影響激光焊接加工的幾個(gè)主要參數(shù)

1、機(jī)電技術(shù)2008年第1期 焊接技術(shù)影響激光焊接加工的幾個(gè)主要參數(shù)程隆雙1 馮薇2（1.集美大學(xué)工程訓(xùn)練中心 2.集美大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，福建 廈門 361021）摘 要：激光焊接是一種先進(jìn)的非接觸焊接技術(shù)，焊接形態(tài)穩(wěn)定。通過應(yīng)用研究，發(fā)現(xiàn)為了提高焊接質(zhì)量，只要結(jié)合焊接材料的特性，控制激光脈沖的寬度、能量、峰值功率和重復(fù)頻率等參數(shù)，就能使工件焊接處充分熔化，達(dá)到焊接要求的同時(shí)實(shí)施激光焊接。這有利于促進(jìn)激光焊接技術(shù)的廣泛應(yīng)用。關(guān)鍵詞：激光焊接 脈沖 材料 焊接特性中圖分類號：TG456.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：16724801（2008）01-58-031引言近20年來中國在改革開放和迅速發(fā)展

2、中，不斷地推動高科技的研發(fā)和應(yīng)用。激光加工技術(shù)進(jìn)步顯著，各種激光系統(tǒng)、設(shè)備已經(jīng)進(jìn)入各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域。激光加工技術(shù)是利用激光束與物質(zhì)的相互作用的特性，對金屬和非金屬進(jìn)行各種加工，從20世紀(jì)90年代中期開始，激光焊接的優(yōu)點(diǎn)日益凸顯出來，成為專門焊接精密敏感的、幾何形狀復(fù)雜的或是特殊要求工件的方法。使用激光焊接可不必像電子束那樣必須在真空中進(jìn)行，因而可簡化工序和降低成本。激光焊接過程中，掌握好一些變化規(guī)律，就可以根據(jù)對焊縫組織的不同要求來調(diào)整焊縫，通過控制激光焊接條件可以獲得最佳的焊縫性能。圖1 功率對熔深及焊接速度的影響2 激光焊接加工參數(shù)激光焊接參數(shù)是決定焊接能力的重要因素，直接影響焊接質(zhì)量。只要控

3、制好主要參數(shù)，即能有效采用高激光焊接加工技術(shù)。 2.1激光輸出功率工件表面某點(diǎn)吸收能量的多少由激光輸出功率和激光輻照時(shí)間共同決定。在其他參數(shù)都相同的條件下(如能量分布,焦點(diǎn)位置等)，增加激光輸出功率可提高焊接速度、增大焊接熔深。焊接碳鋼時(shí)輸出功率對熔深及焊接速度的影響如圖1所示。焊接熔深直接與光束功率密度有關(guān)，對一定直徑的激光束，熔深隨著光束功率提高而增加。無論對連續(xù)激光還是脈沖激光，激光功率越大，則工件所能吸收的能量值越高，材料所能達(dá)到的溫度就越高。隨著聚焦透鏡焦長變化，功率會由此改變。582.2 激光脈沖波形激光脈沖波形在脈沖激光焊接中是一個(gè)重要問題，尤其對于薄片焊接。當(dāng)高強(qiáng)度激光束射入材

4、料表面，會將6098的激光能量反射而損失掉，尤其是金、銀、銅、鋁、鈦等材料反射強(qiáng)、傳熱快。一個(gè)激光脈沖訊號過程中，金屬的反射率隨時(shí)間而變化。當(dāng)材料表面溫度升高到熔點(diǎn)時(shí)，反射率會迅速下降，當(dāng)表面處于熔化狀態(tài)時(shí)，反射穩(wěn)定于某一值。對于波長1.064m的激光束，大多數(shù)材料初始反射率較高，因此常采用帶有前置尖峰的激光輸出波形，利用開始出現(xiàn)的尖峰迅速改變表面狀態(tài)，使其溫度上升至熔點(diǎn)，從而使材料表面反射率較低。對于鋼及類似等黑金屬，其表面反射率比有色金屬低，宜采用平坦的激光波形。在實(shí)際焊接中可針對不同材料的焊接特性，靈活調(diào)整脈沖波形。如對于易脆材料可以采用能量緩慢降低的脈沖波形,減慢冷淬速度。 2.3 激

5、光脈沖寬度脈寬由熔深與熱影響分區(qū)確定，脈寬越長熱影響區(qū)越大，熔深是隨脈寬的1/2次方增加。但脈沖寬度的增大會降低峰值功率，因此增加脈沖焊接技術(shù) 機(jī)電技術(shù)2008年第1期寬度一般用于熱傳導(dǎo)焊接方式，形成的焊縫尺寸寬而淺，尤其適合薄板和厚板的搭接焊。但是，較低的峰值功率會導(dǎo)致多余的熱輸入。對于每種材料，都有一個(gè)可使熔深達(dá)到最大的最佳脈沖寬度。鋼的最佳脈沖寬度為（58）10S。 2.4 焦點(diǎn)位置（離焦量、焦距）焊接時(shí)，光束的聚焦特性（包括焦距和離焦量）對焊接質(zhì)量有影響。采用短焦距可獲得較高的能量密度，光斑小,要求工件配合間隙要小。長焦距能量密度低，焦距較大，但仍可維持一定的能量密度。對接頭定位的精度

6、不高時(shí)，能量密度足夠用于焊接時(shí)，可采用長焦距焊接。焦平面位于工件上方的為正離焦，反之為負(fù)離焦。正、負(fù)離焦量相等時(shí)，平面上的功率密度近似相同，但熔池形狀不同。在實(shí)際運(yùn)用中，薄板焊接時(shí)，熔深小，適宜用正離焦；熔深較大時(shí)，采用負(fù)離焦，如果離焦太遠(yuǎn)效果也不明顯，能量也比較容易分散。圖2表示焦點(diǎn)位置對1018鋼熔深及縫寬的影響。通過調(diào)節(jié)離焦量可以在光束的某一截面選擇一光斑直徑使其能量密度適合于焊接。在實(shí)際加工中，離焦量的控制應(yīng)先在加工的材料上進(jìn)行試加工，選擇合適的電流及脈寬大小、激光頻率，看激光打在材料上的情況，合適的離焦量基本無熔渣濺出。3粗糙。一般來說，重疊率越大，焊縫越光滑，但焊接速度也相應(yīng)降低。

7、當(dāng)激光脈沖頻率超過一定值時(shí)，重疊率過大，超過材料的焊接極限，容易焊穿或出現(xiàn)焊渣。 2.6 材料吸收率激光束與材料吸收的相容性取決于材料的一些重要性能，如吸收率、反射率、熱導(dǎo)率等，其中最主要是吸收率。材料吸收率與材料的電阻系數(shù)和光潔度都有關(guān)系。美國羅切斯特大學(xué)研究人員利用高能脈沖激光處理的方法，改變金屬特性，將會大大提高金屬吸收的能力。材料的表面狀態(tài)對光束吸收率有較大影響，建議利用采用表面涂層或表面生成氧化膜的方法，對提高材料對光束的吸收很有效。 2.7 焊接速度提高焊接速度會使熔深變淺。所以，一般在焊接薄板或焊接性較好材料時(shí)使用高速焊接；厚板、難焊材料速度要降低。焊接速度對熔池和焊縫形狀也有影

8、響。低速下熔池大而寬，且易產(chǎn)生下塌，高速焊接時(shí)，焊縫中心強(qiáng)烈流動的液態(tài)金屬由于來不及從新分布，便在焊縫兩側(cè)凝固，形成不平整焊縫。對于一定激光功率和一定厚度的某特定材料都有一個(gè)合適的焊接速度范圍。圖3給出了1018鋼焊接速度與熔深的關(guān)系。圖2 焦點(diǎn)位置對1018鋼熔深及縫寬的影響圖3 1018鋼焊接速度與熔深的關(guān)系2.8 保護(hù)氣體激光焊接過程使用惰性氣體來保護(hù)熔池，一般情況下用氮?dú)?、氬氣、氦氣。氦氣成本最高，但其防氧化效果好，且電離度小，不易形成等離子體。氬氣的防氧化效果也好，但是它易電離，一般如鋁，鈦等活潑性金屬用氬氣做保護(hù)氣，而將氬氣和氦氣按一定比例混合使用效果更好。氮?dú)獬杀咀畹?，一般用于?/p>

9、銹鋼的焊接。592.5 脈沖頻率脈沖頻率、光斑尺寸和焊接速度相互匹配,才能達(dá)到所需的重疊率。當(dāng)焊接點(diǎn)達(dá)到90%以上的重疊率時(shí)基本符合焊縫要求，但是也要根據(jù)對加工工件的粗糙度及焊接要求來選擇。對于非密封焊接，焊接速度不變情況下，激光脈沖頻率降低，焊接點(diǎn)之間重疊率就降低，相對焊縫表面會比較機(jī)電技術(shù)2008年第1期 焊接技術(shù)3 常見金屬材料的激光焊接特性激光焊接適用于多種材料的焊接。激光的高功率密度及高焊接速度，使得激光焊縫、熱影響區(qū)都很小。掌握好一些變化規(guī)律，就可以根據(jù)對焊縫組織的不同要求來調(diào)整焊縫的化學(xué)成分，通過控制焊接條件可以獲得最佳的焊縫性能。 3.1 碳鋼低碳鋼和低合金鋼都具有較好的焊接性

10、，但是采用激光焊接時(shí)，材料的含碳量（碳當(dāng)量CC）不應(yīng)高于0.25。碳當(dāng)量計(jì)算公式：CC=C%+Mn/6%+Ni/15%+Cr/13%+Cu/13%+Mo/4% 對于碳當(dāng)量超過0.3%的材料，焊接冷裂紋傾向會加大，設(shè)計(jì)中考慮到焊縫的一定收縮量，有利于降低焊縫和熱影響區(qū)的殘余應(yīng)力和裂紋傾向。碳當(dāng)量大于0.3的材料和碳當(dāng)量小于0.3%的材料在一起焊接時(shí)，采用偏置焊縫形式有利于限制馬氏體的轉(zhuǎn)變，減少裂紋的產(chǎn)生。材料碳當(dāng)量超過0.3%時(shí)，減小淬火速度也可以減小裂紋傾向。鍍鋅鋼，因?yàn)殇\的汽化溫度（903）比鋼的熔點(diǎn)（1535）低的多，在焊接過程中鋅蒸發(fā)，使焊縫產(chǎn)生嚴(yán)重的氣孔，因此難采用激光焊接，特別是穿透

11、焊接，現(xiàn)在有實(shí)驗(yàn)采用在上下材料間設(shè)置0.1mm的間隙，從間隙中放走鋅蒸氣，但在實(shí)際生產(chǎn)中間隙的操作比較困難。硫和磷含量對焊接裂紋有一定影響，含硫量高于0.04或含磷量高于0.04的鋼激光焊接時(shí)容易產(chǎn)生裂紋。表面經(jīng)過滲碳處理的鋼由于其表面的含碳量較高，極易在滲碳層產(chǎn)生凝固裂紋和收拾裂紋，通常不適用激光焊接。 3.2 不銹鋼奧氏體不銹鋼的導(dǎo)熱系數(shù)只有碳鋼的1/3，吸收率比碳鋼高。因此，奧氏體不銹鋼可獲得比普通碳鋼深一點(diǎn)的焊接熔深（深5-10）。激光焊接熱輸入量小、焊接速度高，非常適合于Ni-Cr系列不銹鋼的焊接。馬氏體不銹鋼的焊接性差，焊接接頭通常硬而脆，并有冷裂紋傾向。在焊接含碳量大于0.1的不

12、銹鋼時(shí)，預(yù)熱和回火可以降低冷裂紋和脆參考文獻(xiàn)：裂傾向。鐵素體不銹鋼，激光焊接通常比其他焊接方法容易焊接。 3.3 銅、鋁及其合金紫銅對CO2激光的反射率很高，但對Nd：YAG激光的反射率則很低，所以用激光焊接紫銅還是有可能的。另外，可以通過表面處理來提高材料對激光的吸收。黃銅的不可焊性是因?yàn)槠渲袖\的含量超出了激光焊接允許的范圍。鋅有相對較低的熔點(diǎn)，容易汽化，會導(dǎo)致大量的焊接缺陷如氣孔。由于鋁合金的反射較高和導(dǎo)熱系數(shù)很高。鋁合金的激光焊接需要相對較高的能量密度。但是，許多鋁合金中含有易揮發(fā)的元素，如硅、鎂等，焊縫中都有很多氣孔。而激光焊接純鋁時(shí)不存在以上問題?，F(xiàn)階段一般采用高能量，大脈寬，表面去

13、除氧化，氬氣充分保護(hù)等措施焊接時(shí)，效果可以。另外,現(xiàn)在采用復(fù)合焊接的方式焊接鋁合金。用8KW的激光功率焊接厚度為12.7mm的鋁合金材料，焊透率大約為1.5mm/kW。 3.4 鈦及其合金鈦合金密度小、具有比強(qiáng)度高、耐高溫、耐腐蝕等優(yōu)良性質(zhì)。鈦和鈦合金很適合激光焊接，可獲得高質(zhì)量、塑性好的焊接接頭。但是鈦對氧化很敏感，必須在惰性氣氛中進(jìn)行焊接。所以要特別注意接頭的清潔和氣體保護(hù)問題。鈦及鈦合金對熱裂紋是不敏感的，但是焊接時(shí)會在熱影響區(qū)出現(xiàn)延遲裂紋，氫是引起這種裂紋的主要原因。防止這種裂紋的辦法，主要是減少焊接頭的氫來源，必要時(shí)可進(jìn)行真空退火處理，以減少焊接接頭的含氫量。鈦合金激光焊接時(shí)，焊接速

14、度一般較高（80100m/h）,焊透率大約為1mm/kW。4 結(jié)束語激光加工是一門21世紀(jì)發(fā)展極快的新制造技術(shù)，必將對我國傳統(tǒng)工業(yè)的技術(shù)改造，新興工業(yè)領(lǐng)域以及制造業(yè)的現(xiàn)代化提供先進(jìn)的技術(shù)裝備。在現(xiàn)有的激光焊接技術(shù)的基礎(chǔ)上我們還應(yīng)該在傳統(tǒng)工藝上進(jìn)行改造更新，使激光焊接可以發(fā)揮出更好的優(yōu)勢，激光焊接技術(shù)必將獲得愈來愈廣泛的應(yīng)用。1 張永康.激光加工技術(shù)M.化學(xué)工業(yè)出版社.2004：68-76. 2 關(guān)振中.激光加工工藝手冊M.中國計(jì)量出版社.1998：130-131. 3 鄭啟光.激光先進(jìn)制造技術(shù)M.華中科技大學(xué)出版社.2001：110-120.4 任乃飛,張永康,楊繼昌,蔡蘭.激光沖擊對金屬材料

15、機(jī)械性能的影響J.激光技術(shù).1998.60焊接技術(shù) 機(jī)電技術(shù)2008年第1期5 張趙林.激光焊接鋁合金的研究J.中國激光.1998.（上接第44頁）參考文獻(xiàn)：1 Brinksmeier E，Brockhoff T. Randschicht-Wrmebehandlung dursh SchleifenJ.HTM,1994, 49(5): 327-330.2 Brinksmeier E，Brockhoff T. Utilization of Grinding Heat as a New Heat Treatment ProcessJ. Annals ofthe CIRP, 1996, 45(1):

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