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激光深熔焊解析
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2020.06.30
1,、激光焊接原理
激光焊接可以采用連續(xù)或脈沖激光束加以實現(xiàn),，激光焊接的原理可分為熱傳導(dǎo)型焊接和激光深熔焊接。功率密度小于104~105 W/cm2為熱傳導(dǎo)焊,，此時熔深淺,、焊接速度慢,；功率密度大于105~107 W/cm2時，金屬表面受熱作用下凹成“孔穴”,，形成深熔焊,，具有焊接速度快、深寬比大的特點,。
其中熱傳導(dǎo)型激光焊接原理為：激光輻射加熱待加工表面,，表面熱量通過熱傳導(dǎo)向內(nèi)部擴(kuò)散,，通過控制激光脈沖的寬度、能量,、峰功率和重復(fù)頻率等激光參數(shù),，使工件熔化，形成特定的熔池,。
用于齒輪焊接和冶金薄板焊接用的激光焊接機(jī)主要涉及激光深熔焊接,。下面重點介紹激光深熔焊接的原理。
激光深熔焊接一般采用連續(xù)激光光束完成材料的連接,，其冶金物理過程與電子束焊接極為相似,，即能量轉(zhuǎn)換機(jī)制是通過“小孔”（Key-hole）結(jié)構(gòu)來完成的。在足夠高的功率密度激光照射下,，材料產(chǎn)生蒸發(fā)并形成小孔,。這個充滿蒸氣的小孔猶如一個黑體，幾乎吸收全部的入射光束能量,，孔腔內(nèi)平衡溫度達(dá)2500 0C左右,，熱量從這個高溫孔腔外壁傳遞出來，使包圍著這個孔腔四周的金屬熔化,。小孔內(nèi)充滿在光束照射下壁體材料連續(xù)蒸發(fā)產(chǎn)生的高溫蒸汽,，小孔四壁包圍著熔融金屬，液態(tài)金屬四周包圍著固體材料（而在大多數(shù)常規(guī)焊接過程和激光傳導(dǎo)焊接中,，能量首先沉積于工件表面,，然后靠傳遞輸送到內(nèi)部）?？妆谕庖后w流動和壁層表面張力與孔腔內(nèi)連續(xù)產(chǎn)生的蒸汽壓力相持并保持著動態(tài)平衡。光束不斷進(jìn)入小孔,，小孔外的材料在連續(xù)流動,，隨著光束移動，小孔始終處于流動的穩(wěn)定狀態(tài),。就是說,，小孔和圍著孔壁的熔融金屬隨著前導(dǎo)光束前進(jìn)速度向前移動，熔融金屬充填著小孔移開后留下的空隙并隨之冷凝,，焊縫于是形成,。上述過程的所有這一切發(fā)生得如此快，使焊接速度很容易達(dá)到每分鐘數(shù)米,。
2,、激光深熔焊接的主要工藝參數(shù)
激光功率
激光焊接中存在一個激光能量密度閾值，低于此值,，熔深很淺,，一旦達(dá)到或超過此值,，熔深會大幅度提高。只有當(dāng)工件上的激光功率密度超過閾值（與材料有關(guān)）,，等離子體才會產(chǎn)生,，這標(biāo)志著穩(wěn)定深熔焊的進(jìn)行。如果激光功率低于此閾值,，工件僅發(fā)生表面熔化,，也即焊接以穩(wěn)定熱傳導(dǎo)型進(jìn)行。而當(dāng)激光功率密度處于小孔形成的臨界條件附近時,，深熔焊和傳導(dǎo)焊交替進(jìn)行,，成為不穩(wěn)定焊接過程，導(dǎo)致熔深波動很大,。激光深熔焊時,，激光功率同時控制熔透深度和焊接速度。焊接的熔深直接與光束功率密度有關(guān),，且是入射光束功率和光束焦斑的函數(shù),。一般來說，對一定直徑的激光束,，熔深隨著光束功率提高而增加,。
光束焦斑
光束斑點大小是激光焊接的最重要變量之一，因為它決定功率密度,。但對高功率激光來說,，對它的測量是一個難題，盡管已經(jīng)有很多間接測量技術(shù),。
光束焦點衍射極限光斑尺寸可以根據(jù)光衍射理論計算,，但由于聚焦透鏡像差的存在，實際光斑要比計算值偏大,。最簡單的實測方法是等溫度輪廓法,，即用厚紙燒焦和穿透聚丙烯板后測量焦斑和穿孔直徑。這種方法要通過測量實踐,，掌握好激光功率大小和光束作用的時間,。
材料吸收值
材料對激光的吸收取決于材料的一些重要性能，如吸收率,、反射率,、熱導(dǎo)率、熔化溫度,、蒸發(fā)溫度等,，其中最重要的是吸收率。
影響材料對激光光束的吸收率的因素包括兩個方面：首先是材料的電阻系數(shù),，經(jīng)過對材料拋光表面的吸收率測量發(fā)現(xiàn),，材料吸收率與電阻系數(shù)的平方根成正比,，而電阻系數(shù)又隨溫度而變化；其次,，材料的表面狀態(tài)（或者光潔度）對光束吸收率有較重要影響,，從而對焊接效果產(chǎn)生明顯作用。
CO2激光器的輸出波長通常為10.6μm,，陶瓷,、玻璃、橡膠,、塑料等非金屬對它的吸收率在室溫就很高,，而金屬材料在室溫時對它的吸收很差，直到材料一旦熔化乃至氣化,，它的吸收才急劇增加,。采用表面涂層或表面生成氧化膜的方法，提高材料對光束的吸收很有效,。
焊接速度
焊接速度對熔深影響較大,，提高速度會使熔深變淺，但速度過低又會導(dǎo)致材料過度熔化,、工件焊穿,。所以，對一定激光功率和一定厚度的某特定材料有一個合適的焊接速度范圍,，并在其中相應(yīng)速度值時可獲得最大熔深,。
保護(hù)氣體
激光焊接過程常使用惰性氣體來保護(hù)熔池，當(dāng)某些材料焊接可不計較表面氧化時則也可不考慮保護(hù),，但對大多數(shù)應(yīng)用場合則常使用氦,、氬、氮等氣體作保護(hù),，使工件在焊接過程中免受氧化,。
氦氣不易電離（電離能量較高），可讓激光順利通過,，光束能量不受阻礙地直達(dá)工件表面。這是激光焊接時使用最有效的保護(hù)氣體,，但價格比較貴,。
氬氣比較便宜，密度較大,，所以保護(hù)效果較好,。但它易受高溫金屬等離子體電離，結(jié)果屏蔽了部分光束射向工件,，減少了焊接的有效激光功率,，也損害焊接速度與熔深,。使用氬氣保護(hù)的焊件表面要比使用氦氣保護(hù)時來得光滑。
氮氣作為保護(hù)氣體最便宜,，但對某些類型不銹鋼焊接時并不適用,，主要是由于冶金學(xué)方面問題，如吸收,，有時會在搭接區(qū)產(chǎn)生氣孔,。
使用保護(hù)氣體的第二個作用是保護(hù)聚焦透鏡免受金屬蒸氣污染和液體熔滴的濺射。特別在高功率激光焊接時,，由于其噴出物變得非常有力,，此時保護(hù)透鏡則更為必要。
保護(hù)氣體的第三個作用是對驅(qū)散高功率激光焊接產(chǎn)生的等離子屏蔽很有效,。金屬蒸氣吸收激光束電離成等離子云,，金屬蒸氣周圍的保護(hù)氣體也會因受熱而電離。如果等離子體存在過多,，激光束在某種程度上被等離子體消耗,。等離子體作為第二種能量存在于工作表面，使得熔深變淺,、焊接熔池表面變寬,。通過增加電子與離子和中性原子三體碰撞來增加電子的復(fù)合速率，以降低等離子體中的電子密度,。中性原子越輕,，碰撞頻率越高，復(fù)合速率越高,；另一方面,，只有電離能高的保護(hù)氣體，才不致因氣體本身的電離而增加電子密度,。
表 常用氣體和金屬的原子(分子)量和電離能
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材料 氦 氬 氮 鋁 鎂 鐵
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原子(分子)量 4 40 28 27 24 56
電離能(eV) 24.46 15.68 14.5 5.96 7.61 7.83
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從表可知,，等離子體云尺寸與采用的保護(hù)氣體不同而變化，氦氣最小,，氮氣次之,，使用氬氣時最大。等離子體尺寸越大,，熔深則越淺,。造成這種差別的原因首先由于氣體分子的電離程度不同，另外也由于保護(hù)氣體不同密度引起金屬蒸氣擴(kuò)散差別,。
氦氣電離最小,，密度最小，它能很快地驅(qū)除從金屬熔池產(chǎn)生的上升的金屬蒸氣。所以用氦作保護(hù)氣體,，可最大程度地抑制等離子體,，從而增加熔深，提高焊接速度,；由于質(zhì)輕而能逸出,，不易造成氣孔。當(dāng)然,，從我們實際焊接的效果看,，用氬氣保護(hù)的效果還不錯。
等離子云對熔深的影響在低焊接速度區(qū)最為明顯,。當(dāng)焊接速度提高時,，它的影響就會減弱。
保護(hù)氣體是通過噴嘴口以一定的壓力射出到達(dá)工件表面的,，噴嘴的流體力學(xué)形狀和出口的直徑大小十分重要,。它必須以足夠大以驅(qū)使噴出的保護(hù)氣體覆蓋焊接表面，但為了有效保護(hù)透鏡,，阻止金屬蒸氣污染或金屬飛濺損傷透鏡,，噴口大小也要加以限制。流量也要加以控制,，否則保護(hù)氣的層流變成紊流,，大氣卷入熔池，最終形成氣孔,。
為了提高保護(hù)效果,，還可用附加的側(cè)向吹氣的方式，即通過一較小直徑的噴管將保護(hù)氣體以一定的角度直接射入深熔焊接的小孔,。保護(hù)氣體不僅抑制了工件表面的等離子體云,，而且對孔內(nèi)的等離子體及小孔的形成施加影響，熔深進(jìn)一步增大,，獲得深寬比較為理想的焊縫,。但是，此種方法要求精確控制氣流量大小,、方向,，否則容易產(chǎn)生紊流而破壞熔池，導(dǎo)致焊接過程難以穩(wěn)定,。
透鏡焦距
焊接時通常采用聚焦方式會聚激光,，一般選用63~254mm(2.5”~10”)焦距的透鏡。聚焦光斑大小與焦距成正比,，焦距越短，光斑越小。但焦距長短也影響焦深,，即焦深隨著焦距同步增加,，所以短焦距可提高功率密度，但因焦深小,，必須精確保持透鏡與工件的間距,，且熔深也不大。由于受焊接過程中產(chǎn)生的飛濺物和激光模式的影響,，實際焊接使用的最短焦深多為焦距126mm(5”),。當(dāng)接縫較大或需要通過加大光斑尺寸來增加焊縫時，可選擇254mm(10”)焦距的透鏡,，在此情況下,，為了達(dá)到深熔小孔效應(yīng)，需要更高的激光輸出功率（功率密度）,。
當(dāng)激光功率超過2kW時,，特別是對于10.6μm的CO2激光束，由于采用特殊光學(xué)材料構(gòu)成光學(xué)系統(tǒng),，為了避免聚焦透鏡遭光學(xué)破壞的危險,，經(jīng)常選用反射聚焦方法，一般采用拋光銅鏡作反射鏡,。由于能有效冷卻,，它常被推薦用于高功率激光束聚焦。
焦點位置
焊接時,，為了保持足夠功率密度,，焦點位置至關(guān)重要。焦點與工件表面相對位置的變化直接影響焊縫寬度與深度,。
在大多數(shù)激光焊接應(yīng)用場合,，通常將焦點的位置設(shè)置在工件表面之下大約所需熔深的1/4處。
激光束位置
對不同的材料進(jìn)行激光焊接時,，激光束位置控制著焊縫的最終質(zhì)量,，特別是對接接頭的情況比搭接結(jié)頭的情況對此更為敏感。例如,，當(dāng)淬火鋼齒輪焊接到低碳鋼鼓輪,，正確控制激光束位置將有利于產(chǎn)生主要有低碳組分組成的焊縫，這種焊縫具有較好的抗裂性,。有些應(yīng)用場合,，被焊接工件的幾何形狀需要激光束偏轉(zhuǎn)一個角度，當(dāng)光束軸線與接頭平面間偏轉(zhuǎn)角度在100度以內(nèi)時,，工件對激光能量的吸收不會受到影響,。
焊接起始,、終止點的激光功率漸升、漸降控制
激光深熔焊接時,，不管焊縫深淺,，小孔現(xiàn)象始終存在。當(dāng)焊接過程終止,、關(guān)閉功率開關(guān)時,，焊縫尾端將出現(xiàn)凹坑。另外,，當(dāng)激光焊層覆蓋原先焊縫時,，會出現(xiàn)對激光束過度吸收，導(dǎo)致焊件過熱或產(chǎn)生氣孔,。
為了防止上述現(xiàn)象發(fā)生,，可對功率起止點編制程序，使功率起始和終止時間變成可調(diào),，即起始功率用電子學(xué)方法在一個短時間內(nèi)從零升至設(shè)置功率值,，并調(diào)節(jié)焊接時間，最后在焊接終止時使功率由設(shè)置功率逐漸降至零值,。
3,、激光深熔焊特征及優(yōu)、缺點
激光深熔焊的特征
1) 高的深寬比,。因為熔融金屬圍著圓柱形高溫蒸氣腔體形成并延伸向工件,，焊縫就變成深而窄。
2) 最小熱輸入,。因為小孔內(nèi)的溫度非常高,，熔化過程發(fā)生得極快，輸入工件熱量很低,，熱變形和熱影響區(qū)很小,。
3) 高致密性。因為充滿高溫蒸氣的小孔有利于焊接熔池攪拌和氣體逸出,，導(dǎo)致生成無氣孔的熔透焊縫,。焊后高的冷卻速度又易使焊縫組織細(xì)微化。
4) 強(qiáng)固焊縫,。因為熾熱熱源和對非金屬組分的充分吸收,，降低雜質(zhì)含量、改變夾雜尺寸和其在熔池中的分布,。焊接過程無需電極或填充焊絲,，熔化區(qū)受污染少，使得焊縫強(qiáng)度,、韌性至少相當(dāng)于甚至超過母體金屬,。
5) 精確控制,。因為聚焦光點很小，焊縫可以高精確定位,。激光輸出無“慣性”,，可在高速下急停和重新起始，用數(shù)控光束移動技術(shù)則可焊接復(fù)雜工件,。
6) 非接觸大氣焊接過程。因為能量來自光子束,，與工件無物理接觸,，所以沒有外力施加工件。另外,，磁和空氣對激光都無影響,。
激光深熔焊的優(yōu)點
1) 由于聚焦激光比常規(guī)方法具有高得多的功率密度，導(dǎo)致焊接速度快,，受熱影響區(qū)和變形都很小,，還可以焊接鈦等難焊的材料。
2) 因為光束容易傳輸和控制,，又不需要經(jīng)常更換焊槍,、噴嘴，又沒有電子束焊接所需的抽真空,，顯著減少停機(jī)輔助時間,，所以有荷系數(shù)和生產(chǎn)效率都高。
3) 由于純化作用和高的冷卻速度,，焊縫強(qiáng)度,、韌性和綜合性能高。
4) 由于平均熱輸入低,，加工精度高,，可減少再加工費用；另外,，激光焊接運(yùn)轉(zhuǎn)費用也較低,，從而可降低工件加工成本。
5) 對光束強(qiáng)度和精細(xì)定位能有效控制,，容易實現(xiàn)自動化操作,。
激光深熔焊的缺點
1) 焊接深度有限。
2) 工件裝配要求高,。
3) 激光系統(tǒng)一次性投資較高
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