激光焊的主要工艺参数对焊接质量的影响

本文摘要：激光焊可以使用倒数或脉冲激光束加以构建，激光焊的原理可分成热传导型焊和激光浅熔焊。功率密度大于104~105W/cm2为热传导焊接，此时熔厚薄、焊速度慢；功率密度小于105~107W/cm2时，金属表面加热起到下凹成孔穴，构成浅熔焊，具备焊速度快、浅宽比大的特点。 其中热传导型激光焊原理为：激光辐射冷却待加工表面，表面热量通过热传导向内部蔓延，通过掌控激光脉冲的宽度、能量、峰功率和反复频率等激光参数，使工件熔融，构成特定的熔池。

激光焊可以使用倒数或脉冲激光束加以构建，激光焊的原理可分成热传导型焊和激光浅熔焊。功率密度大于104~105W/cm2为热传导焊接，此时熔厚薄、焊速度慢；功率密度小于105~107W/cm2时，金属表面加热起到下凹成孔穴，构成浅熔焊，具备焊速度快、浅宽比大的特点。　　其中热传导型激光焊原理为：激光辐射冷却待加工表面，表面热量通过热传导向内部蔓延，通过掌控激光脉冲的宽度、能量、峰功率和反复频率等激光参数，使工件熔融，构成特定的熔池。　　用作齿轮焊和冶金薄板焊用的激光焊接机主要牵涉到激光浅熔焊。

下面重点讲解激光浅熔焊的原理。　　激光浅熔焊一般使用倒数激光光束已完成材料的相连，其冶金物理过程与电子束焊十分相近，即能量转换机制是通过小孔（Key-hole）结构来已完成的。在充足低的功率密度激光太阳光下，材料产生冷却并构成小孔。

这个充满著蒸气的小孔有如一个黑体，完全吸取全部的入射光束能量，孔腔内均衡温度约25000C左右，热量从这个高温孔腔外壁传送出来，使围困着这个孔腔四周的金属熔融。小孔内充满著在光束太阳光下壁体材料倒数冷却产生的高温蒸汽，小孔四壁围困着熔融金属，液态金属四周围困着液体材料（而在大多数常规焊过程和激光传导焊中，能量首先沉积于工件表面，然后靠传送输送到内部）。

孔壁外液体流动和壁层表面张力与孔腔内倒数产生的蒸汽压力僵持并维持着动态平衡。光束大大转入小孔，小孔外的材料在倒数流动，随着光束移动，小孔一直正处于流动的稳定状态。就是说，小孔和外面孔壁的熔融金属随着前导光束行进速度向前移动，熔融金属填充着小孔卡住后留给的空隙并随之冷凝，焊缝于是构成。上述过程的所有这一切再次发生得如此慢，使焊速度很更容易超过每分钟数米。

　　激光浅熔焊的主要工艺参数　　激光功率　　激光焊中不存在一个激光能量密度阈值，高于此值，熔深很深，一旦超过或多达此值，熔深不会大幅度提高。只有当工件上的激光功率密度多达阈值（与材料有关），等离子体才不会产生，这标志着平稳浅熔焊的展开。

如果激光功率高于此阈值，工件仅有再次发生表面熔融，也即焊以平稳热传导型展开。而当激光功率密度正处于小孔构成的临界条件附近时，浅熔焊和传导焊接交错展开，沦为不平稳焊过程，造成熔深波动相当大。

激光浅熔焊时，激光功率同时掌控熔透深度和焊速度。焊的熔深必要与光束功率密度有关，且是入射光束功率和光束焦斑的函数。

一般来说，对一定直径的激光束，熔深随着光束功率提升而减少。　　光束焦斑　　光束斑点大小是激光焊的最重要变量之一，因为它要求功率密度。但对高功率激光来说，对它的测量是一个难题，尽管早已有很多间接测量技术。

　　光束焦点散射无限大光斑尺寸可以根据光散射理论计算出来，但由于探讨透镜像劣的不存在，实际光斑要比计算出来值稍大。最简单的测算方法是等温度轮廓法，即用厚纸血迹和击穿聚丙烯板后测量焦斑和穿孔直径。这种方法要通过测量实践中，掌控好激光功率大小和光束起到的时间。

　　材料吸取值　　材料对激光的吸取各不相同材料的一些最重要性能，如吸收率、反射率、热导率、熔融温度、冷却温度等，其中最重要的是吸收率。　　影响材料对激光光束的吸收率的因素还包括两个方面：首先是材料的电阻系数，经过对材料打磨表面的吸收率测量找到，材料吸收率与电阻系数的平方根成正比，而电阻系数又随温度而变化；其次，材料的表面状态（或者光洁度）对光束吸收率有较最重要影响，从而对焊效果产生显著起到。　　CO2激光器的输入波长一般来说为10.6m，陶瓷、玻璃、橡胶、塑料等非金属对它的吸收率在室温就很高，而金属材料在室温时对它的吸取很差，直到材料一旦熔融乃至气化，它的吸取才急遽减少。使用表面涂层或表面分解水解膜的方法，提升材料对光束的吸取很有效地。

　　焊速度　　焊速度对熔深影响较小，提升速度不会使熔融浅变浅，但速度过较低又不会造成材料过度熔融、工件焊穿。所以，对一定激光功率和一定厚度的某特定材料有一个适合的焊速度范围，并在其中适当速度值时可取得仅次于熔深。

　　维护气体　　激光焊过程经常用于惰性气体来维护熔池，当某些材料焊可不在乎表面水解时则也可不考虑到维护，但对大多数应用于场合则经常用于氦、氩、氮等气体不作维护，使工件在焊过程中免遭水解。　　氦气容易电离（电离能量较高），可让激光成功通过，光束能量不不受妨碍地往返工件表面。这是激光焊时用于最有效地的维护气体，但价格较为喜。　　氩气较为低廉，密度较小，所以维护效果较好。

但它易受高温金属等离子体电离，结果屏蔽了部分光束箭向工件，增加了焊的有效地激光功率，也伤害焊速度与熔深。用于氩气维护的焊件表面要比用于氦气维护时远比平滑。　　氮气作为维护气体最低廉，但对某些类型不锈钢焊时并不限于，主要是由于冶金学方面问题，如吸取，有时不会在搭接区产生气孔。

　　用于维护气体的第二个起到是维护探讨透镜免遭金属蒸气污染和液体熔滴的喷发物。尤其在高功率激光焊时，由于其涌出物显得十分有力，此时维护透镜则更加适当。

　　维护气体的第三个起到是对驱赶高功率激光焊产生的等离子屏蔽很有效地。金属蒸气吸取激光束电离成等离子云，金属蒸气周围的维护气体也不会因加热而电离。如果等离子体不存在过多，激光束在或许上被等离子体消耗。等离子体作为第二种能量不存在于工作表面，使得熔深变浅、焊熔池表面变窄。

通过减少电子与离子和中性原子三体撞击来减少电子的填充速率，以减少等离子体中的电子密度。中性原子越轻，碰撞频率越高，填充速率越高；另一方面，只有电离能低的维护气体，才不致因气体本身的电离而减少电子密度。

　　表格常用气体和金属的原子(分子)量和电离能　　=============================================================　　材料氦氩氮铝镁铁　　------------------------------------------------------------　　原子(分子)量44028272456　　电离能(eV)24.4615.6814.55.967.617.83　　=============================================================　　从表格由此可知，等离子体云尺寸与使用的维护气体有所不同而变化，氦气大于，氮气次之，用于氩气时仅次于。等离子体尺寸越大，熔深则越浅。导致这种差异的原因首先由于气体分子的电离程度有所不同，另外也由于维护气体有所不同密度引发金属蒸气蔓延差异。

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