激光焊接體能量及其對焊縫熔深的影響講解

1、激光焊接體能量及其對焊縫熔深的影響定義焊接體能量用來綜合評價激光焊接過程中激光功率、焊接速度、離焦量及 焦點(diǎn)尺寸等焊接規(guī)范參數(shù)對激光焊接過程的影響，焊接體能量與激光功率呈正 比、焊接速度呈反比、與離焦量呈指數(shù)關(guān)系。研究結(jié)果表明，隨著焊接體能量 的增大，焊縫熔深近似呈線性增大。前言激光焊接，特別是激光深熔焊接是一 個非常復(fù)雜的物理化學(xué)過程，涉及到激光材料等離子體之間的相互作用。 但是在激光焊接過程中影響并決定焊縫熔深等焊縫成型狀況的是激光定義焊接體能量用來綜合評價激光焊接過程中激光 功率 、焊接速度、離 焦量及焦點(diǎn)尺寸等焊接規(guī)范參數(shù)對激光焊接過程的影響，焊接體能量與激光功 率呈正比、焊接速度呈反

2、比、與離焦量呈指數(shù)關(guān)系。研究結(jié)果表明，隨著焊接 體能量的增大，焊縫熔深近似呈線性增大。、, 、-前言激光焊接，特別是激光深熔焊接是一個非常復(fù)雜的物理化學(xué)過程，涉及 到激光材料等離子體之間的相互作用。但是在激光焊接過程中影響并決定 焊縫熔深等焊縫成型狀況的是激光功率、焊接速度、離焦量及焦點(diǎn)尺寸等焊接 規(guī)范參數(shù)，其中離焦量（在激光焊接中，一般用離焦量來表征激光光斑及焦點(diǎn) 尺寸）是焊縫熔深的重要影響因素之一。在電弧焊中，人們常采用焊接線能量或熱輸入（二者的單位均為Jm-1）來描述和評價焊接過程中電弧電壓、焊接 電流和焊接速度等焊接規(guī)范參數(shù)對焊 縫熔深的影響，但是這兩個參數(shù)都沒有考慮電弧作用面積對焊縫

3、熔深的影響。如果用電弧焊中的焊接線能量或熱輸入來綜合評價激光焊接過程中焊接規(guī)范參數(shù)對焊縫熔深的影響，則不能反映離焦量及焦點(diǎn)尺寸對焊縫熔深的影 響。若考慮離焦量的影響，用熱輸入來評價激光焊接過程中焊接規(guī)范參數(shù)對焊 縫熔深的影響，則容易和電弧焊中的熱輸入在物理意義上混淆。目前，在激光焊接的研究中，還沒有一個參數(shù)能夠綜合體現(xiàn)焊接規(guī)范參 數(shù)對焊接過程的影響。為了綜合評價激光焊接過程中焊接規(guī)范參數(shù)對焊縫熔深 的影響以及區(qū)別電弧焊中的熱輸入，本文定義了焊接體能量，并研究了 Nd:YAG 激光深熔焊接過程中焊接體能量對焊縫熔深的影響。1 、焊接體能量的定義為了能夠綜合評價激光功率、焊接速度、激光輻照面積（離

4、焦量）以及 焦點(diǎn)尺寸等焊接規(guī)范參數(shù)對焊縫熔深的影響，引入焊接體能量的概念，并將焊 接體能量qV的定義。從焊接體能量的定義中可以看出，焊接體能量的物理意義為單位時間內(nèi) 的激光功率密度或單位面積內(nèi)的焊接線能量，其單位為Jm-3，不同于電弧焊中焊接線能量和熱輸入的物理意義和單位 J m-l o從焊接體能量的定義可以看出，焊接體能量可由激光功率、焊接速度、 及離焦量及激光束焦點(diǎn)半徑計(jì)算得出。圖 1為焊接體能量隨激光功率、焊接速 度和離焦量等焊接規(guī)范參數(shù)的變化。從焊接體能量的定義及圖1中可以看出，焊接體能量與激光功率成正比關(guān)系，與焊接速度成反比關(guān)系，與焦點(diǎn)尺寸成平 方關(guān)系，而與離焦量成指數(shù)關(guān)系。焊接體能

5、量的變化能夠體現(xiàn)激光功率、焊接 速度、離焦量等焊接規(guī)范參數(shù)的變化。2 、焊接體能量對焊縫熔深的影響試驗(yàn)條件實(shí)驗(yàn)用的激光器為額定功率為2kW的Nd:YAG固體激光器，輸出波長為 1.06卩m的連續(xù)波激光，激光束由內(nèi)徑為 0.6mm的光纖傳輸，經(jīng)焦距為200mm 的透鏡聚焦輸出激光束焦點(diǎn)半徑為 0.3mm工件為250X 100X 1.8mm的Q235鋼 板，同軸保護(hù)氣為 Ar 氣。本文的主要目的在于研究焊接體能量對焊縫熔深的影 響，因此為了減少接頭形式及其尺寸等因素的影響，實(shí)驗(yàn)采用Nd:YAG激光平板堆焊，深熔焊接模式，并且只測量工件未焊透時的焊縫熔深。通過激光功率、焊接速度、離焦量的離散變化實(shí)現(xiàn)

6、了焊接體能量的變 化。焊接體能量對焊縫熔深的影響焊接體能量與激光功率呈正比，激光功率密度隨著激光功率增大而增 大，焊接體能量也隨之增大。因而在單位時間內(nèi)將有更多的激光束能量輻照到 小孔底部，激光束對孔底的輻照加熱作用增強(qiáng)，孔底蒸發(fā)的材料越多，焊縫熔 深也就越深。焊接體能量與焊接速度呈反比關(guān)系，隨著焊接速度的加快，激光束對小 孔的輻照時間越短，輻照在小孔內(nèi)的焊接體能量就越小，則孔底蒸發(fā)的材料就 越少，焊縫熔深就越淺。焊接體能量與離焦量呈指數(shù)關(guān)系，在離焦量變化過程中，隨著激光束焦 點(diǎn)到工件上表面距離的減小，輻照在小孔內(nèi)的激光光斑就越小，激光功率密度 就越大，焊接體能量也就越大，對孔底材料的轟擊也就

7、越強(qiáng)，孔底蒸發(fā)的材料 也就越多，焊縫熔深也就越深。焊縫熔深隨焊接體能量的變化而近似呈線性變化。焊接體能量越大，則 單位時間、單位面積內(nèi)工件材料接受的激光束輻照的能量越多，蒸發(fā)的材料也 就越多，從而小孔深度和焊縫熔深也就越深。從焊接體能量的定義及圖可以看出，焊接體能量綜合了激光功率、焊接 速度及離焦量等焊接規(guī)范參數(shù)對焊縫熔深的影響。此外，從焊接體能量的定義中還可以看出，焊接體能量與激光束焦點(diǎn)半 徑成平方關(guān)系，能夠體現(xiàn)激光束焦點(diǎn)大小對焊縫熔深的影響。激光束焦點(diǎn)尺寸 越小，焊接體能量就越大，也就可以獲得更深的焊縫熔深?；蛘哒f，在一定的 焊接體能量下，獲得一定深度的焊縫熔深，如果所用激光束焦點(diǎn)越小，則所需 要的激光功率也就越小。因此，可采用強(qiáng)聚焦的方法減小激光束焦點(diǎn)尺寸，從 而達(dá)到增加熔深或減小激光器輸出功率的目的，這一點(diǎn)已被國外有關(guān)研究成果 所證明。3 、結(jié)論（1）定義激光焊接體能量，其由激光功率、焊接速度及離焦量計(jì)算得