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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(shí)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(shí)熔深淺,、焊接速度慢,；功率密度大于105~107 W/cm2時(shí)，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(diǎn)。
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(diǎn)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(gè)充滿蒸氣的小孔猶如一個(gè)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(gè)高溫孔腔外壁傳遞出來,，使包圍著這個(gè)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(dòng)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(dòng)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(dòng),，隨著光束移動(dòng)，小孔始終處于流動(dòng)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(dòng)，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(gè)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(shí),，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(dòng)很大,。激光深熔焊時(shí),，激光功率同時(shí)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(diǎn)大小是激光焊接的最重要變量之一，因?yàn)樗鼪Q定功率密度,。但對高功率激光來說,，對它的測量是一個(gè)難題，盡管已經(jīng)有很多間接測量技術(shù),。
光束焦點(diǎn)衍射極限光斑尺寸可以根據(jù)光衍射理論計(jì)算,，但由于聚焦透鏡像差的存在，實(shí)際光斑要比計(jì)算值偏大,。最簡單的實(shí)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(shí)踐,，掌握好激光功率大小和光束作用的時(shí)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(gè)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(shí)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(gè)合適的焊接速度范圍,，并在其中相應(yīng)速度值時(shí)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(jì)較表面氧化時(shí)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(shí)使用最有效的保護(hù)氣體,，但價(jià)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(shí)來得光滑。
氮?dú)庾鳛楸Ｗo(hù)氣體最便宜,，但對某些類型不銹鋼焊接時(shí)并不適用,，主要是由于冶金學(xué)方面問題，如吸收,，有時(shí)會在搭接區(qū)產(chǎn)生氣孔,。
使用保護(hù)氣體的第二個(gè)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(shí),，由于其噴出物變得非常有力,，此時(shí)保護(hù)透鏡則更為必要。
保護(hù)氣體的第三個(gè)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?dú)獯沃?，使用氬氣時(shí)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(shí)際焊接的效果看,，用氬氣保護(hù)的效果還不錯(cuò)。
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(shí),，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(shí)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(shí)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(shí)，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(shí),，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(xiǎn),，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(diǎn)位置
焊接時(shí),，為了保持足夠功率密度,，焦點(diǎn)位置至關(guān)重要。焦點(diǎn)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(diǎn)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(shí),，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(gè)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(shí)，工件對激光能量的吸收不會受到影響,。
焊接起始,、終止點(diǎn)的激光功率漸升、漸降控制
激光深熔焊接時(shí),，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(shí),，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(shí),，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(diǎn)編制程序，使功率起始和終止時(shí)間變成可調(diào),，即起始功率用電子學(xué)方法在一個(gè)短時(shí)間內(nèi)從零升至設(shè)置功率值,，并調(diào)節(jié)焊接時(shí)間，最后在焊接終止時(shí)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(diǎn)
激光深熔焊的特征
1) 高的深寬比,。因?yàn)槿廴诮饘賴鴪A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?yàn)樾】變?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?yàn)槌錆M高溫蒸氣的小孔有利于焊接熔池?cái)嚢韬蜌怏w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?yàn)闊霟釤嵩春蛯Ψ墙饘俳M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?yàn)榫劢构恻c(diǎn)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(dòng)技術(shù)則可焊接復(fù)雜工件,。
6) 非接觸大氣焊接過程。因?yàn)槟芰縼碜怨庾邮?，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(diǎn)
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?yàn)楣馐菀讉鬏敽涂刂?，又不需要?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(shí)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(fèi)用；另外,，激光焊接運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)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(shí)現(xiàn)自動(dòng)化操作,。
激光深熔焊的缺點(diǎn)
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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