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    天弘課堂 | 激光焊接常見工藝參數解讀

    天弘課堂 | 激光焊接常見工藝參數解讀

    作者:
    天弘激光
    來源:
    天弘激光
    發布時間:
    2021/03/10
    【摘要】:
    激光焊接是激光加工技術應用的重要方面之一,更是21世紀最受矚目、最有發展前景的焊接技術。與傳統焊接方法對比,激光焊接具有很多優勢,焊接質量更高、效率更快。目前,激光焊接技術已廣泛應用于制造業、粉末冶金、汽車工業、電子工業、生物醫學等各個領域。
    激光焊接是激光加工技術應用的重要方面之一,更是21世紀最受矚目、最有發展前景的焊接技術。與傳統焊接方法對比,激光焊接具有很多優勢,焊接質量更高、效率更快。目前,激光焊接技術已廣泛應用于制造業、粉末冶金、汽車工業、電子工業、生物醫學等各個領域。
     
    激光焊接原理
    激光焊接屬于熔融焊,以激光束作為焊接熱源,其焊接原理是:通過特定的方法激勵活性介質,使其在諧振腔中往返震蕩,進而轉化成受激輻射光束,當光束與工件相互接觸時,其能量則被工件吸收,當溫度高達材料的熔點時即可進行焊接。
     
    按焊接熔池形成的機理劃分,激光焊接有兩種基本的焊接機理:熱傳導焊接和深熔(小孔)焊接。熱傳導焊接時產生的熱量通過熱傳遞擴散至工件內部,使焊縫表面熔化,基本不產生汽化現象,常用于低速薄壁構件的焊接。深熔焊使材料汽化,形成大量等離子體,由于熱量較大,熔池前端會出現小孔現象。深熔焊能徹底焊透工件,且輸入能量大、焊接速度快,是目前使用最廣泛的激光焊接模式。
     
    激光焊接主要工藝參數
    影響激光焊接質量的工藝參數較多,如功率密度、激光脈沖波形、離焦量、焊接速度和輔助吹保護氣等。
     
    1激光功率密度
    功率密度是激光加工中最關鍵的參數之一。采用較高的功率密度,在微秒時間范圍內,表層即可加熱至沸點,產生大量汽化。因此,高功率密度對于材料去除加工,如打孔、切割、雕刻十分有利。對于較低功率密度,表層溫度達到沸點需要經歷數毫秒,在表層汽化前,底層達到熔點,易形成良好的熔融焊接。因此,在熱傳導型激光焊接中,功率密度范圍在104-106W/cm2。
     
    2激光脈沖波形
    激光脈沖波形既是區別材料去除還是材料熔化的重要參數,也是決定加工設備體積及造價的關鍵參數。當高強度激光束射至材料表面,材料表面將會有60~90%的激光能量反射而損失掉,尤其是金、銀、銅、鋁、鈦等材料反射強、傳熱快。一個激光脈沖訊號過程中,金屬的反射率隨時間而變化。當材料表面溫度升高到熔點時,反射率會迅速下降,當表面處于熔化狀態時,反射穩定于某一值。
     
    激光焊接主要工藝參數
    影響激光焊接質量的工藝參數較多,如功率密度、激光脈沖波形、離焦量、焊接速度和輔助吹保護氣等。
     
    1激光功率密度
    功率密度是激光加工中最關鍵的參數之一。采用較高的功率密度,在微秒時間范圍內,表層即可加熱至沸點,產生大量汽化。因此,高功率密度對于材料去除加工,如打孔、切割、雕刻十分有利。對于較低功率密度,表層溫度達到沸點需要經歷數毫秒,在表層汽化前,底層達到熔點,易形成良好的熔融焊接。因此,在熱傳導型激光焊接中,功率密度范圍在104-106W/cm2。
     
    2激光脈沖波形
    激光脈沖波形既是區別材料去除還是材料熔化的重要參數,也是決定加工設備體積及造價的關鍵參數。當高強度激光束射至材料表面,材料表面將會有60~90%的激光能量反射而損失掉,尤其是金、銀、銅、鋁、鈦等材料反射強、傳熱快。一個激光脈沖訊號過程中,金屬的反射率隨時間而變化。當材料表面溫度升高到熔點時,反射率會迅速下降,當表面處于熔化狀態時,反射穩定于某一值。

    不同材質的激光焊接脈沖波形

     
    3激光脈沖寬度
    脈寬是脈沖激光焊接的重要參數。脈寬由熔深與熱影響分區確定,脈寬越長熱影響區越大,熔深隨脈寬的1/2?次方增加。但脈沖寬度的增大會降低峰值功率,因此增加脈沖寬度一般用于熱傳導焊接方式,形成的焊縫尺寸寬而淺,尤其適合薄板和厚板的搭接焊。但是,較低的峰值功率會導致多余的熱輸入,每種材料都有一個可使熔深達到最大的最佳脈沖寬度。
     
    4離焦量
    激光焊接通常需要一定的離焦量,因為激光焦點處光斑中心的功率密度過高,容易蒸發成孔。離開激光焦點的各平面上,功率密度分布相對均勻。
    離焦方式有兩種:
    正離焦與負離焦。焦平面位于工件上方為正離焦,反之為負離焦。按幾何光學理論,當正負離焦平面與焊接平面距離相等時,所對應平面上的功率密度近似相同,但實際上所獲得的熔池形狀有一定差異。負離焦時,可獲得更大的熔深,這與熔池的形成過程有關。
     
    5焊接速度
    焊接速度決定了焊接表面質量、熔深、熱影響區等。焊接速度的快慢會影響單位時間內的熱輸入量,焊接速度過慢,則熱輸入量過大,導致工件燒穿,焊接速度過快,則熱輸入量過小,造成工件焊不透。通常采用降低焊接速度的方法來改善熔深。
     
    6輔助吹保護氣
    輔助吹保護氣在高功率激光焊接中是必不可少的一道工序。一方面是為了防止金屬材料濺射而污染聚焦鏡;另一方面是為了防止焊接過程中產生的等離子體過多聚焦,阻擋激光到達材料表面。激光焊接過程常使用氦、氬、氮等氣體保護熔池,使工件在焊接工程中免受氧化。保護氣體種類和氣流大小、吹氣角度等因素對焊接結果有較大影響,不同的吹氣方法也會對焊接質量產生一定的影響。
     
    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工件表面。這是激光焊接時使用最有效的保護氣體,但價格比較貴。
     
    氬氣比較便宜,密度較大,所以保護效果較好。但它易受高溫金屬等離子體電離,結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。使用氬氣保護的焊件表面要比使用氦氣保護時來得光滑。
     
    氮氣作為保護氣體最便宜,但對某些類型不銹鋼焊接時并不適用,主要是由于冶金學方面問題,如吸收,有時會在搭接區產生氣孔。
     
    激光焊接作為一種新型焊接技術,具有高能量密度、高速度、高精度、深穿透、適應性強等特點,其應用范圍越來越廣泛,不僅能提高生產效率,更提高了焊接質量,激光焊接技術必將在材料加工領域發揮更重要的作用。

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