影响激光焊接加工的几个主要参数

《机电技术》2008年第1期焊接技术58影响激光焊接加工的几个主要参数（1.集美大学工程训练中心2.集美大学机械工程学院，福建厦门361021）摘要：激光焊接是一种先进的非接触焊接技术，焊接形态稳定。通过应用研究，发现为了提高焊接质量，只要结合焊接材料的特性，控制激光脉冲的宽度、能量、峰值功率和重复频率等参数，就能使工件焊接处充分熔化，达到焊接要求的同时实施激光焊接。这有利于促进激光焊接技术的广泛应用。关键词：激光焊接脉冲材料焊接特性中图分类号：TG456.7文献标识码：A文章编号：1672－4801（2008）01-58-031引言近20年来中国在改革开放和迅速发展中，不断地推动高科技的研发和应用。激光加工技术进步显著，各种激光系统、设备已经进入各个工业领域。激光加工技术是利用激光束与物质的相互作用的特性，对金属和非金属进行各种加工，从20世纪90年代中期开始，激光焊接的优点日益凸显出来，成为专门焊接精密敏感的、几何形状复杂的或是特殊要求工件的方法。使用激光焊接可不必像电子束那样必须在真空中进行，因而可简化工序和降低成本。激光焊接过程中，掌握好一些变化规律，就可以根据对焊缝组织的不同要求来调整焊缝，通过控制激光焊接条件可以获得最佳的焊缝性能。2激光焊接加工参数激光焊接参数是决定焊接能力的重要因素，直接影响焊接质量。只要控制好主要参数，即能有效采用高激光焊接加工技术。2.1激光输出功率工件表面某点吸收能量的多少由激光输出功率和激光辐照时间共同决定。在其他参数都相同的条件下(如能量分布,焦点位置等)，增加激光输出功率可提高焊接速度、增大焊接熔深。焊接碳钢时输出功率对熔深及焊接速度的影响如图1所示。焊接熔深直接与光束功率密度有关，对一定直径的激光束，熔深随着光束功率提高而增加。无论对连续激光还是脉冲激光，激光功率越大，则工件所能吸收的能量值越高，材料所能达到的温度就越高。随着聚焦透镜焦长变化，功率会由此改变。图1功率对熔深及焊接速度的影响2.2激光脉冲波形激光脉冲波形在脉冲激光焊接中是一个重要问题，尤其对于薄片焊接。当高强度激光束射入材料表面，会将60～98％的激光能量反射而损失掉，尤其是金、银、铜、铝、钛等材料反射强、传热快。一个激光脉冲讯号过程中，金属的反射率随时间而变化。当材料表面温度升高到熔点时，反射率会迅速下降，当表面处于熔化状态时，反射稳定于某一值。对于波长1.064μm的激光束，大多数材料初始反射率较高，因此常采用带有前置尖峰的激光输出波形，利用开始出现的尖峰迅速改变表面状态，使其温度上升至熔点，从而使材料表面反射率较低。对于钢及类似等黑金属，其表面反射率比有色金属低，宜采用平坦的激光波形。在实际焊接中可针对不同材料的焊接特性，灵活调整脉冲波形。如对于易脆材料可以采用能量缓慢降低的脉冲波形,减慢冷淬速度。2.3激光脉冲宽度脉宽由熔深与热影响分区确定，脉宽越长热影响区越大，熔深是随脉宽的1/2次方增加。但脉冲宽度的增大会降低峰值功率，因此增加脉冲焊接技术《机电技术》2008年第1期59宽度一般用于热传导焊接方式，形成的焊缝尺寸宽而浅，尤其适合薄板和厚板的搭接焊。但是，较低的峰值功率会导致多余的热输入。对于每种材料，都有一个可使熔深达到最大的最佳脉冲宽度。钢的最佳脉冲宽度为（5～8）×310−S。2.4焦点位置（离焦量、焦距）焊接时，光束的聚焦特性（包括焦距和离焦量）对焊接质量有影响。采用短焦距可获得较高的能量密度，光斑小,要求工件配合间隙要小。长焦距能量密度低，焦距较大，但仍可维持一定的能量密度。对接头定位的精度不高时，能量密度足够用于焊接时，可采用长焦距焊接。焦平面位于工件上方的为正离焦，反之为负离焦。正、负离焦量相等时，平面上的功率密度近似相同，但熔池形状不同。在实际运用中，薄板焊接时，熔深小，适宜用正离焦；熔深较大时，采用负离焦，如果离焦太远效果也不明显，能量也比较容易分散。图2表示焦点位置对1018钢熔深及缝宽的影响。通过调节离焦量可以在光束的某一截面选择一光斑直径使其能量密度适合于焊接。在实际加工中，离焦量的控制应先在加工的材料上进行试加工，选择合适的电流及脉宽大小、激光频率，看激光打在材料上的情况，合适的离焦量基本无熔渣溅出。图2焦点位置对1018钢熔深及缝宽的影响2.5脉冲频率脉冲频率、光斑尺寸和焊接速度相互匹配,才能达到所需的重叠率。当焊接点达到90%以上的重叠率时基本符合焊缝要求，但是也要根据对加工工件的粗糙度及焊接要求来选择。对于非密封焊接，焊接速度不变情况下，激光脉冲频率降低，焊接点之间重叠率就降低，相对焊缝表面会比较粗糙。一般来说，重叠率越大，焊缝越光滑，但焊接速度也相应降低。当激光脉冲频率超过一定值时，重叠率过大，超过材料的焊接极限，容易焊穿或出现焊渣。2.6材料吸收率激光束与材料吸收的相容性取决于材料的一些重要性能，如吸收率、反射率、热导率等，其中最主要是吸收率。材料吸收率与材料的电阻系数和光洁度都有关系。美国罗切斯特大学研究人员利用高能脉冲激光处理的方法，改变金属特性，将会大大提高金属吸收的能力。材料的表面状态对光束吸收率有较大影响，建议利用采用表面涂层或表面生成氧化膜的方法，对提高材料对光束的吸收很有效。2.7焊接速度提高焊接速度会使熔深变浅。所以，一般在焊接薄板或焊接性较好材料时使用高速焊接；厚板、难焊材料速度要降低。焊接速度对熔池和焊缝形状也有影响。低速下熔池大而宽，且易产生下塌，高速焊接时，焊缝中心强烈流动的液态金属由于来不及从新分布，便在焊缝两侧凝固，形成不平整焊缝。对于一定激光功率和一定厚度的某特定材料都有一个合适的焊接速度范围。图3给出了1018钢焊接速度与熔深的关系。图31018钢焊接速度与熔深的关系2.8保护气体激光焊接过程使用惰性气体来保护熔池，一般情况下用氮气、氩气、氦气。氦气成本最高，但其防氧化效果好，且电离度小，不易形成等离子体。氩气的防氧化效果也好，但是它易电离，一般如铝，钛等活泼性金属用氩气做保护气，而将氩气和氦气按一定比例混合使用效果更好。氮气成本最低，一般用于不锈钢的焊接。《机电技术》2008年第1期焊接技术603常见金属材料的激光焊接特性激光焊接适用于多种材料的焊接。激光的高功率密度及高焊接速度，使得激光焊缝、热影响区都很小。掌握好一些变化规律，就可以根据对焊缝组织的不同要求来调整焊缝的化学成分，通过控制焊接条件可以获得最佳的焊缝性能。3.1碳钢低碳钢和低合金钢都具有较好的焊接性，但是采用激光焊接时，材料的含碳量（碳当量CC）不应高于0.25﹪。碳当量计算公式：CC=C%+Mn/6%+Ni/15%+Cr/13%+Cu/13%+Mo/4%对于碳当量超过0.3%的材料，焊接冷裂纹倾向会加大，设计中考虑到焊缝的一定收缩量，有利于降低焊缝和热影响区的残余应力和裂纹倾向。碳当量大于0.3﹪的材料和碳当量小于0.3%的材料在一起焊接时，采用偏置焊缝形式有利于限制马氏体的转变，减少裂纹的产生。材料碳当量超过0.3%时，减小淬火速度也可以减小裂纹倾向。镀锌钢，因为锌的汽化温度（903℃）比钢的熔点（1535℃）低的多，在焊接过程中锌蒸发，使焊缝产生严重的气孔，因此难采用激光焊接，特别是穿透焊接，现在有实验采用在上下材料间设置0.1mm的间隙，从间隙中放走锌蒸气，但在实际生产中间隙的操作比较困难。硫和磷含量对焊接裂纹有一定影响，含硫量高于0.04﹪或含磷量高于0.04﹪的钢激光焊接时容易产生裂纹。表面经过渗碳处理的钢由于其表面的含碳量较高，极易在渗碳层产生凝固裂纹和收拾裂纹，通常不适用激光焊接。3.2不锈钢奥氏体不锈钢的导热系数只有碳钢的1/3，吸收率比碳钢高。因此，奥氏体不锈钢可获得比普通碳钢深一点的焊接熔深（深5﹪-10﹪）。激光焊接热输入量小、焊接速度高，非常适合于Ni-Cr系列不锈钢的焊接。马氏体不锈钢的焊接性差，焊接接头通常硬而脆，并有冷裂纹倾向。在焊接含碳量大于0.1﹪的不锈钢时，预热和回火可以降低冷裂纹和脆裂倾向。铁素体不锈钢，激光焊接通常比其他焊接方法容易焊接。3.3铜、铝及其合金紫铜对CO2激光的反射率很高，但对Nd：YAG激光的反射率则很低，所以用激光焊接紫铜还是有可能的。另外，可以通过表面处理来提高材料对激光的吸收。黄铜的不可焊性是因为其中锌的含量超出了激光焊接允许的范围。锌有相对较低的熔点，容易汽化，会导致大量的焊接缺陷如气孔。由于铝合金的反射较高和导热系数很高。铝合金的激光焊接需要相对较高的能量密度。但是，许多铝合金中含有易挥发的元素，如硅、镁等，焊缝中都有很多气孔。而激光焊接纯铝时不存在以上问题。现阶段一般采用高能量，大脉宽，表面去除氧化，氩气充分保护等措施焊接时，效果可以。另外,现在采用复合焊接的方式焊接铝合金。用8KW的激光功率焊接厚度为12.7mm的铝合金材料，焊透率大约为1.5mm/kW。3.4钛及其合金钛合金密度小、具有比强度高、耐高温、耐腐蚀等优良性质。钛和钛合金很适合激光焊接，可获得高质量、塑性好的焊接接头。但是钛对氧化很敏感，必须在惰性气氛中进行焊接。所以要特别注意接头的清洁和气体保护问题。钛及钛合金对热裂纹是不敏感的，但是焊接时会在热影响区出现延迟裂纹，氢是引起这种裂纹的主要原因。防止这种裂纹的办法，主要是减少焊接头的氢来源，必要时可进行真空退火处理，以减少焊接接头的含氢量。钛合金激光焊接时，焊接速度一般较高（80～100m/h）,焊透率大约为1mm/kW。4结束语激光加工是一门21世纪发展极快的新制造技术，必将对我国传统工业的技术改造，新兴工业领域以及制造业的现代化提供先进的技术装备。在现有的激光焊接技术的基础上我们还应该在传统工艺上进行改造更新，使激光焊接可以发挥出更好的优势，激光焊接技术必将获得愈来愈广泛的应用。参考文献：[1]张永康.激光加工技术[M].化学工业出版社.2004：68-76.[2]关振中.激光加工工艺手册[M].中国计量出版社.1998：130-131.[3]郑启光.激光先进制造技术[M].华中科技大学出版社.2001：110-120.[4]任乃飞,张永康,杨继昌,蔡兰.激光冲击对金属材料机械性能的影响[J].激光技术.1998.焊接技术《机电技术》2008年第1期61[5]张赵林.激光焊接铝合金的研究[J].中国激光.1998.[6]李力均.现代激光加工及设备[M].北京理工大学出版社.1993.1.作者简介：程隆双（1978年～），女，助理实验师，主要从事：机械加工、特种加工的研究和实验教学。（上接第44页）参考文献：[1]BrinksmeierE，BrockhoffT.Randschicht-WärmebehandlungdurshSchleifen[J].HTM,1994,49(5):327-330.[2]BrinksmeierE，BrockhoffT.UtilizationofGrindingHeatasaNewHeatTreatmentProcess[J].AnnalsoftheCIRP,1996,45(1):283-286.[3]BrockhoffT.Grinding-Hardening:AComprehensiveView[J].AnnalsoftheCIRP,1999,48(1):255-260[4]ZarudiI，ZhangLC.MechanicalPropertyImprovementofQuenchableSteelbyGrinding[J].JournalofMaterialsScience,2002,37(18):3935-3943.[5]J.D.Liu，G.C.Wang，Z.Wang，etal.ExperimentalResearchofGrind-Hardeningof65MnSteel[J].MaterialsScienceForum,2006,505-507:787-792.[6]J.D.Liu，G.C.Wang，Q.F.Li，etal.ResearchofSurfaceHardeningBasedonTransverseFeedGrinding[J