激光焊接原理与主要工艺参数

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激光焊接原理与主要工艺参数

虎强

激光焊接原理与主要工艺参数
7 [3 p" c" I' l" ?5 x激光焊接原理与主要工艺参数

1．激光焊接原理
3 w$ a  P8 f# B- p  P   激光焊接可以采用连续或脉冲激光束加以实现，激光焊接的原理可分为热传导型焊接和激光深熔焊接。功率密度小于104~105 W/cm2为热传导焊，此时熔深浅、焊接速度慢；功率密度大于105~107 W/cm2时，金属表面受热作用下凹成“孔穴”，形成深熔焊，具有焊接速度快、深宽比大的特点。
( e3 n5 y5 ]! S' ~+ D其中热传导型激光焊接原理为：激光辐射加热待加工表面，表面热量通过热传导向内部扩散，通过控制激光脉冲的宽度、能量、峰功率和重复频率等激光参数，使工件熔化，形成特定的熔池。
6 y9 t, Z7 n+ u9 T5 U- t% d用于齿轮焊接和冶金薄板焊接用的激光焊接机主要涉及激光深熔焊接。下面重点介绍激光深熔焊接的原理。
激光深熔焊接一般采用连续激光光束完成材料的连接，其冶金物理过程与电子束焊接极为相似，即能量转换机制是通过“小孔”（Key-hole）结构来完成的。在足够高的功率密度激光照射下，材料产生蒸发并形成小孔。这个充满蒸气的小孔犹如一个黑体，几乎吸收全部的入射光束能量，孔腔内平衡温度达2500 0C左右，热量从这个高温孔腔外壁传递出来，使包围着这个孔腔四周的金属熔化。小孔内充满在光束照射下壁体材料连续蒸发产生的高温蒸汽，小孔四壁包围着熔融金属，液态金属四周包围着固体材料（而在大多数常规焊接过程和激光传导焊接中，能量首先沉积于工件表面，然后靠传递输送到内部）。孔壁外液体流动和壁层表面张力与孔腔内连续产生的蒸汽压力相持并保持着动态平衡。光束不断进入小孔，小孔外的材料在连续流动，随着光束移动，小孔始终处于流动的稳定状态。就是说，小孔和围着孔壁的熔融金属随着前导光束前进速度向前移动，熔融金属充填着小孔移开后留下的空隙并随之冷凝，焊缝于是形成。上述过程的所有这一切发生得如此快，使焊接速度很容易达到每分钟数米。

6 D" U1 V6 |) N( s2. 激光深熔焊接的主要工艺参数
1)激光功率。激光焊接中存在一个激光能量密度阈值，低于此值，熔深很浅，一旦达到或超过此值，熔深会大幅度提高。只有当工件上的激光功率密度超过阈值（与材料有关），等离子体才会产生，这标志着稳定深熔焊的进行。如果激光功率低于此阈值，工件仅发生表面熔化，也即焊接以稳定热传导型进行。而当激光功率密度处于小孔形成的临界条件附近时，深熔焊和传导焊交替进行，成为不稳定焊接过程，导致熔深波动很大。激光深熔焊时，激光功率同时控制熔透深度和焊接速度。焊接的熔深直接与光束功率密度有关，且是入射光束功率和光束焦斑的函数。一般来说，对一定直径的激光束，熔深随着光束功率提高而增加。
6 B* Q% H+ g6 r" l; x# Y2)光束焦斑。光束斑点大小是激光焊接的最重要变量之一，因为它决定功率密度。但对高功率激光来说，对它的测量是一个难题，尽管已经有很多间接测量技术。
  u2 {' L1 J. i. `3 @# {光束焦点衍射极限光斑尺寸可以根据光衍射理论计算，但由于聚焦透镜像差的存在，实际光斑要比计算值偏大。最简单的实测方法是等温度轮廓法，即用厚纸烧焦和穿透聚丙烯板后测量焦斑和穿孔直径。这种方法要通过测量实践，掌握好激光功率大小和光束作用的时间。
4 }- a) {1 n' U3 q( W3)材料吸收值。材料对激光的吸收取决于材料的一些重要性能，如吸收率、反射率、热导率、熔化温度、蒸发温度等，其中最重要的是吸收率。
影响材料对激光光束的吸收率的因素包括两个方面：首先是材料的电阻系数，经过对材料抛光表面的吸收率测量发现，材料吸收率与电阻系数的平方根成正比，而电阻系数又随温度而变化；其次，材料的表面状态（或者光洁度）对光束吸收率有较重要影响，从而对焊接效果产生明显作用。
CO2激光器的输出波长通常为10.6μm，陶瓷、玻璃、橡胶、塑料等非金属对它的吸收率在室温就很高，而金属材料在室温时对它的吸收很差，直到材料一旦熔化乃至气化，它的吸收才急剧增加。采用表面涂层或表面生成氧化膜的方法，提高材料对光束的吸收很有效。
4)焊接速度。焊接速度对熔深影响较大，提高速度会使熔深变浅，但速度过低又会导致材料过度熔化、工件焊穿。所以，对一定激光功率和一定厚度的某特定材料有一个合适的焊接速度范围，并在其中相应速度值时可获得最大熔深。图10-2给出了1018钢焊接速度与熔深的关系。
; `2 w$ }4 y+ I7 W5)保护气体。激光焊接过程常使用惰性气体来保护熔池，当某些材料焊接可不计较表面氧化时则也可不考虑保护，但对大多数应用场合则常使用氦、氩、氮等气体作保护，使工件在焊接过程中免受氧化。
1 P% \. f9 L' T. D5 M氦气不易电离（电离能量较高），可让激光顺利通过，光束能量不受阻碍地直达工件表面。这是激光焊接时使用最有效的保护气体，但价格比较贵。
氩气比较便宜，密度较大，所以保护效果较好。但它易受高温金属等离子体电离，结果屏蔽了部分光束射向工件，减少了焊接的有效激光功率，也损害焊接速度与熔深。使用氩气保护的焊件表面要比使用氦气保护时来得光滑。
氮气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，主要是由于冶金学方面问题，如吸收，有时会在搭接区产生气孔。
使用保护气体的第二个作用是保护聚焦透镜免受金属蒸气污染和液体熔滴的溅射。特别在高功率激光焊接时，由于其喷出物变得非常有力，此时保护透镜则更为必要。
保护气体的第三个作用是对驱散高功率激光焊接产生的等离子屏蔽很有效。金属蒸气吸收激光束电离成等离子云，金属蒸气周围的保护气体也会因受热而电离。如果等离子体存在过多，激光束在某种程度上被等离子体消耗。等离子体作为第二种能量存在于工作表面，使得熔深变浅、焊接熔池表面变宽。通过增加电子与离子和中性原子三体碰撞来增加电子的复合速率，以降低等离子体中的电子密度。中性原子越轻，碰撞频率越高，复合速率越高；另一方面，只有电离能高的保护气体，才不致因气体本身的电离而增加电子密度。
' M( _( C. m8 y表    　常用气体和金属的原子(分子)量和电离能
材料    氦    氩    氮    铝    镁    铁
# H3 z- P: M  B4 p0 c% J/ c原子(分子)量    4    40    28    27    24    56
5 a  ~# V: k4 U2 e. m电离能(eV)    24.46    15.68    14.5    5.96    7.61    7.83
从表可知，等离子体云尺寸与采用的保护气体不同而变化，氦气最小，氮气次之，使用氩气时最大。等离子体尺寸越大，熔深则越浅。造成这种差别的原因首先由于气体分子的电离程度不同，另外也由于保护气体不同密度引起金属蒸气扩散差别。
* }& Q# E& M6 P) c: ?+ {: i氦气电离最小，密度最小，它能很快地驱除从金属熔池产生的上升的金属蒸气。所以用氦作保护气体，可最大程度地抑制等离子体，从而增加熔深，提高焊接速度；由于质轻而能逸出，不易造成气孔。当然，从我们实际焊接的效果看，用氩气保护的效果还不错。
等离子云对熔深的影响在低焊接速度区最为明显。当焊接速度提高时，它的影响就会减弱。
保护气体是通过喷嘴口以一定的压力射出到达工件表面的，喷嘴的流体力学形状和出口的直径大小十分重要。它必须以足够大以驱使喷出的保护气体覆盖焊接表面，但为了有效保护透镜，阻止金属蒸气污染或金属飞溅损伤透镜，喷口大小也要加以限制。流量也要加以控制，否则保护气的层流变成紊流，大气卷入熔池，最终形成气孔。
6 b# A; |! g6 @4 a3 U为了提高保护效果，还可用附加的侧向吹气的方式，即通过一较小直径的喷管将保护气体以一定的角度直接射入深熔焊接的小孔。保护气体不仅抑制了工件表面的等离子体云，而且对孔内的等离子体及小孔的形成施加影响，熔深进一步增大，获得深宽比较为理想的焊缝。但是，此种方法要求精确控制气流量大小、方向，否则容易产生紊流而破坏熔池，导致焊接过程难以稳定。
6)透镜焦距。焊接时通常采用聚焦方式会聚激光，一般选用63~254mm(2.5”~10”)焦距的透镜。聚焦光斑大小与焦距成正比，焦距越短，光斑越小。但焦距长短也影响焦深，即焦深随着焦距同步增加，所以短焦距可提高功率密度，但因焦深小，必须精确保持透镜与工件的间距，且熔深也不大。由于受焊接过程中产生的飞溅物和激光模式的影响，实际焊接使用的最短焦深多为焦距126mm(5”)。当接缝较大或需要通过加大光斑尺寸来增加焊缝时，可选择254mm(10”)焦距的透镜，在此情况下，为了达到深熔小孔效应，需要更高的激光输出功率（功率密度）。
当激光功率超过2kW时，特别是对于10.6μm的CO2激光束，由于采用特殊光学材料构成光学系统，为了避免聚焦透镜遭光学破坏的危险，经常选用反射聚焦方法，一般采用抛光铜镜作反射镜。由于能有效冷却，它常被推荐用于高功率激光束聚焦。
/ a6 ]7 _! C3 u" i7 e9 J/ G7)焦点位置。焊接时，为了保持足够功率密度，焦点位置至关重要。焦点与工件表面相对位置的变化直接影响焊缝宽度与深度。图2-6表示焦点位置对1018钢熔深及缝宽的影响。
2 [0 D: J4 v3 f6 \% \7 i* P/ P$ F在大多数激光焊接应用场合，通常将焦点的位置设置在工件表面之下大约所需熔深的1/4处。
8)激光束位置。对不同的材料进行激光焊接时，激光束位置控制着焊缝的最终质量，特别是对接接头的情况比搭接结头的情况对此更为敏感。例如，当淬火钢齿轮焊接到低碳钢鼓轮，正确控制激光束位置将有利于产生主要有低碳组分组成的焊缝，这种焊缝具有较好的抗裂性。有些应用场合，被焊接工件的几何形状需要激光束偏转一个角度，当光束轴线与接头平面间偏转角度在100度以内时，工件对激光能量的吸收不会受到影响。
9)焊接起始、终止点的激光功率渐升、渐降控制。激光深熔焊接时，不管焊缝深浅，小孔现象始终存在。当焊接过程终止、关闭功率开关时，焊缝尾端将出现凹坑。另外，当激光焊层覆盖原先焊缝时，会出现对激光束过度吸收，导致焊件过热或产生气孔。
* c& D/ ^4 ~% C0 c; H, I" k+ i" k为了防止上述现象发生，可对功率起止点编制程序，使功率起始和终止时间变成可调，即起始功率用电子学方法在一个短时间内从零升至设置功率值，并调节焊接时间，最后在焊接终止时使功率由设置功率逐渐降至零值。
; o5 g9 f" F* ~1.    激光深熔焊特征及优、缺点
9 n1 L% r; j) F（－）激光深熔焊的特征
1)    高的深宽比。因为熔融金属围着圆柱形高温蒸气腔体形成并延伸向工件，焊缝就变成深而窄。
7 {2 y- M/ R! M' o0 Z. w0 [$ P; Z& a2)    最小热输入。因为小孔内的温度非常高，熔化过程发生得极快，输入工件热量很低，热变形和热影响区很小。
7 X+ C4 V/ f/ X6 b# V3)    高致密性。因为充满高温蒸气的小孔有利于焊接熔池搅拌和气体逸出，导致生成无气孔的熔透焊缝。焊后高的冷却速度又易使焊缝组织细微化。
1 ]# K: q. }% D; F7 J4)    强固焊缝。因为炽热热源和对非金属组分的充分吸收，降低杂质含量、改变夹杂尺寸和其在熔池中的分布。焊接过程无需电极或填充焊丝，熔化区受污染少，使得焊缝强度、韧性至少相当于甚至超过母体金属。
+ H) W: D. C% `) s5)    精确控制。因为聚焦光点很小，焊缝可以高精确定位。激光输出无“惯性”，可在高速下急停和重新起始，用数控光束移动技术则可焊接复杂工件。
$ [% l& e8 l7 [. J  E6)    非接触大气焊接过程。因为能量来自光子束，与工件无物理接触，所以没有外力施加工件。另外，磁和空气对激光都无影响。
（二）激光深熔焊的优点
1)    由于聚焦激光比常规方法具有高得多的功率密度，导致焊接速度快，受热影响区和变形都很小，还可以焊接钛等难焊的材料。
2)    因为光束容易传输和控制，又不需要经常更换焊枪、喷嘴，又没有电子束焊接所需的抽真空，显著减少停机辅助时间，所以有荷系数和生产效率都高。
3)    由于纯化作用和高的冷却速度，焊缝强度、韧性和综合性能高。
4)    由于平均热输入低，加工精度高，可减少再加工费用；另外，激光焊接运转费用也较低，从而可降低工件加工成本。
+ C- z- I1 v. V5)    对光束强度和精细定位能有效控制，容易实现自动化操作。
（三）激光深熔焊的缺点
4 a, P0 ~4 N* R" `) F& n1)    焊接深度有限。
2)    工件装配要求高。
3)    激光系统一次性投资较高。