离子体对激光有吸收、折射和散射作用，因此一般来说熔池上方的等离子体会削弱到达工件的激光能量。并影响光束的聚焦效果、对焊接不利。通常可辅助侧吹气驱除或削弱等离子体。用作辅助气体的有Ar、He、N2和CO2等。不同辅助气体抑制等离子体的效果与气体的电离势、导热性和离解能等有关。当辅助气体流量低于临界流量时，气体电离势起主导作用。在上述四种气体中He的电离势最高，相应顺序为He（24.5eV）、Ar（15.68eV、N2（14.6eV）和CO2（13.8eV），故认为He抑制等离子

15、体效果最好。但随着辅助吹气流量的进一步增加，由于气体的流动使热辐射对流作用增加，相对电离势而言气体的导热性和离解能起主要作用。从导热性方面看，四种气体排列顺序为：ArN2CO2He，即Ar具有最低导热率，其等离子体维持阈值低，故容易被加热而屏蔽；而He的热导率最大，其等离子体维持阈值最高，故容易扩散。综上分析，He是抑制等离子体较理想的气体。对于同一种保护气体，喷嘴的角度和高度，喷吹气体流量和压力对于焊缝成形都会产生不同结果。当侧吹喷嘴高度增加或气体流速增大时，等离子体云团的平均体积减少，焊缝正面熔宽减少，焊缝背面熔宽增大。激光焊接过程常使用惰性气体来保护熔池，对大多数场合则常采用He、Ar、

16、N2等气体作保护。使工件在焊接过程巾免受氧化。He不易电离（电高温度较高），可让激光束顺利通过，光束能量不受阻地直达工件表面，是激光焊接时使用最有效的保护气体。Ar较便宜，出于其密度较大，所以保护较好；但易受高温金属离子体电离。屏蔽了部分光束，减少了焊接时的有效功率，也损害焊接速度和熔深。使用氩保护时表面光滑。N2作为保护气体最便宜，但对某些类型不锈钢焊接时并不适用。3 结论综合以上的分析，要在高速连续的激光焊接过程中控制在合适的范围内，保证焊接质量如焊缝成形的可靠性和稳定性，确保焊接的质量，一方面须采用光束质量和功率输出稳定性好的激光器和采用高质量、高稳定性的光学元件组成其导光聚焦系统，并经

17、常维护，防止污染，保持清洁，并适当对工件进行预处理；另一方面要针对不同的加工材料分别设定不同的激光加工参数，选择合适的激光功率密度和光束模式、焊接速度、脉冲波形和宽带、离焦量和保护气体等，发展激光焊接过程实时监测与控制方法，以优化参数，监视到达工件的激光功率和离焦量等的变化，实现闭环控制，提高激光焊接质量的可靠件和稳定性。由于影响激光焊接质量的主要因素很多，实际焊接是一个非常复杂的过程，本文仅就各因素进行独立的分析，并未太多考虑到因素间存在的关联，故本文还存在一定的不足。参 考 文 献1郭亮,华师-激光焊接2011,华南师范大学2焊接资源网,影响激光焊接质量的主要因素,3白光,扩展毫秒脉冲YAG激光器焊接应用的潜力J.激光与光电子学进展,第39卷:p49-p55,20024陈家壁,彭润玲,激光原理与应用,北京:电子工业出版社,2008.85王剑,刘玉麟. CO_2激光深熔焊缝影响因素J. 金属世界, 2008年第三期:p55-p58,20086程隆双,冯薇. 影响激光焊接加工的几个主要参数J. 机电技术, 2008年第1期:p58-p61,20087激光制造网,几种激光焊接方法及其应用,8买卖焊机网,侧吹气体对激光焊接等离子体的影响,9张文毓. 激光焊接技术的研究现状与应用J. 新技术新工艺, 2009年第1期:p48-51,2009