影響激光焊接質(zhì)量的主要因素

1、影響激光焊接質(zhì)量的主要因素1. 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)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(zhì)量。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(zhì)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(duì)焊接熔深的影響 圖2 功率密度對(duì)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(dǎo)光和聚焦系統(tǒng) 導(dǎo)光和聚焦系統(tǒng)主要由光纖、準(zhǔn)直（擴(kuò)束）鏡、反射鏡

2、和聚焦鏡組成，實(shí)現(xiàn)傳輸光束和聚焦的功能。這些光學(xué)零件，在大功率激光作用下，性能可能會(huì)劣化使透過(guò)率下降，產(chǎn)生熱透鏡效應(yīng)（透鏡受熱膨脹焦距發(fā)生變化）。如有表面污染，則會(huì)增加傳輸損耗甚至可能導(dǎo)致光學(xué)零件的損壞。所以光學(xué)零件的質(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。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?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(guò)大，光 束會(huì)穿過(guò)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(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)然對(duì)焊接質(zhì)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(zhì)的一種或幾種特性具有同組分或相同結(jié)構(gòu)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(duì)焊接質(zhì)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(shí)， 合金元素的分布不均勻，或者內(nèi)部存在雜質(zhì)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(guò)程中，焊接工裝夾具主要是將焊接工件準(zhǔn)確定位和可靠夾緊， 便于焊接工件進(jìn)行裝配和焊接，保證焊接結(jié)構(gòu)

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(zhì)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(hù)氣體。 4.1 激光輸出功率、焊接速度對(duì)熔深的影響圖3中，1、2、3分別為1mm、3mm、10mm/s的焊接速度時(shí)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(duì)于不同的激光功率密度，要達(dá)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(shí)功率與焊接速度、熔化深度的關(guān)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(shí)的縫焊波形。 4.2.1脈沖波形對(duì)焊接質(zhì)量的影響（針對(duì)脈沖激光器）

5、4.2.1.1對(duì)于焊接銅、鋁、金、銀高反射材料時(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(fù)率縫焊時(shí)不宜采用，容易產(chǎn)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(duì)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(shí)的縫焊波形 縫焊波形就是激光功率隨焊接時(shí)間變化的曲線。在材料要求焊接密封時(shí)此 波形尤為重要。在焊接開始時(shí)激光功率緩慢上升，結(jié)束時(shí)緩慢下降，如圖 7；在連續(xù)激光器焊接時(shí)，結(jié)尾處出現(xiàn)的凹坑，宜采用此波形，減小凹坑

6、程度，以達(dá)到焊接效果，如圖7所示。 圖7 連續(xù)焊接時(shí)的縫焊波形 a) 未設(shè)置波形 b) 波形設(shè)置后 圖8 焊縫收尾處的表面形貌4.3 脈沖寬度（針對(duì)脈沖激光器） 激光的脈沖寬度針對(duì)YAG固體激光器來(lái)說(shuō)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(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)。脈寬越長(zhǎng)，焊點(diǎn)直徑越大，相同的 工作距離時(shí)，熔深越深。 4.4 離焦量 激光焊接時(shí)通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(guò)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：正離焦和負(fù)離焦。焦平面位于工件上方為正離焦，反之

7、 為負(fù)離焦。焊接薄材料時(shí)宜采用正離焦，需要較大熔深時(shí)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(dāng)焦點(diǎn)處于最佳焊接位置范圍內(nèi)時(shí)，可以獲得最大熔深和好的焊縫形狀。 4.5 保護(hù)氣體 保護(hù)氣體的種類、氣體流量及吹氣方式也是影響焊接質(zhì)量的重要焊接工藝 參數(shù)之一。 4.5.1 常用的保護(hù)氣體有氮?dú)釴2、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(shí)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(shí)際焊接情況而定。在采用大功率連續(xù)激光器焊 接時(shí)，通常采用的氣流量較脈沖激光器焊接時(shí)的氣流量大。 4

8、.5.3 吹氣方式分為側(cè)吹和同軸吹兩種。小功率焊接時(shí)可采用同軸吹氣，大功 率連續(xù)焊接時(shí)建議采用側(cè)吹方式。 4.5.4 保護(hù)氣體的作用 4.5.4.1 在激光焊接過(guò)程中，容易產(chǎn)生等離子體。等離子體對(duì)激光有吸收、折 射和反射的作用。通?？刹捎帽Ｗo(hù)氣體驅(qū)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(jié)論綜合以上的分析，要在高速連續(xù)的激光焊接過(guò)程中，并在合適的范圍內(nèi)，保證焊接質(zhì)量，如焊縫成形的可靠性和穩(wěn)定性，確保焊接質(zhì)量，一方面需采用光束質(zhì)量和激光輸出功率穩(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；另一方面要確保工件的加工精度和裝配精度，并且針