激光焊接質量很大程度上取決于激光焊接時所選用的工藝參數和工藝方法,激光能量、斑點尺寸、光束模式、偏振、波長、保護氣體成分和保護方式流速、表面狀況及材料成分、接頭形式、幾何尺寸、間隙、焊接速度聚焦位置因素影響激光焊接過程。

一、激光焊接功率密度
功率密度是激光焊接中最重要的參數之一。功率密度過高會造成材料的氣化,熱傳導激光焊接功率密度的范圍在10~105 W /cm2。激光束照射到材料表面時,一部分從材料表面反射,一部分透人材料內被材料吸收,透人材料內部的光通量對材料起加熱作用。不同材料對不同波長光波的吸收與反射,有著很大的差別。一般而言,導電率高的金屬材料對光波的反射率也高,表面光亮度高的材料其反射率也高。因此實際應用中,功率密度的選取取決于材料本身的特性。除此之外尚需考慮焊接的具體要求,如薄壁材料焊接(0.01~0.1 mm),要求工件的任何位置不允許溫升超過沸點,否則易使焊點成孔,功率密度不可太高。厚材料的穿透焊中(0.5 mm),為達到一定熔深,表面應維持在熔沸點之間,功率密度可相應高一些。功率密度通常通過電源的電流或電壓、脈寬、頻率等參數來調節。
二、激光焊接焦點位置(離焦量)
經過聚焦的激光束應使零件焊接面位于焦深范圍內。此時激光功率密度最高,激光焊接效果最好,一般通過調節聚焦簡來觀察在激光與金屬作用時產生的火花聆聽發出的聲音來識別零件表面是否在焦深范圍內。有時為了達到特殊焊接效果,可通過正離焦和負離焦來實現淺焊和深焊。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。離焦方式有兩種一正 離焦和負離焦,焦點在待加工表面以,上時為正離焦,焦點在待加工表面以下時為負離焦。離開激光焦點的各平面上,功率密度分布相對均勻。通過調整離焦量,可以選擇光束的某一截面使其能量密度適合于焊接,所以調整離焦量是調整能量密度的方法之一。負離焦可以提高熔深,對熔深要求不高時最好用正離焦。當然,離焦量越大,焊縫也越寬。
三、激光焊接速度
其他參數都相同的條件下,增加激光功率可提高焊接速度,增大焊接熔深。激光功率、焊接速度與焊接熔深緊密相連。
隨焊接速度的增加,熔池流動方式和尺寸將會改變。低速下熔池大而寬,且易產生下塌,此時,熔化金屬的量較大,金屬熔池的重力太大,表面張力難以維持處于焊縫中的熔池,而從焊縫中間滴落或下沉,在表面形成凹坑。高速焊接時,匙孔尾部原來朝向焊縫中心強烈流動的液態金屬由于來不及重新分布,便在焊縫兩側凝固,形成咬邊缺陷。在大功率下形成較大熔池時,高速焊接同樣容易在焊縫兩側留下輕微的咬邊,但是在熔池波紋線的中心會產生一定壓力。
四、激光焊接保護氣體
激光焊接過程可以在空氣環境中進行,不使用保護氣體,不需要真空,很多情況下可以獲得很好的焊接效果。但一些對焊接 工藝要求嚴格的場合,如要求焊縫美觀、密封、無氧化痕跡的產品,或者是易于氧化難于焊接的鋁合金材料,在焊接過程中就必須施加保護氣體。一種方法是使用密閉的氮氣室或真空箱,室內充滿氮氣,激光通過玻璃照射到工件上,這種方法較煩瑣。還有一種方法是利用噴嘴結構吹出一定壓力、流量、流速的保護氣體作用到焊縫區域,使熔化的金屬不與空氣中的氧氣接觸,保證得到高質量的焊縫。保護氣體除防止氧化外,還有一個作用就是吹掉焊接過程中產生的等離子體火焰,等離子體火焰對激光有吸收、散射作用,影響焊接效果。
在激光焊接時,金屬材料表面瞬間達到熔化溫度,此時金屬材料表面與空氣中的氧發生劇烈反應而形成氧化層。為降低氧化作用,用適量的惰性氣體吹拂焊接表面,使焊接表面瞬間與氧氣隔離,達到提高質量的效果。
保護氣體常用的有氮氣、氬氣、氦氣。氦氣成本最高,但其防氧化效果好,且電離度小,不易形成等離子體。氬氣的防氧化效果也好,但是它易電離,一般如鋁、鈦等活潑性金屬用氨氣做保護氣,而將氬氣和氦氣按-定比例混合使用效果更好。氮氣成本最低,一般用于不銹鋼的焊接。在要求高度密封,焊接漏氣率很低的工件時,最好使用氫氣。
五、激光焊接電源參數
當激光脈沖頻率較低而焊接速度較高時,形成點焊,也就是說,相鄰焊接斑點間首尾不能相接。由于焊接斑點直徑是一定的,所以只有當激光脈沖頻率與焊接速度相匹配時,才能形成滿焊。近似公式如下:
焊接速度=激光脈沖頻率X激光焊接光斑直徑X(1-光斑重疊率)
式中:光斑重疊率為相鄰兩光斑在直徑方向的重疊率。
① 脈沖寬度
脈沖寬度是激光焊接中重要的參數之一,它是區別于材料去除和材料熔化的重要參數,通常根據熔深和熱影響區要求確定脈沖寬度。激光焊接的脈沖必須大于1ms,否則成為打孔。同一種金屬焊接時,在其他條件相同時,其穿人深度與脈寬有關,脈寬越大,則穿人深度越大,熱影響區也越大。
② 脈沖波形
對波長為1064 nm的激光束,大多數材料初始反射率較高,能將激光束的大部分能量反射回去,因此常采用帶有前置尖峰的激光輸出波形,利用開始出現的尖峰迅速改變表面狀態。在實際焊接中可針對不同焊接特性的材料靈活地調整脈沖波形。對金,銀、銅、鋁等反射強、傳熱快的材料,宜采用帶有前置尖峰的激光波形。對于鋼及其類似金屬,如鐵、鎳、鋁、鈦等黑色金屬,其表面反射率較有色金屬的低,宜采用較為平坦的波形或平頂波,如對易脆材料可以采用能量緩慢降低的脈沖波形,減慢冷淬速度。
③ 脈沖頻率
熱傳導焊接中,激光器發出重復頻率激光脈沖,每個激光脈沖形成一個熔斑, 焊件與激光束相對移動速度決定了熔斑的重疊率,一系列熔斑形成魚鱗紋似的漂亮焊縫。一般根據生產率即焊接速度的要求選擇激光重復頻率。在激光密封焊接中,重疊率要求在70%以上。
④ 能量上升與下降方式
焊接過程中尤其是在焊接快結束的時候,調整能量下降時間和下降速度是一種非常好的控制方法,可以使匙孔坍塌引起的局部咬邊降到最低程度。典型的能量上升可以在0.0~0.2 S內將激光功率從較低值升高到所需功率,在工件或激光束移動過程中打開光閘可使能量上升在零過渡時間內完成,輸出的激光功率就是焊接功率。典型的能量下降可以在0.3~0.5 S內將激光能量從焊接功率降到較低值。要獲得理想的匙孔坍塌形狀,就要有足夠長的能量下降時間,不過要注意盡可能減少焊接熱循環時間。







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