激光焊接深熔焊接技術(shù)

一：激光焊接深熔焊接參數

(I)臨界功率密度和臨界功率深熔焊時(shí),功率密度必須達到足夠高的能量密

度才能產(chǎn)生匙孔效應。產(chǎn)生匙孔效應的最小功率密度稱(chēng)為臨界功率密度q。;相應

的激光功率，稱(chēng)為臨界功率。臨界功率密度與焊接速度有關(guān)，激光平均功率與激光

光斑的有效截面半徑(俗稱(chēng)焦斑半徑a)有關(guān)。因此，焦斑半徑和焊接速度的大小，

都會(huì )影響到臨界功率密度和臨界功率的數值。例如，當焊接速度為10mm/s.采用

氮氣保護時(shí)，臨界功率密度必須大于106 W/cm2甘，如圖4一所示。

激光功率密度（W/cm2）

圖4-5激光焊接深熔焊接臨界功率密度

(焊接參數:焊材料為鋼;，v=1Omm/s;氣體為He)

(2)激光焊接焊接的熔深 激光深熔焊的熔深與激光輸出功率密度密切相關(guān)，也是功率和光斑直徑的函數,在一定的激光功率下，提高焊接速度，則熱輸人下降，焊接熔深減少。盡管適當降低焊接速度可加大熔深,但若焊接速度過(guò)低，熔深卻不會(huì )再增加.反而使縫寬增大。其主要原因是，激光深熔焊時(shí)，維持小孔存在的主要動(dòng)力是金屬燕氣的反沖壓力。在焊接速度低到一定程度后，熱愉人的增加，熔化金屬越來(lái)越多。當金屬汽化所產(chǎn)生的反沖壓力不足以維持小孔的存在時(shí)，小孔不僅不再加深甚至會(huì )崩潰，使得焊接過(guò)程蛻變?yōu)閭鳠岷附?，因而熔深不?huì )再加大。另一個(gè)原因是隨著(zhù)金屬汽化的增加匙孔區沮度上升，等離子體的濃度增加，對激光的吸收增加。這些原因使得低速焊接時(shí)，深熔焊熔深有一個(gè)最大值。也就是說(shuō)，對于給定的激光功率等條件，存在一維持深熔焊接的最小焊接速度。熔深與激光功率和焊接速度的關(guān)系可由下述經(jīng)驗公式表示

h—焊接熔深(mm);

p—激光功率(W);

v—焊接速度(mm/s);

βγ—取決于激光源、聚焦系統和焊接材料的常數。

二；激光焊接焊接過(guò)程中的幾種效應

(1)激光焊接深熔焊焊接過(guò)程中的等離子體在高功率密度條件下進(jìn)行激光加工時(shí)會(huì )出現等離子體。等離子體的產(chǎn)生是物質(zhì)原子或分子受能量激發(fā)電離的結果。任何物質(zhì)在接收外界能最而沮度升高時(shí).原子或分子受能量(光能、熱能、電場(chǎng)能等)的激發(fā)都會(huì )產(chǎn)生電離.從而形成自由運動(dòng)的電子、帶正電的離子和中性原子組成的等離子體。激光焊接時(shí)，金屬被激光加熱汽化后，在熔池上方形成高沮金屬燕氣。金屬蒸氣中有一定的自由電子。處在激光輻照區的自由電子通過(guò)逆韌致輻射吸收能量而被加速.直至其有足夠的能最來(lái)碰撞、電離金屬蒸氣和周?chē)鷼怏w，電子密度從而雪崩式地增加，產(chǎn)生等離子體。電子密度最后達到的數位與復合速率有關(guān).也與保護氣體有關(guān)。激光加工過(guò)程中的等離子體主要為金屬燕氣的等離子體。這是因為金屬材

料的電離能低于保護氣體的電離能，金屬燕氣較周圈氣體易于電離。如果激光功率密度很高，而周?chē)鷼怏w流動(dòng)不充分時(shí)，也可能使周?chē)鷼怏w離解而形成等離子體。

    高功率激光深熔焊時(shí)，位于熔池上方的等離子體.會(huì )引起光的吸收和散射，改變焦點(diǎn)位置，降低激光功率和熱源的集中程度.從而影響焊接過(guò)程。等離子體對激光的吸收率與電子密度和燕氣密度成正比，隨激光功率密度和作用時(shí)間的增長(cháng)而增加，并與波長(cháng)的平方成正比。同樣的等離子體，對波長(cháng)為10.6μm的CO2激光的吸收率比對波長(cháng)為1.06μm的YAG激光的吸收率高兩個(gè)數最級。由于吸收率不同.不同波長(cháng)的激光產(chǎn)生等離子體所需的功率密度閥值也不同。YAG激光產(chǎn)生等離子體閡依功率密度比CO,激光的高出約兩個(gè)數最級。也就是說(shuō).用CO2激光進(jìn)行加工時(shí)，易產(chǎn)生等離子體井受其影響，而用YAG激光加工，等離子體的影響則較小。  

   激光通過(guò)等離子體時(shí)，改變了吸收和聚焦條件，有時(shí)會(huì )出現激光束的自聚焦現象。等離子體吸收的光能可以通過(guò)不同渠道傳至焊件。如果等離子體傳至焊件的能量大于等離子體吸收所造成焊件接收光能的損失，等離子體反而會(huì )增強焊件對激光能量的吸收，這時(shí)，等離子體也可看做是一個(gè)熱源。

    激光功率密度處于形成等離子體的閥值附近時(shí)，較稀薄的等離子休云集于焊件表面，焊件通過(guò)等離子體吸收能量。當材料汽化和形成的等離子體云濃度間形成穩定的平衡狀態(tài)時(shí)，焊件表面有一較穩定的等離子體層，其存在有助于加強焊件對激光的吸收。用co2激光加工鋼材，與上述情況相應的激光功率密度約為106 W/Cm2 ,由于等離子體的作用，焊件對激光的總吸收率可由10%左右增至30%一50%.

    激光功率密度為106一107w/cm2時(shí)，等離子體的溫度高，電子密度大，對激光的吸收率大，并且高溫等離子體迅速膨脹.逆著(zhù)激光人射方向傳播(速度約為10'5-10'6Cm/s)，形成所謂激光維持的吸收波。在這種情形中，會(huì )出現等離子體的形成和消失的周期性振蕩(見(jiàn)圖4-6).

    這種激光維持的吸收波，容易在激光焊接過(guò)程中出現，必須加以抑制。進(jìn)一步增大激光功率密度(大于10'6 W/Cm2 )，激光加工區周?chē)臍怏w可能被擊穿。擊穿各種氣體所需功率密度大小與氣體的導熱性、解離能和電離能有關(guān)。氣體的導熱性越好，能量的熱傳導損失越大.等離子體的維持閉值越高，在聚焦狀態(tài)下就意味著(zhù)等離子體密度越低，越不易出現等離子體屏蔽。對于電離能較低的氮氣，氣體流動(dòng)狀況不好時(shí).在略離于10' W/cm'的功率密度下也可能出現擊穿現象。一般在采用連續co2激光進(jìn)行加工時(shí).其功率密度均應小于107w/cm2。

圖4-6激光焊接深熔焊接等離子休的周期振蕩

在激光焊中可采用輔助氣體側吹或后吹法、真空室內焊接法、滋光束調焦法、跳躍式激光焊法、功率調制法和磁場(chǎng)電場(chǎng)控制法等方法控制等離子體的屏蔽作用。

(2)璧聚焦效應  當激光深熔焊匙孔形成以后，激光束將進(jìn)人匙孔。當光束與小孔璧相互作用時(shí).入射激光井不能全部被吸收.有一部分將由孔璧反射在小孔內某處重新會(huì )聚起來(lái)這一現象稱(chēng)為璧報焦效應。壁聚焦效應的產(chǎn)生?？墒辜す庠诔卓變炔烤S持較高的功率密度.進(jìn)一步加熱熔化材料。對于激光焊接過(guò)程.重要的是激光在匙孔底部的剩余功率密度必須足夠高，以維持孔底有足夠高的溫度.產(chǎn)生必要的汽化壓力，維持一定深度的匙孔。匙孔效應的產(chǎn)生和壁聚焦效應的出現，能大大地改變激光與物質(zhì)的相互作用過(guò)程。當光束進(jìn)人匙孔后，匙孔相當于一個(gè)吸光的黑體，使能量的吸收率大大增加。

(3)凈化效應  凈化效應是指CO2激光焊時(shí)，焊縫金屬有害雜質(zhì)元素減少或夾雜物減少的現象。產(chǎn)生凈化效應的原因是，對于波長(cháng)為10.6μm的CO2激光，非金屬夾雜物的吸收率遠遠大于金屬，當非金屬和金屬同時(shí)受到激光照射時(shí)，非金屬將吸收較多的激光使其沮度迅速上升而汽化。當這些元素固溶在金屬荃體時(shí)，由于這些非金屬元家的沸點(diǎn)低，蒸氣壓高，它們會(huì )從熔池中蒸發(fā)出來(lái)。上述兩種作用的總效果是焊縫中的有害元家減少.這對金屬的性能，特別是塑性和韌性，有很大好處。當然，激光焊凈化效應產(chǎn)生的前提必須是對焊接區加以有效地保護，使之不受大氣等的污染。但這種特性在焊接鋁時(shí)也會(huì )燒損合金元素，使焊縫強度下降。

4.激光焊接深熔焊接的優(yōu)點(diǎn)

1)激光焊接深熔焊接時(shí)，激光束可以聚焦到很高的功率密度,達到很高的焊縫深度比(12: 其優(yōu)點(diǎn)如下:

1)熱影響區較小，使焊件的熱變形很小，可以進(jìn)行梢確的焊接，焊接無(wú)須剛性?shī)A緊。

2)可以焊接很難焊的材料(如鈦、石英等)。

3)焊接在空氣中進(jìn)行，不需要真空，不產(chǎn)生X射線(xiàn)(與真空電子束焊相比)。當然，激光焊接機也需要在保護氣氛下進(jìn)行，防止有害氣體當然,激光焊也需在保

護氣氛下進(jìn)行，防止有害氣體侵蝕焊接熔池,如氧化等。

4)可以不用焊條或填充材料，可以得到無(wú)雜質(zhì)，無(wú)污染的焊縫。

5)激光沒(méi)有慣性，可以迅速開(kāi)始與停止?？梢愿咚俣群附訌碗s焊件，易于控制和自動(dòng)化。

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