影響激光焊接質(zhì)量的主要因素

1、激光加工概論課程論文題目影響激光焊接質(zhì)量的主要因素姓名所在學(xué)院專業(yè)班級(jí)學(xué)號(hào)指導(dǎo)教師2011年12月影響激光焊接質(zhì)量的主要因素摘要：本文通過對(duì)影響激光焊接質(zhì)量的因素中的焊接設(shè)備、工件狀況和激光功率密度和光束模式、焊接速度、脈沖波形和脈寬、離焦量和保護(hù)氣體等工藝參數(shù)進(jìn)行分析，并分別就熱導(dǎo)焊和深熔焊的特點(diǎn)作具體討論，闡述提高激光焊接質(zhì)量的可靠件和穩(wěn)定性的方法和途徑，并對(duì)激光焊接的發(fā)展提出展望和建議。關(guān)鍵詞：激光焊接功率密度脈沖波形離焦量1前言激光焊接是以高功率聚焦激光束為熱源，熔化材料形成焊接接頭的高精度高效率焊接方法。1激光焊接現(xiàn)已在各領(lǐng)域中得到大規(guī)模的應(yīng)用，由于焊接質(zhì)量中出現(xiàn)問題，所造成的危害甚

2、至是毀滅性的，故正確設(shè)定和控制影響激光焊接質(zhì)量的因素，使其在高速連續(xù)的激光焊接過程中控制在合適的范圍內(nèi)，對(duì)保證焊接質(zhì)量如焊縫成形的可靠性和穩(wěn)定性等有著重要意義。本文就影響因素中的焊接設(shè)備，工件狀況和工藝參數(shù)等方面進(jìn)行分析，并分別就熱導(dǎo)焊和深熔焊的特點(diǎn)作具體討論。2主要影響因素焊接設(shè)備激光焊接設(shè)備通常由激光器、導(dǎo)光和聚焦系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)組成。激光器用于激光焊接的激光器主要有CO2氣體激光器和YAG固體激光器兩種。激光器最重要的性能是輸出功率和光束質(zhì)量。從這兩方向考慮，CO2激光器比YAG激光器具有很大優(yōu)勢(shì)，是目前深熔焊接主要采用的激光器，生產(chǎn)上應(yīng)用大多數(shù)還處在156kW范圍。而YAG激光器在

3、過去相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)提高功率有困難，一般功率小于1kW,只用于薄小零件的微聯(lián)接。但是，近幾年來，國(guó)外在研制和生產(chǎn)大功率YAG激光器方面取得了突破性的進(jìn)展，最大功率已達(dá)5kW,并已投人市場(chǎng)。且由于其波長(zhǎng)短，僅為CO2激光的1/10,有利于金屬表面吸收，可以用光纖傳輸，使導(dǎo)光系統(tǒng)大為簡(jiǎn)化，故大功率YAG激光焊接技術(shù)在今后一段時(shí)間內(nèi)將獲得迅速發(fā)展。焊接對(duì)激光器的質(zhì)量要求最主要的是光束模式和輸出功率及其穩(wěn)定性。光束模式是光束質(zhì)量的主要指標(biāo)，光束模式階數(shù)越低，光束聚焦性能越好，光斑越小，相同激光功率下功率密度越高，焊縫深寬越大。一般要求基模(TEM00)或低階模，否則難以滿足高質(zhì)量激光焊接的要求參考郭亮

4、的華師-激光夕接2011，本文多處引用自該課件，以下就不再列出本文2.3節(jié)將對(duì)此進(jìn)行具體分析。雖然目前國(guó)產(chǎn)激光器在光束質(zhì)量和功率輸出穩(wěn)定性方面用于激光焊接還有一定困難。但從國(guó)外情況來看，激光器的光束質(zhì)量和輸出功率穩(wěn)定性已相當(dāng)高，應(yīng)不會(huì)成為激光焊接的問題。引用焊接資源網(wǎng)的影響激光焊接質(zhì)量的主要因素另外，高的焊接還要求激光器抽運(yùn)源應(yīng)能保證脈沖輻射波形的連續(xù)可調(diào)和輸出光束發(fā)散角應(yīng)足夠小。參考白光的擴(kuò)展毫秒脈沖YAG激光器焊接應(yīng)用的潛力導(dǎo)光和聚焦系統(tǒng)導(dǎo)光聚焦系統(tǒng)由圓偏振鏡、擴(kuò)束鏡、反射鏡或光纖、聚焦鏡等組成，實(shí)現(xiàn)改變光束偏振狀態(tài)、方向，傳輸光束和聚焦的功能。這些光學(xué)零件的狀況對(duì)激光焊接質(zhì)量有極其重要的

5、影響。在大功率激光作用下，光學(xué)部件，尤其是透鏡性能會(huì)劣化使透過率下降；會(huì)產(chǎn)生熱透鏡效應(yīng)(透鏡受熱膨脹焦距縮短)；表面污染也會(huì)增加傳輸損耗。所以光學(xué)部件的質(zhì)量，維護(hù)和工作狀態(tài)監(jiān)測(cè)對(duì)保證焊接質(zhì)量至關(guān)重要。光束變換系統(tǒng)中影響焊接質(zhì)量最大的因素是聚焦鏡，所用焦距一般在127mm(5in)到200mm(7.9in)之間，焦距小對(duì)減小聚焦光束腰斑直徑有好處，但過小容易在焊接過程中受污染和飛濺損傷。工件狀況激光焊接要求對(duì)工件的邊緣進(jìn)行加工，裝配有很高的精度，光斑與焊縫嚴(yán)格對(duì)中，而且工件原始裝配精度和光斑對(duì)中情況在焊接過程中不能因焊接熱變形而變化。這是因?yàn)榧す夤獍咝?，焊縫窄，一般不加填充金屬，如裝配不嚴(yán)間隙過

6、大，光束能穿過間隙不能熔化母材，或者引起明顯的咬邊、凹陷，如光斑對(duì)縫的偏差稍大就有可能造成未熔合或未焊透。所以，一般板材對(duì)接裝配間隙和光斑對(duì)縫偏差均不應(yīng)大于0.1mm,錯(cuò)邊不應(yīng)大于0.2mm。當(dāng)焊縫較長(zhǎng)時(shí)，焊前的準(zhǔn)備難度很大，普通剪床一般不能滿足要求.必須經(jīng)過機(jī)械加工或用高精度2345剪床剪切，還必須根據(jù)具體工件情況設(shè)計(jì)合適的精密胎夾具。實(shí)際生產(chǎn)中，有時(shí)因不能滿足這些要求，而無法采用激光焊接技術(shù)。激光功率密度和光束模式對(duì)焊接質(zhì)量影響激光功率密度是激光焊接的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，對(duì)于同一種金屬來說，激光功率密度不同時(shí)材料達(dá)到熔點(diǎn)和沸點(diǎn)的時(shí)間不同。溫度沸點(diǎn)熔點(diǎn)室溫圖2-1大于cm-3小于cm-兩種功率密度

7、下同一金屬表層及底層的溫度與時(shí)間的關(guān)系從圖2-1可見，激光功率密度越大其達(dá)到熔點(diǎn)和沸點(diǎn)的時(shí)間越快且表層底層間的時(shí)間差值越少。又由于不同材料的熱導(dǎo)率和熱擴(kuò)散率等不同。激光功率密度需根據(jù)材料本身的特性及焊接技術(shù)要求來選取。一般情況下，在薄板（板厚為0.01-0.10mm）焊接中，激光功率密度范圍為Fm<F<Fc,在厚板（板厚大于0.50mm）焊接中，激光功率密度范圍為Fm<F<FVFc、Fv和Fm分別為熔點(diǎn)、沸點(diǎn)和臨界激光功率密度O同時(shí)，激光功率密度的大小對(duì)其熔深和焊接速度存在相當(dāng)?shù)挠绊?。激光功率八V）圖2-2激光熱導(dǎo)焊焊接不銹鋼時(shí)功率與焊接速度、熔化深度的關(guān)系圖2-2中1

8、、2、3分別為1.0、3.0、10.0mm/s的焊接速度時(shí)熔化深度曲線。圖2-2為陳家壁的激光原理與應(yīng)用第178頁(yè)圖7-20可以看出，在一定的激光功率下，提高焊接速度，則熱輸入下降，焊接熔深減少。對(duì)于不同的激光功率密度，要到達(dá)要求的熔化深度需選擇不同的焊接速度。激光深熔焊的熔深和激光輸出功率也密切相關(guān)，也是功率和光斑直徑的函數(shù)。由于不同的材料都有一個(gè)臨界功率密度閾值，只有激光的功率密度超過這個(gè)閾值，才能形成小孔，獲得深熔焊接。適當(dāng)降低焊接速度可加大熔深，但若焊接速度過低，熔深卻不會(huì)再增加，反而使熔寬增大，所以對(duì)于給定的激光功率等條件，存在一維持熔深焊接的最小焊接速度。圖2-3激光束模式對(duì)激光焊

9、接的影響光束模式?jīng)Q定了聚焦焦點(diǎn)的能量分布，其對(duì)深熔焊有著重要的影響。如圖2-3圖2-3、2-4來自王劍，劉玉麟的CO_2激光深熔焊縫影響因素所示，激光束為基模時(shí)，可以獲得最大的焊縫深度與深寬比，光束模式的階次越高，激光束的能量分布越發(fā)散，焊接質(zhì)量變差。具有不同光束聚焦特征參數(shù)值Kf的光束對(duì)激光焊接質(zhì)量的影響如圖2-4所示，光束的Kf值越大，質(zhì)量就越差，焊縫的深寬比就越小。30加工株度S/rm圖2-4光束Kf值與激光深熔焊深度與寬度的關(guān)系影響熱導(dǎo)焊焊接質(zhì)量的工藝參數(shù)本節(jié)內(nèi)容參考程隆雙，馮薇影響激光焊接加工的幾個(gè)主要參數(shù)脈沖波形對(duì)焊接質(zhì)量影響激光脈沖波形在激光焊接中是一個(gè)重要問題，尤其對(duì)于薄片焊接

10、更為重要。當(dāng)高強(qiáng)度激光束射至材料表面，金屬表面將會(huì)有6098%的激光能量反射而損失掉，且反射率隨表面溫度變化。在一個(gè)激光脈沖作用期間內(nèi)，金屬反射率的變化很大。1.2圖2-5脈沖作用期間內(nèi)，材料的相對(duì)反射率隨時(shí)間的變化曲線1、2圖2-5為一個(gè)激光脈沖作用期間內(nèi)，材料的相對(duì)反射率隨時(shí)間的變化曲線（曲線分別為銅和鋼的反射率變化）。可以看出，激光脈沖開始作用時(shí)反射率高相當(dāng)高；當(dāng)材料表面溫度升至熔點(diǎn)時(shí)，反射率迅速下降；表面處于熔化狀態(tài)時(shí)，反射率穩(wěn)定于某一值；當(dāng)表面溫度繼續(xù)上升到沸點(diǎn)時(shí)，反射率又一次下降。對(duì)于上述情況，在焊接銅、鋁、金、銀等高反射率的材料時(shí)，為了突破高反射率的屏障，可以利用帶有前置尖峰的激

11、光波形，在開始出現(xiàn)的尖峰，迅速改變金屬表面狀況，使其溫度上升至熔點(diǎn)，從而在脈沖時(shí)刻到來時(shí)，瞬間把金屬表面反射率較低，使光脈沖的能量利用率麗圖2-6前置尖峰的激光波大大提高，利于后續(xù)的熱導(dǎo)焊處理。前置尖峰的激光波形如圖2-610所示:但這種脈沖波型在高重復(fù)率縫焊時(shí)不宜采用。因?yàn)橹貜?fù)率很高時(shí)，重疊區(qū)可能仍處于熔融狀態(tài)。若使用這種波形，初期尖峰可使表面出現(xiàn)高速氣化，伴隨著劇烈的體積膨脹，金屬蒸氣以超聲速向外擴(kuò)張，給工件很大的反沖力，使金屑產(chǎn)生飛濺，在熔斑中形成不規(guī)則的孔洞。這在氣密性要求高的縫焊中尤其要避免，故縫焊中宜采用矩形波或緩衰減波形，減緩或慢慢均勻預(yù)熱，且不能快速冷卻，其激光波形如下圖所示。

12、而對(duì)于鐵、饃、鋁鈦等黑色金屬，表面反射率較低，也可采用如圖2-7波形。10圖2-1、2-5、2-6來自郭亮的華師-激光或接2011脈沖寬度對(duì)焊接質(zhì)量影響激光脈寬是脈沖激光焊接的重要參數(shù)之一，它是決定材料是否熔化的重要參數(shù)。為了保證激光焊接過程中材料表面不出現(xiàn)強(qiáng)烈氣化，一般假定在脈沖終止時(shí)材料表面溫度達(dá)到沸點(diǎn)。最大熔深與脈寬關(guān)系Zmax=24、ktp(1-Z)maxp.二Tv從該式可以得到：(1)最大的熔深正比于脈寬的平方根，脈寬越長(zhǎng)，熔深越深。(2)熔點(diǎn)、沸點(diǎn)相差較大的金屬，如鋁、鉗、鴇等，則熔深較深。(3)熱擴(kuò)散率越大的金屬，如金、銅、銀等，熔深越深。2.4.3離焦量對(duì)焊接質(zhì)量影響激光焊接通

13、常需要一定的離焦量，因?yàn)榧す饨裹c(diǎn)處光斑中心的功率密度過高，容易蒸發(fā)成孔。離開激光焦點(diǎn)的各平面上，功率密度分布相對(duì)均勻。離焦方式有兩種：正離焦與負(fù)離焦。焦平面位于工件上方為正離焦，反之為負(fù)離焦。按幾何光學(xué)理論，當(dāng)正負(fù)離焦量相等時(shí)，所對(duì)應(yīng)平面上功率密度近似相同，但實(shí)際上所獲得的熔池形狀不同。負(fù)離焦時(shí)，可獲得更大的熔深，這與熔池的形成過程有關(guān)。實(shí)驗(yàn)表明，激光加熱50200us材料開始熔化，形成液相金屬并出現(xiàn)汽化，形成蒸汽，并以極高的速度噴射，發(fā)出耀眼的白光。與此同時(shí)，高濃度汽體使液相金屬運(yùn)動(dòng)至熔池邊緣，在熔池中心形成凹陷。當(dāng)負(fù)離焦時(shí)，材料內(nèi)部功率密度比表面還高，易形成更強(qiáng)的熔化、汽化，使光能向材料更

14、深處傳遞。所以在實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)要求熔深較大時(shí)，采用負(fù)離焦；焊接薄材料時(shí)，宜用正離焦。離焦量的變化直接改變了光斑直徑與能量密度的大小，離焦量向負(fù)方向和正方向增大時(shí)，都意味著光斑直徑的增大和能量密度的減小。通過離焦量可調(diào)整能量密度。在激光點(diǎn)焊過程中，光斑直徑與激光入射在試件上所形成的初始匙孔大小存在一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，而能量密度則決定了熔池的擴(kuò)展速度。當(dāng)離焦量絕對(duì)值較小時(shí)，激光光斑直徑小，激光功率密度大，焊點(diǎn)熔池?cái)U(kuò)展的速度較快，但初始匙孔的直徑?。幌喾辞闆r下，離焦量較大，初始匙孔的直徑大，但是熔池?cái)U(kuò)展速度變慢，得到的焊點(diǎn)尺寸不一定很大。在一定激光功率和焊接速度下，只有焦點(diǎn)處于最佳位置范圍內(nèi)才能獲得最大

15、熔深和好的焊縫形狀。2.5影響深熔焊焊接質(zhì)量的工藝參數(shù)和效應(yīng)熱導(dǎo)焊和深熔焊的區(qū)別熱導(dǎo)焊和深熔焊最基本的區(qū)別在于前者熔池表面保持封閉，而后者熔池則被激光束穿透成孔。熱導(dǎo)焊對(duì)系統(tǒng)的擾動(dòng)較小，因?yàn)榧す馐妮椛錄]有穿透被焊材料，所以，在傳導(dǎo)焊過程中焊縫不易被氣體侵入；而深熔焊時(shí)，小孔的不斷關(guān)閉能導(dǎo)致氣孔。參考激光制造網(wǎng)的幾種激光焊接方法及其應(yīng)用等離子體的影響在深熔焊焊接過程中，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發(fā)，在工件上方形成蒸汽云團(tuán)。在以很高的速度離開工件表面的過程中，位于入射光束路徑上的蒸汽云團(tuán)受到加熱，在一定的條件下會(huì)迅速電離，產(chǎn)生等離子體。等離子體對(duì)激光有吸收、折射和散射作

16、用，因此一般來說熔池上方的等離子體會(huì)削弱到達(dá)工件的激光能量。并影響光束的聚焦效果、對(duì)焊接不利。通?？奢o助側(cè)吹氣驅(qū)除或削弱等離子體。用作輔助氣體的有Ar、He、N2和CO2等。不同輔助氣體抑制等離子體的效果與氣體的電離勢(shì)、導(dǎo)熱性和離解能等有關(guān)。當(dāng)輔助氣體流量低于臨界流量時(shí)，氣體電離勢(shì)起主導(dǎo)作用。在上述四種氣體中He的電離勢(shì)最高，相應(yīng)順序?yàn)镠e（24.5eV）、Ar（15.68eV、N2（14.6eV）和CO2（13.8eV）,故認(rèn)為He抑制等離子體效果最好。但隨著輔助吹氣流量的進(jìn)一步增加，由于氣體的流動(dòng)使熱輻射對(duì)流作用增加，相對(duì)電離勢(shì)而言.氣體的導(dǎo)熱性和離解能起主要作用。從導(dǎo)熱性方面看，四種氣體

17、排列順序?yàn)椋篈r<N2<CO2<He,即Ar具有最低導(dǎo)熱率，其等離子體維持閾值低，故容易被加熱而屏蔽；而He的熱導(dǎo)率最大，其等離子體維持閾值最高，故容易擴(kuò)散。綜上分析，He是抑制等離子體較理想的氣體。11對(duì)于同一種保護(hù)氣體，噴嘴的角度和高度，噴吹氣體流量和壓力對(duì)于焊縫成形都會(huì)產(chǎn)生不同結(jié)果。當(dāng)側(cè)吹噴嘴高度增加或氣體流速增大時(shí)，等離子體云團(tuán)的平均體積減少，焊縫正面熔寬減少，焊縫背面熔寬增大。12He、Ar、N2等氣體激光焊接過程常使用惰性氣體來保護(hù)熔池，對(duì)大多數(shù)場(chǎng)合則常采用作保護(hù)。使工件在焊接過程巾免受氧化。He不易電離（電高溫度較高）,可讓激光束順利通過，光束能量不受阻地直達(dá)工

18、件表面，是激光焊接時(shí)使用最有效的保護(hù)氣體。Ar較便宜，出于其密度較大，所以保護(hù)較好；但易受高溫金屬離子體電離。屏蔽了部分光束，減少了焊接時(shí)的有效功率，也損害焊接速度和熔深。使用僦保護(hù)時(shí)表面光滑。N2作為保護(hù)氣體最便宜，但對(duì)某些類型不銹鋼焊接時(shí)并不適用。3結(jié)論綜合以上的分析，要在高速連續(xù)的激光焊接過程中控制在合適的范圍內(nèi)，保證焊接質(zhì)量如焊縫成形的可靠性和穩(wěn)定性，確保焊接的質(zhì)量，一方面須采用光束質(zhì)量和功率輸出穩(wěn)定性好的激光器和采用高質(zhì)量、高穩(wěn)定性的光學(xué)元件組成其導(dǎo)光聚焦系統(tǒng)，并經(jīng)常維護(hù)，防止污染，保持清潔，并適當(dāng)對(duì)工件進(jìn)行預(yù)處理；另一方面要針對(duì)不同的加工材料分別設(shè)定不同的激光加工參數(shù)，選擇合適的激光功率密度和光束模式、焊接速度、脈沖波形和寬帶、離焦量和保護(hù)氣體等，發(fā)展激光焊接過程實(shí)時(shí)監(jiān)