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天弘课堂 | 激光焊接常见工艺参数解读

天弘课堂 | 激光焊接常见工艺参数解读

作者:
天弘激光
来源:
天弘激光
发布时间:
2021/03/10
【摘要】:
激光焊接是激光加工技术应用的重要方面之一,更是21世纪最受瞩目、最有发展前景的焊接技术。与传统焊接方法对比,激光焊接具有很多优势,焊接质量更高、效率更快。目前,激光焊接技术已广泛应用于制造业、粉末冶金、汽车工业、电子工业、生物医学等各个领域。
激光焊接是激光加工技术应用的重要方面之一,更是21世纪最受瞩目、最有发展前景的焊接技术。与传统焊接方法对比,激光焊接具有很多优势,焊接质量更高、效率更快。目前,激光焊接技术已广泛应用于制造业、粉末冶金、汽车工业、电子工业、生物医学等各个领域。
 
激光焊接原理
激光焊接属于熔融焊,以激光束作为焊接热源,其焊接原理是:通过特定的方法激励活性介质,使其在谐振腔中往返震荡,进而转化成受激辐射光束,当光束与工件相互接触时,其能量则被工件吸收,当温度高达材料的熔点时即可进行焊接。
 
按焊接熔池形成的机理划分,激光焊接有两种基本的焊接机理:热传导焊接和深熔(小孔)焊接。热传导焊接时产生的热量通过热传递扩散至工件内部,使焊缝表面熔化,基本不产生汽化现象,常用于低速薄壁构件的焊接。深熔焊使材料汽化,形成大量等离子体,由于热量较大,熔池前端会出现小孔现象。深熔焊能彻底焊透工件,且输入能量大、焊接速度快,是目前使用最广泛的激光焊接模式。
 
激光焊接主要工艺参数
影响激光焊接质量的工艺参数较多,如功率密度、激光脉冲波形、离焦量、焊接速度和辅助吹保护气等。
 
1激光功率密度
功率密度是激光加工中最关键的参数之一。采用较高的功率密度,在微秒时间范围内,表层即可加热至沸点,产生大量汽化。因此,高功率密度对于材料去除加工,如打孔、切割、雕刻十分有利。对于较低功率密度,表层温度达到沸点需要经历数毫秒,在表层汽化前,底层达到熔点,易形成良好的熔融焊接。因此,在热传导型激光焊接中,功率密度范围在104-106W/cm2。
 
2激光脉冲波形
激光脉冲波形既是区别材料去除还是材料熔化的重要参数,也是决定加工设备体积及造价的关键参数。当高强度激光束射至材料表面,材料表面将会有60~90%的激光能量反射而损失掉,尤其是金、银、铜、铝、钛等材料反射强、传热快。一个激光脉冲讯号过程中,金属的反射率随时间而变化。当材料表面温度升高到熔点时,反射率会迅速下降,当表面处于熔化状态时,反射稳定于某一值。
 
激光焊接主要工艺参数
影响激光焊接质量的工艺参数较多,如功率密度、激光脉冲波形、离焦量、焊接速度和辅助吹保护气等。
 
1激光功率密度
功率密度是激光加工中最关键的参数之一。采用较高的功率密度,在微秒时间范围内,表层即可加热至沸点,产生大量汽化。因此,高功率密度对于材料去除加工,如打孔、切割、雕刻十分有利。对于较低功率密度,表层温度达到沸点需要经历数毫秒,在表层汽化前,底层达到熔点,易形成良好的熔融焊接。因此,在热传导型激光焊接中,功率密度范围在104-106W/cm2。
 
2激光脉冲波形
激光脉冲波形既是区别材料去除还是材料熔化的重要参数,也是决定加工设备体积及造价的关键参数。当高强度激光束射至材料表面,材料表面将会有60~90%的激光能量反射而损失掉,尤其是金、银、铜、铝、钛等材料反射强、传热快。一个激光脉冲讯号过程中,金属的反射率随时间而变化。当材料表面温度升高到熔点时,反射率会迅速下降,当表面处于熔化状态时,反射稳定于某一值。

不同材质的激光焊接脉冲波形

 
3激光脉冲宽度
脉宽是脉冲激光焊接的重要参数。脉宽由熔深与热影响分区确定,脉宽越长热影响区越大,熔深随脉宽的1/2 次方增加。但脉冲宽度的增大会降低峰值功率,因此增加脉冲宽度一般用于热传导焊接方式,形成的焊缝尺寸宽而浅,尤其适合薄板和厚板的搭接焊。但是,较低的峰值功率会导致多余的热输入,每种材料都有一个可使熔深达到最大的最佳脉冲宽度。
 
4离焦量
激光焊接通常需要一定的离焦量,因为激光焦点处光斑中心的功率密度过高,容易蒸发成孔。离开激光焦点的各平面上,功率密度分布相对均匀。
离焦方式有两种:
正离焦与负离焦。焦平面位于工件上方为正离焦,反之为负离焦。按几何光学理论,当正负离焦平面与焊接平面距离相等时,所对应平面上的功率密度近似相同,但实际上所获得的熔池形状有一定差异。负离焦时,可获得更大的熔深,这与熔池的形成过程有关。
 
5焊接速度
焊接速度决定了焊接表面质量、熔深、热影响区等。焊接速度的快慢会影响单位时间内的热输入量,焊接速度过慢,则热输入量过大,导致工件烧穿,焊接速度过快,则热输入量过小,造成工件焊不透。通常采用降低焊接速度的方法来改善熔深。
 
6辅助吹保护气
辅助吹保护气在高功率激光焊接中是必不可少的一道工序。一方面是为了防止金属材料溅射而污染聚焦镜;另一方面是为了防止焊接过程中产生的等离子体过多聚焦,阻挡激光到达材料表面。激光焊接过程常使用氦、氩、氮等气体保护熔池,使工件在焊接工程中免受氧化。保护气体种类和气流大小、吹气角度等因素对焊接结果有较大影响,不同的吹气方法也会对焊接质量产生一定的影响。
 
氦气不易电离(电离能量较高),可让激光顺利通过,光束能量不受阻碍地直达工件表面。这是激光焊接时使用最有效的保护气体,但价格比较贵。
 
氩气比较便宜,密度较大,所以保护效果较好。但它易受高温金属等离子体电离,结果屏蔽了部分光束射向工件,减少了焊接的有效激光功率,也损害焊接速度与熔深。使用氩气保护的焊件表面要比使用氦气保护时来得光滑。
 
氮气作为保护气体最便宜,但对某些类型不锈钢焊接时并不适用,主要是由于冶金学方面问题,如吸收,有时会在搭接区产生气孔。
 
激光焊接作为一种新型焊接技术,具有高能量密度、高速度、高精度、深穿透、适应性强等特点,其应用范围越来越广泛,不仅能提高生产效率,更提高了焊接质量,激光焊接技术必将在材料加工领域发挥更重要的作用。

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