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。

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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(huì)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(huì)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(duì)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(duì)高功率激光來說，對(duì)它的測(cè)量是一個(gè)難題，盡管已經(jīng)有很多間接測(cè)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(jiǎn)單的實(shí)測(cè)方法是等溫度輪廓法，即用厚紙燒焦和穿透聚丙烯板后測(cè)量焦斑和穿孔直徑。這種方法要通過測(cè)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(duì)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(duì)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(duì)材料拋光表面的吸收率測(cè)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(duì)光束吸收率有較重要影響，從而對(duì)焊接效果產(chǎn)生明顯作用。
CO2激光器的輸出波長(zhǎng)通常為10.6μm，陶瓷、玻璃、橡膠、塑料等非金屬對(duì)它的吸收率在室溫就很高，而金屬材料在室溫時(shí)對(duì)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(duì)光束的吸收很有效。

焊接速度

焊接速度對(duì)熔深影響較大，提高速度會(huì)使熔深變淺，但速度過低又會(huì)導(dǎo)致材料過度熔化、工件焊穿。所以，對(duì)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。圖10-2給出了1018鋼焊接速度與熔深的關(guān)系。

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(duì)大多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)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(duì)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(huì)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(duì)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(huì)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(duì)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(huì)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(duì)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(huì)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(zhǎng)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(duì)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(duì)位置的變化直接影響焊縫寬度與深度。圖2-6表示焦點(diǎn)位置對(duì)1018鋼熔深及縫寬的影響。

在大多數(shù)激光焊接應(yīng)用場(chǎng)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(duì)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(duì)接接頭的情況比搭接結(jié)頭的情況對(duì)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(chǎng)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(duì)激光能量的吸收不會(huì)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(huì)出現(xiàn)對(duì)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(duì)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。

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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?duì)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?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(duì)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菀讉鬏敽涂刂疲植恍枰?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(duì)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