淺談鈑金激光焊接工藝

導(dǎo)語

將傳統(tǒng)電弧焊與激光焊接進(jìn)行對比，能夠得出激光焊接的優(yōu)勢。為了得到更好的激光焊縫，本文就激光焊接工藝進(jìn)行討論，首先將焊縫的深寬比、表面形貌等作為評價(jià)指標(biāo)，然后研究影響這些指標(biāo)的工藝參數(shù)，并針對性地對不銹鋼、鋁板和碳鋼板進(jìn)行激光焊接測試，得出焊接生產(chǎn)過程中可以使用的、經(jīng)驗(yàn)性的結(jié)論。

激光焊接是利用能量密度高的激光作為焊接熱源實(shí)現(xiàn)板材焊接的一種特殊的生產(chǎn)技術(shù)，因其有能量密度高、焊接速度快、環(huán)保、板材變形量小等優(yōu)點(diǎn)，在鈑金制造行業(yè)得到了良好的應(yīng)用。激光焊接與傳統(tǒng)電弧焊的比較電弧焊介紹

傳統(tǒng)電弧焊大致可分為焊條電弧焊、鎢極氬弧焊、熔化極氣體保護(hù)電弧焊、埋弧焊等。焊條電弧焊是在焊件與焊條之間引出電弧，電弧產(chǎn)生的熱量熔化焊件與焊條的接觸部分形成金屬熔池，隨著焊條前進(jìn)的方向，新的熔池不斷產(chǎn)生，老的熔池不斷冷卻與凝固，最終形成焊縫。焊接過程示意圖如圖1所示。圖1焊條電弧焊示意圖

鎢極氬弧焊采用鎢極作為放電電極，但該電極不會(huì)被消耗，采用惰性氣體作為保護(hù)氣體，依靠電弧產(chǎn)生的熱量來熔化母材與焊材，焊接區(qū)域被保護(hù)氣覆蓋，基本不會(huì)發(fā)生飛濺。

熔化極氣體保護(hù)電弧焊是通過給焊絲通電，在焊絲與母材之間產(chǎn)生電弧，熔化母材與焊絲。

電弧焊目前在焊接領(lǐng)域仍然占主體地位，但隨著市場對于焊接質(zhì)量、效率的要求越來越高，傳統(tǒng)電弧焊在一些高端鈑金的制造領(lǐng)域遇到了瓶頸，電弧焊的缺點(diǎn)也越來越明顯。傳統(tǒng)的電弧焊要求使用氬氣作為保護(hù)氣體，而高純度的氬氣成本較高；電弧焊操作需要有特種作業(yè)操作證的專業(yè)人員來進(jìn)行，準(zhǔn)入門檻較高；氬弧焊會(huì)產(chǎn)生高密度的電流，產(chǎn)生熱量較高，不利于熔點(diǎn)較低的金屬板材焊接；焊接效率低，速度較慢；焊接表面較為粗糙，若表面形貌要求較高，則需要增加打磨工序；電弧焊強(qiáng)度有限。激光焊接的優(yōu)勢

主流的激光焊接可分為自熔焊、擺動(dòng)焊、填絲焊、振鏡焊及多種焊接方式相結(jié)合的復(fù)合焊等。相比于傳統(tǒng)的電弧焊，激光焊接技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)見表1。對于產(chǎn)品附加值較高、產(chǎn)品一致性好、焊縫間隙小、追求效率的高端鈑金制造行業(yè)，激光焊接可作為首選。表1激光焊接與電弧焊接特點(diǎn)比較激光焊接工藝參數(shù)激光焊接焊縫指標(biāo)

由于客戶需求不同，對鈑金件的焊接效果要求也不同。對于焊縫的要求主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)指標(biāo)：表面形貌，熔池寬深比，是否有氣孔、裂紋、雜質(zhì)、咬邊等缺陷。

表面形貌是焊材與母材結(jié)合或者母材與母材結(jié)合之后焊縫表面的形狀樣貌，或者凹陷、或者平整、或者上凸，可通過調(diào)節(jié)焊接功率、離焦量、拼接方式等來實(shí)現(xiàn)不同的焊接形貌。

熔池寬深比，是指焊縫熔池深度與寬度的比值。若客戶對于焊接產(chǎn)品有強(qiáng)度要求，需要將焊接產(chǎn)品通過線切割→鑲嵌→磨拋→腐蝕→顯微鏡金相分析這一系列步驟，根據(jù)焊縫的深寬比值反映焊接強(qiáng)度，更多的是硬度方面的體現(xiàn)，也可通過拉伸強(qiáng)度測試反饋焊接的拉伸強(qiáng)度指標(biāo)。熔深比金相分析如圖2所示。圖2熔深比金相分析

在特定的工作環(huán)境中，焊接件存在氣孔、裂紋、雜質(zhì)、咬邊等缺陷，很可能會(huì)引發(fā)嚴(yán)重的安全事故，如有的產(chǎn)品對氣密性、是否漏水等有嚴(yán)格要求。正常焊縫、存在缺陷焊縫示意圖如圖3所示。圖3焊縫示意圖激光焊接影響因素

直接影響激光焊接的因素有焊接溫度、焊接材料的熔點(diǎn)、焊接材料對激光的吸收率、熱影響等。對應(yīng)到焊接工藝，可從材料性能、激光功率、焊接速度、焦點(diǎn)位置、保護(hù)氣體、焊縫間隙等方面來考慮。

焊接材料對激光的吸收率影響焊接效果，就一般材料而言，鋁和銅對于焊接激光的吸收率較高，而碳鋼和不銹鋼較低。對于吸收率高的焊接材料往往需要花費(fèi)更多的能量來使之熔化并形成穩(wěn)定的熔池與焊縫。

激光功率是激光焊接的能量來源，對焊接效果有決定性的影響，激光功率的大小也影響著焊接的速度。激光功率不是越大越好，在達(dá)到一定的激光功率后，對應(yīng)的焊接熔深也會(huì)達(dá)到一個(gè)閾值，超過這個(gè)閾值，熔池會(huì)更不穩(wěn)定，反而使得熔池深度降低。所以選擇合適的激光功率值變得尤為關(guān)鍵。

焊接速度與熔深呈負(fù)相關(guān)，速度越快，焊接材料上輸入的能量就會(huì)越低，反之則會(huì)越高。過快的速度不能使焊接材料獲得足夠的能量而形成理想的焊縫，過低的速度會(huì)導(dǎo)致過熔現(xiàn)象，尤其是對熱量敏感的鋁。

焦點(diǎn)位置直接影響焊縫的熔深與熔寬，激光焦點(diǎn)正好位于焊接材料表面稱為零焦,位于焊接材料之上或者之下均為偏焦。零焦光斑最小，同時(shí)光斑能量密度最高；偏焦焊接功率密度降低但光斑變大，適合焊接范圍大的工件。

保護(hù)氣體對焊接的影響不僅體現(xiàn)在吹氣種類上，也體現(xiàn)在不同的吹氣方式上。吹氣的作用不僅是防止焊接過程中工件表面不被氧化，還是抑制激光焊接過程中產(chǎn)生的等離子云。保護(hù)氣會(huì)直接影響表面的形貌與色澤，對這兩點(diǎn)有要求的焊接產(chǎn)品一定要注意保護(hù)氣體的重要性。

待焊工件焊縫的間隙與焊接的熔深、熔寬、焊縫形貌有直接的關(guān)系。若焊縫間隙過大、光斑較小則無法將焊縫熔化結(jié)合，熔合困難；同時(shí)激光外露，很可能損壞工裝或工件。若間隙過大且在一定范圍內(nèi)，可通過增大光斑、增加擺動(dòng)等方式來改善，但改善效果有限。焊接試驗(yàn)分析

焊接試驗(yàn)采用安川機(jī)器人GP25、PRIMA激光器、OSPRI焊接頭（芯徑100μm、焦距300mm）、萬順興送絲機(jī)，分別對1.5mm的Q235碳鋼板、SS304不銹鋼、3系鋁合金板進(jìn)行焊接效果測試。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，在測試工藝過程中，可提供一個(gè)參考：1mm的薄板可從1kW的功率、30mm/s的焊接速度開始試焊接，參考功率可為P=A·X，其中A是常數(shù)系數(shù)（A≥0），X是板厚。在焊接速度、材質(zhì)、氣體等其他焊接條件不變的情況下，系數(shù)A的大小隨著板厚的增加而逐漸減小，同時(shí)系數(shù)A也受焊接方式的影響。碳鋼板焊接工藝分析

厚度為1.5mm的Q235碳鋼板的擺動(dòng)焊接工藝參數(shù)見表2。表2Q235碳鋼板擺動(dòng)焊接工藝參數(shù)

從上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，在擺動(dòng)焊接碳鋼板的過程中，隨著焊接速度的增加、激光功率也要適當(dāng)增加，在保證擺動(dòng)范圍不變的情況下，需要增加擺動(dòng)速度，來保證焊接效果。若是擺動(dòng)速度過小會(huì)出現(xiàn)焊縫不均勻的情況。

一般來說，碳鋼自熔焊所需能量小于碳鋼自熔擺動(dòng)焊所需能量，碳鋼自熔擺動(dòng)焊所需能量小于碳鋼擺動(dòng)填絲焊所需能量，在其他因素不變的情況下，能量主要由功率和速度來控制。相同的焊接效果，功率高了，速度要快；功率低了，速度要慢。理想狀態(tài)下，為了兼顧焊接質(zhì)量與效率，要盡可能提高焊接速度，但速度太快焊接頭會(huì)抖動(dòng)，還會(huì)受激光功率與材料性能的限制。因此，一般會(huì)在功率與速度之間尋求平衡。鋁板焊接工藝分析

試驗(yàn)選用的光纖芯徑為100μm，如果要焊接鋁、銅等高反、吸熱性強(qiáng)的材料，需要更高的功率密度來使鋁熔化。此時(shí)，需選擇零焦焊接金屬，在焊縫較小的情況下，它可以使激光在功率最小的情況下形成最大的功率密度，熔化金屬，形成熔池，這就是需要找零焦的原因之一。不同材質(zhì)焊接工藝參數(shù)見表3。表3不同材質(zhì)焊接工藝參數(shù)對比

從上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，相同厚度的板材，在其他參數(shù)幾乎不變的情況下，3系鋁合金要比Q235碳鋼需要更慢的焊接速度來達(dá)到理想的焊接效果，本質(zhì)上需要更多的熱量。不銹鋼吹白工藝分析

厚度為1.5mm的不銹鋼焊接焊縫吹白工藝參數(shù)對比見表4，焊接效果如圖4所示，3條焊縫（從左到右）焊接參數(shù)分別對應(yīng)表4中的序號1、2、3。圖4焊接效果對比表4不銹鋼焊接焊縫吹白工藝參數(shù)對比

要想不銹鋼吹白，是需要激光熔化金屬之后能夠在保護(hù)氣體的氛圍下快速冷卻結(jié)晶。如果功率過高，在金屬板材上就會(huì)積累很多熱量，冷卻速度就會(huì)較慢，容易氧化變色；功率過低，無法熔透；如果速度過快，加上吹氣工裝可能不夠大，吹氣效果就會(huì)不好；如果速度過慢，熱積累過多?？偟膩碚f，要吹白，就要平衡好功率、速度和吹氣這幾個(gè)方