影響激光焊接質量的主要因素

1、影響激光焊接質量的主要因素1. 焊接設備 激光焊接設備通常由激光器、導光和聚焦系統(tǒng)組成。 1.1 激光器 用于焊接的激光器主要有脈沖激光器和連續(xù)激光器。最重要的性能是輸出 功率和光束質量。焊接對激光器的質量要求最主要的是光束模式和輸出功 率的穩(wěn)定性。 1.1.1 光束模式 光束模式階數(shù)越低，光束的聚焦性能越好（即光束質量越好），光斑越小， 相同激光功率下激光功率密度越高，焊接深寬比越大。 圖1 光束模式對焊接熔深的影響 圖2 功率密度對熔深的影響 1.1.2 輸出功率穩(wěn)定性 激光器的輸出功率穩(wěn)定性越好，焊接一致性就越好。 1.2 導光和聚焦系統(tǒng) 導光和聚焦系統(tǒng)主要由光纖、準直（擴束）鏡、反射鏡

2、和聚焦鏡組成，實現(xiàn)傳輸光束和聚焦的功能。這些光學零件，在大功率激光作用下，性能可能會劣化使透過率下降，產生熱透鏡效應（透鏡受熱膨脹焦距發(fā)生變化）。如有表面污染，則會增加傳輸損耗甚至可能導致光學零件的損壞。所以光學零件的質量，維護和工作狀態(tài)監(jiān)測對保證焊接質量至關重要。2. 工件狀態(tài) 2.1 焊接工件的加工精度、裝配精度以及清潔程度 因為激光光斑小，焊縫窄，一般不加填充金屬，如裝配不嚴間隙過大，光 束會穿過間隙不能熔化母材，或者引起明顯的咬邊、凹陷。所以一般板材 對接裝配間隙和光斑對縫偏差均不應大于0.1mm，錯邊不應大于0.2mm。 當然對焊接質量要求更高的工件，其焊接工件的加工精度及裝配精度也

3、更 高，尤其是焊接前的人工裝配，要保證焊接位置的高低差、裝配間隙和加 工件的清潔程度。 2.2 焊接工件的材料均勻性 材料的均勻性是指物質的一種或幾種特性具有同組分或相同結構的狀態(tài)。 材料的均勻性直接影響到材料的有效使用。影響材料均勻性的因素有合金 成分的分布、材料厚度等。合金元素的種類和含量本身就對焊接質量存在 影響，其分布的均勻性直接影響到焊縫的一致性。例如鋁合金材料焊接時， 合金元素的分布不均勻，或者內部存在雜質的含量不同，容易出現(xiàn)焊接缺 陷：炸孔、咬邊及凹陷。3. 焊接工裝夾具 在激光焊接過程中，焊接工裝夾具主要是將焊接工件準確定位和可靠夾緊， 便于焊接工件進行裝配和焊接，保證焊接結構

4、精度，有效的防止和減輕焊接 熱變形。4. 焊接工藝參數(shù) 影響焊接質量的焊接工藝參數(shù)主要有激光輸出功率、焊接速度、激光波形、 脈沖寬度、離焦量和保護氣體。 4.1 激光輸出功率、焊接速度對熔深的影響圖3中，1、2、3分別為1mm、3mm、10mm/s的焊接速度時熔化深度曲線，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，焊接熔深減小。對于不同的激光功率密度，要達到要求的熔化深度需選擇不同的焊接速度。 圖3 激光焊接不銹鋼時功率與焊接速度、熔化深度的關系 4.2 激光波形激光波形主要有脈沖激光器常用的脈沖波形和連續(xù)焊接時的縫焊波形。 4.2.1脈沖波形對焊接質量的影響（針對脈沖激光器）

5、4.2.1.1對于焊接銅、鋁、金、銀高反射材料時，為了突破高反射率的屏障，可 以利用帶有前置尖峰的激光波形，如圖4。 圖4 前置尖峰的激光波形 但這種波形在高重復率縫焊時不宜采用，容易產生飛濺，形成不規(guī)則的 孔洞。宜采用梯形波，如下圖5： 圖5 梯形波 4.2.1.2 對于鐵、鎳等黑色金屬，表面反射率低，宜采用矩形波或緩衰減 波形，如下圖6所示： 圖6 緩衰減波形 4.2.2 連續(xù)焊接時的縫焊波形 縫焊波形就是激光功率隨焊接時間變化的曲線。在材料要求焊接密封時此 波形尤為重要。在焊接開始時激光功率緩慢上升，結束時緩慢下降，如圖 7；在連續(xù)激光器焊接時，結尾處出現(xiàn)的凹坑，宜采用此波形，減小凹坑

6、程度，以達到焊接效果，如圖7所示。 圖7 連續(xù)焊接時的縫焊波形 a) 未設置波形 b) 波形設置后 圖8 焊縫收尾處的表面形貌4.3 脈沖寬度（針對脈沖激光器） 激光的脈沖寬度針對YAG固體激光器來說是焊接的重要參數(shù)之一，它決定 材料是否熔化，為了保證激光焊接中材料表面不出現(xiàn)強烈氣化，一般假定 在脈沖終止時材料表面溫度達到沸點。脈寬越長，焊點直徑越大，相同的 工作距離時，熔深越深。 4.4 離焦量 激光焊接時通常需要一定的離焦量，因為激光焦點處光斑中心的功率密度 過高，容易蒸發(fā)成孔。離開激光焦點的各平面上，功率密度分布相對均勻。 離焦方式有兩種：正離焦和負離焦。焦平面位于工件上方為正離焦，反之

7、 為負離焦。焊接薄材料時宜采用正離焦，需要較大熔深時宜采用正離焦。 圖9 離焦方式 在一定的激光功率和焊接速度下，當焦點處于最佳焊接位置范圍內時，可以獲得最大熔深和好的焊縫形狀。 4.5 保護氣體 保護氣體的種類、氣體流量及吹氣方式也是影響焊接質量的重要焊接工藝 參數(shù)之一。 4.5.1 常用的保護氣體有氮氣N2、氬氣Ar、氦氣He以及氬氣和氦氣的混合氣體。 通常情況下，焊接碳鋼時宜采用Ar，不銹鋼宜采用N2，鈦合金宜采用 He，鋁合金宜采用Ar和He的混合氣體。 4.5.2 氣體流量的大小需根據(jù)實際焊接情況而定。在采用大功率連續(xù)激光器焊 接時，通常采用的氣流量較脈沖激光器焊接時的氣流量大。 4

8、.5.3 吹氣方式分為側吹和同軸吹兩種。小功率焊接時可采用同軸吹氣，大功 率連續(xù)焊接時建議采用側吹方式。 4.5.4 保護氣體的作用 4.5.4.1 在激光焊接過程中，容易產生等離子體。等離子體對激光有吸收、折 射和反射的作用。通?？刹捎帽Ｗo氣體驅除或削弱。 4.5.4.2 提高焊縫的冷卻速度。 4.5.4.3 降低焊縫表面氧化程度。 4.5.4.4改善焊縫表面形貌。結論綜合以上的分析，要在高速連續(xù)的激光焊接過程中，并在合適的范圍內，保證焊接質量，如焊縫成形的可靠性和穩(wěn)定性，確保焊接質量，一方面需采用光束質量和激光輸出功率穩(wěn)定性好的激光器和采用高質量、高穩(wěn)定性的光學元件組成其導光聚焦系統(tǒng)，并經常維護，防止污染，保持清潔，并適當對工件進行預處理；另一方面要確保工件的加工精度和裝配精度，并且針