激光焊接特性

先進(jìn)焊接與連接技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

激光焊接特性

哈爾濱工業(yè)大學(xué)

陶汪

你應(yīng)該知道：激光焊接基本原理？激光焊接的主要參數(shù)？常用材料的激光焊接性？激光焊接易出現(xiàn)的問(wèn)題？

一、激光焊接原理

熱導(dǎo)焊接深熔焊接熱導(dǎo)焊?jìng)鳠崽匦陨钊酆競(jìng)鳠崽匦?/p>

一、激光焊接原理ProcessHeatsourceintensityFusionzoneprofileFluxshieldedarcwelding5×102~104Gas-shieldedarcwelding5×102~104Plasma5×102~106LaserorEB5×106~108lowhighlowhighdefocusfocus

一、激光焊接原理特征描述高能密度-匙孔深熔焊大深寬比焊縫、低變形高速焊接高效率、降低成本快速啟停與弧焊對(duì)比大氣環(huán)境下焊接與電子束對(duì)比無(wú)X光輻射與電子束對(duì)比熱影響區(qū)小可以焊接熱敏感材料焊接精度高適合特殊接頭自動(dòng)化程度高適合工業(yè)化規(guī)模生產(chǎn)激光可以實(shí)現(xiàn)分光、分時(shí)適合多工位焊接大厚板焊接(t>20mm)與其他方法對(duì)比O焊接高反射率材料與其他方法相比X設(shè)備成本與其他方法相比X

激光焊接的主要特點(diǎn)

二、激光焊接的主要影響因素光束特性能量，脈沖或連續(xù)光斑尺寸和模式偏振波長(zhǎng)焊接特性焊接速度聚焦位置接頭幾何尺寸間隙保護(hù)氣成份保護(hù)方式壓力、流速材料特性成份表面狀態(tài)激光能量斑點(diǎn)尺寸光束模式偏振波長(zhǎng)保護(hù)氣成份保護(hù)方式流速接頭形式幾何尺寸間隙表面狀況材料成份焊接速度聚焦位置

二、激光焊接的主要影響因素1、激光能量304不銹鋼6kW4kW2kW1kW1050050100焊接速度,V/(mm/s)熔深，h/mm激光功率直接影響焊接深度。一定板厚焊接，需要匹配合適的焊接速度與激光功率。P:激光功率(W)R:反射率v:焊接深度(m/s)W:焊縫寬度(mm)

二、激光焊接的主要影響因素2、脈沖能量調(diào)Q脈沖：初期抑制激光振蕩，積累工作物質(zhì)上能量粒子數(shù)；打開(kāi)Q開(kāi)關(guān)，高能粒子雪崩式躍遷，極短時(shí)間內(nèi)釋放能量。脈沖固體激光器：低平均功率，高峰值脈沖能量，短脈寬(<200ms)優(yōu)勢(shì)：適用焊接高反射率材料，更大熔深、低變形。脈沖參數(shù)：脈沖頻率、脈沖能量、脈沖寬度、峰值功率

二、激光焊接的主要影響因素脈沖頻率f(Hz)脈沖頻率、光斑直徑、焊接速度的匹配，決定焊縫重疊率。單位脈沖能量E(J)脈沖峰值功率P(W)脈沖寬度t(s)脈沖平均功率Pe(W)脈沖焊關(guān)鍵：一定脈沖能量或平均功率基礎(chǔ)上，可以調(diào)節(jié)峰值功率和激光作用時(shí)間。鋁合金：500Hz頻率、P=1000W、Pe=2000W脈沖焊接速度可以提高3倍，熔深提高60%。

二、激光焊接的主要影響因素3、光斑直徑光斑直徑?jīng)Q定激光能量密度，從而影響焊縫熔深、焊接速度和激光功率的匹配。光斑直徑取決于：光束質(zhì)量、焦距、焦點(diǎn)位置光斑直徑的選擇：深寬比、材料反射率、連接間隙4、波長(zhǎng)波長(zhǎng)影響材料和等離子體對(duì)激光的吸收率。

二、激光焊接的主要影響因素5、焊接速度焊接速度影響熔池流動(dòng)方式和尺寸。低焊接速度：熔池大而寬，容易下塌高焊接速度：熔池凝固速度大于回填速度，容易形成咬邊、隆起

二、激光焊接的主要影響因素6、焦點(diǎn)位置焦點(diǎn)位置直接影響光束能量在材料表面及內(nèi)部的分布狀態(tài)，由接頭類(lèi)型、間隙、錯(cuò)位和所需焊縫熔深、熔寬決定。對(duì)接接頭：熔深最大；搭接接頭：熔寬最大

二、激光焊接的主要影響因素激光焊接的接頭設(shè)計(jì)高能量密度、高速焊接冷卻速度快材料蒸發(fā)、匙孔激光輻射加熱

三、常用材料的激光焊接性激光焊接主要問(wèn)題裂紋、氣孔氣孔材料反射損失能量熱裂紋敏感材料：高碳、硫、磷材料

三、常用材料的激光焊接性MaterialCrackCompositionCSiMnCuFeNiCrMoother高溫合金B(yǎng)2高0.121.01.04-6Rm1.026V,Co高溫合金C40.121.01.04-6Rm1516V,CoInconel6000.080.250.50.258.015.5-AlInconel7180.08--0.1518.5193Nb,Ti316不銹鋼0.081.5-32.0Rm23310不銹鋼0.251.52.0Rm24高溫合金X0.1515.8229Co,W,Al330不銹鋼0.081-1.52.01.0Rm176系鋁合金0.64.4MgAl2系鋁合金低1.5Rm

三、常用材料的激光焊接性碳鋼

采用激光焊接時(shí)，材料的含碳量(碳當(dāng)量)不應(yīng)高于0.2%。碳當(dāng)量超過(guò)0.3%焊接難度增加，冷裂紋傾向加大，增加材料在疲勞和低溫條件下的脆斷傾向。

激光焊接性能較好，因?yàn)椴牧显跐沧⑶凹尤肓虽X、硅等脫氧劑，使得鋼中含氧量降到很低程度。如果鋼沒(méi)有脫氧(如沸騰鋼)，不能用激光進(jìn)行焊接，否則氣體逸出過(guò)程中形成的氣泡很容易導(dǎo)致氣孔的產(chǎn)生。鎮(zhèn)靜鋼和半鎮(zhèn)靜鋼含硫量高于0.04%或含磷量高于0.04%的鋼激光焊接時(shí)易產(chǎn)生裂紋。

硫、磷含量

三、常用材料的激光焊接性

激光焊接性能一般都較好，奧氏體不銹鋼由于加入硫和硒等元素以提高機(jī)械性能，凝固裂紋的傾向有所增加。奧氏體不銹鋼的導(dǎo)熱系數(shù)只有碳鋼的1/3，吸收率比碳鋼略高，焊接熔深約比普通碳鋼深5~10%左右

激光焊接奧氏體不銹鋼的熱變形和殘余應(yīng)力相對(duì)較小，采用其它常規(guī)焊接方法時(shí)，奧氏體不銹鋼會(huì)產(chǎn)生比碳鋼大50%的熱膨脹量。奧氏體不銹鋼不銹鋼

三、常用材料的激光焊接性高反射率金屬－鋁

鋁合金的激光焊接需要相對(duì)較高的能量密度：鋁合金反射率較高；鋁合金的導(dǎo)熱系數(shù)很高。液態(tài)鋁的粘度較低，表面張力也很低。許多鋁合金中含有易揮發(fā)的元素，如硅、鎂等。激光焊接鋁的問(wèn)題：氣孔、熱裂紋和焊縫不規(guī)則性。

三、常用材料的激光焊接性鋁合金雙光束激光焊接

總功率相同時(shí)，雙光束焊接焊縫表面成形優(yōu)于單光束，焊接熔深沒(méi)有明顯增大。單光束串行，L=0.6mm并行，L=0.6mm

三、常用材料的激光焊接性鋁合金雙光束填絲焊P=1300WVL=1.3m/minP=1400WVL=1.9m/minP=1600WVL=3.0m/min焊縫余高0.41mm背面下塌0.31mm焊縫余高0.46mm背面下塌0.18mm焊縫余高0.27mm背面下塌0.18mm

三、常用材料的激光焊接性鈦及鈦合金

激光焊可獲高質(zhì)量、塑性好的焊接接頭。鈦對(duì)由氧氣、氫氣、氮?dú)夂吞荚铀鸬拈g隙脆化很敏感，特別注意接頭的清潔和氣體保護(hù)問(wèn)題。鈦從250℃開(kāi)始吸收氫，從400℃開(kāi)始吸收氧，從600℃開(kāi)始吸收氮。對(duì)熱裂紋不敏感，焊接時(shí)會(huì)在接頭的熱影響區(qū)出現(xiàn)延遲裂紋，氫是主要原因。

氣孔是鈦及鈦合金焊接時(shí)一個(gè)主要的問(wèn)題。消除氣孔的主要途徑：a)用高純度的氬氣進(jìn)行焊接，純度高于99.9%；b)焊前清洗；c)合適焊接規(guī)范。

三、常用材料的激光焊接性鈦合金表面氧化V=0.8m/min,P=1000WV=1.2m/min,P=1000WV=1.6m/min,P=1000WV=2.0m/min,P=1000WV=2.4m/min,P=1000WV=2.8m/min,P=1000W

四、激光焊接的優(yōu)缺點(diǎn)能量密度大精度高焊接速度快變形小柔性大成本裝配精度反射率氣孔、裂紋等離子體熔池匙孔

五、問(wèn)題解決途徑焊接過(guò)程質(zhì)量監(jiān)測(cè)開(kāi)發(fā)新型激光器

功率提高、光束質(zhì)量改善、成本降低工藝優(yōu)化保護(hù)氣體、能量輸出形式控制，改變材料表面狀態(tài)開(kāi)發(fā)高效高適應(yīng)激光焊接技術(shù)復(fù)合熱源焊接、激光填絲填粉焊、雙光束焊接等

五、問(wèn)題解決途徑氣體種類(lèi)CO2激光焊抑制等離子體能力(電離能)抗氧化能力相對(duì)價(jià)格典型流量焊縫成形局限性氦氣非常好(24.5eV)好高20~30l/min最深無(wú)氬氣較差(15.7eV)非常好適中30~45l/min寬電離能低，噴嘴設(shè)計(jì)及流速很關(guān)鍵氮?dú)?無(wú)氧)較差(15.5eV)好低30~45l/min較深電離能低，某些鋼產(chǎn)生脆化二氧化碳較差(14.4eV)差最低30~45l/min正常不適應(yīng)活性金屬(Ti,Cr-Ni鋼)，焊縫表面有輕微氧化20％氦＋氬好非常好適中25~35l/min正常為提高等離子體抑