激光焊接原理

激光焊接可以采用連續或脈衝(chong) 激光束加以實現，激光焊接的原理可分為(wei) 熱傳(chuan) 導型焊接和激光深熔焊接。功率密度小於(yu) 104~105 W/cm2為(wei) 熱傳(chuan) 導焊，此時熔深淺、焊接速度慢；功率密度大於(yu) 105~107 W/cm2時，金屬表麵受熱作用下凹成“孔穴”，形成深熔焊，具有焊接速度快、深寬比大的特點。

其中熱傳(chuan) 導型激光焊接原理為(wei) ：激光輻射加熱待加工表麵，表麵熱量通過熱傳(chuan) 導向內(nei) 部擴散，通過控製激光脈衝(chong) 的寬度、能量、峰功率和重複頻率等激光參數，使工件熔化，形成特定的熔池。

用於(yu) 齒輪焊接和冶金薄板焊接用的激光焊接機主要涉及激光深熔焊接。下麵重點介紹激光深熔焊接的原理。
激光深熔焊接一般采用連續激光光束完成材料的連接，其冶金物理過程與(yu) 電子束焊接極為(wei) 相似，即能量轉換機製是通過“小孔”（Key-hole）結構來完成的。在足夠高的功率密度激光照射下，材料產(chan) 生蒸發並形成小孔。這個(ge) 充滿蒸氣的小孔猶如一個(ge) 黑體(ti) ，幾乎吸收全部的入射光束能量，孔腔內(nei) 平衡溫度達2500 0C左右，熱量從(cong) 這個(ge) 高溫孔腔外壁傳(chuan) 遞出來，使包圍著這個(ge) 孔腔四周的金屬熔化。小孔內(nei) 充滿在光束照射下壁體(ti) 材料連續蒸發產(chan) 生的高溫蒸汽，小孔四壁包圍著熔融金屬，液態金屬四周包圍著固體(ti) 材料（而在大多數常規焊接過程和激光傳(chuan) 導焊接中，能量首先沉積於(yu) 工件表麵，然後靠傳(chuan) 遞輸送到內(nei) 部）。孔壁外液體(ti) 流動和壁層表麵張力與(yu) 孔腔內(nei) 連續產(chan) 生的蒸汽壓力相持並保持著動態平衡。光束不斷進入小孔，小孔外的材料在連續流動，隨著光束移動，小孔始終處於(yu) 流動的穩定狀態。就是說，小孔和圍著孔壁的熔融金屬隨著前導光束前進速度向前移動，熔融金屬充填著小孔移開後留下的空隙並隨之冷凝，焊縫於(yu) 是形成。上述過程的所有這一切發生得如此快，使焊接速度很容易達到每分鍾數米。

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激光深熔焊接的主要工藝參數

激光功率

激光焊接中存在一個(ge) 激光能量密度閾值，低於(yu) 此值，熔深很淺，一旦達到或超過此值，熔深會(hui) 大幅度提高。隻有當工件上的激光功率密度超過閾值（與(yu) 材料有關(guan) ），等離子體(ti) 才會(hui) 產(chan) 生，這標誌著穩定深熔焊的進行。如果激光功率低於(yu) 此閾值，工件僅(jin) 發生表麵熔化，也即焊接以穩定熱傳(chuan) 導型進行。而當激光功率密度處於(yu) 小孔形成的臨(lin) 界條件附近時，深熔焊和傳(chuan) 導焊交替進行，成為(wei) 不穩定焊接過程，導致熔深波動很大。激光深熔焊時，激光功率同時控製熔透深度和焊接速度。焊接的熔深直接與(yu) 光束功率密度有關(guan) ，且是入射光束功率和光束焦斑的函數。一般來說，對一定直徑的激光束，熔深隨著光束功率提高而增加。

光束焦斑

光束斑點大小是激光焊接的最重要變量之一，因為(wei) 它決(jue) 定功率密度。但對高功率激光來說，對它的測量是一個(ge) 難題，盡管已經有很多間接測量技術。
光束焦點衍射極限光斑尺寸可以根據光衍射理論計算，但由於(yu) 聚焦透鏡像差的存在，實際光斑要比計算值偏大。最簡單的實測方法是等溫度輪廓法，即用厚紙燒焦和穿透聚丙烯板後測量焦斑和穿孔直徑。這種方法要通過測量實踐，掌握好激光功率大小和光束作用的時間。

材料吸收值

材料對激光的吸收取決(jue) 於(yu) 材料的一些重要性能，如吸收率、反射率、熱導率、熔化溫度、蒸發溫度等，其中最重要的是吸收率。
影響材料對激光光束的吸收率的因素包括兩(liang) 個(ge) 方麵：首先是材料的電阻係數，經過對材料拋光表麵的吸收率測量發現，材料吸收率與(yu) 電阻係數的平方根成正比，而電阻係數又隨溫度而變化；其次，材料的表麵狀態（或者光潔度）對光束吸收率有較重要影響，從(cong) 而對焊接效果產(chan) 生明顯作用。
CO2激光器的輸出波長通常為(wei) 10.6μm，陶瓷、玻璃、橡膠、塑料等非金屬對它的吸收率在室溫就很高，而金屬材料在室溫時對它的吸收很差，直到材料一旦熔化乃至氣化，它的吸收才急劇增加。采用表麵塗層或表麵生成氧化膜的方法，提高材料對光束的吸收很有效。

焊接速度

焊接速度對熔深影響較大，提高速度會(hui) 使熔深變淺，但速度過低又會(hui) 導致材料過度熔化、工件焊穿。所以，對一定激光功率和一定厚度的某特定材料有一個(ge) 合適的焊接速度範圍，並在其中相應速度值時可獲得最大熔深。圖10-2給出了1018鋼焊接速度與(yu) 熔深的關(guan) 係。

保護氣體(ti)

激光焊接過程常使用惰性氣體(ti) 來保護熔池，當某些材料焊接可不計較表麵氧化時則也可不考慮保護，但對大多數應用場合則常使用氦、氬、氮等氣體(ti) 作保護，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工件表麵。這是激光焊接時使用最有效的保護氣體(ti) ，但價(jia) 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(ti) 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(yu) 熔深。使用氬氣保護的焊件表麵要比使用氦氣保護時來得光滑。
氮氣作為(wei) 保護氣體(ti) 最便宜，但對某些類型不鏽鋼焊接時並不適用，主要是由於(yu) 冶金學方麵問題，如吸收，有時會(hui) 在搭接區產(chan) 生氣孔。
使用保護氣體(ti) 的第二個(ge) 作用是保護聚焦透鏡免受金屬蒸氣汙染和液體(ti) 熔滴的濺射。特別在高功率激光焊接時，由於(yu) 其噴出物變得非常有力，此時保護透鏡則更為(wei) 必要。
保護氣體(ti) 的第三個(ge) 作用是對驅散高功率激光焊接產(chan) 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雲(yun) ，金屬蒸氣周圍的保護氣體(ti) 也會(hui) 因受熱而電離。如果等離子體(ti) 存在過多，激光束在某種程度上被等離子體(ti) 消耗。等離子體(ti) 作為(wei) 第二種能量存在於(yu) 工作表麵，使得熔深變淺、焊接熔池表麵變寬。通過增加電子與(yu) 離子和中性原子三體(ti) 碰撞來增加電子的複合速率，以降低等離子體(ti) 中的電子密度。中性原子越輕，碰撞頻率越高，複合速率越高；另一方麵，隻有電離能高的保護氣體(ti) ，才不致因氣體(ti) 本身的電離而增加電子密度。
表 常用氣體(ti) 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(cong) 表可知，等離子體(ti) 雲(yun) 尺寸與(yu) 采用的保護氣體(ti) 不同而變化，氦氣最小，氮氣次之，使用氬氣時最大。等離子體(ti) 尺寸越大，熔深則越淺。造成這種差別的原因首先由於(yu) 氣體(ti) 分子的電離程度不同，另外也由於(yu) 保護氣體(ti) 不同密度引起金屬蒸氣擴散差別。
氦氣電離最小，密度最小，它能很快地驅除從(cong) 金屬熔池產(chan) 生的上升的金屬蒸氣。所以用氦作保護氣體(ti) ，可最大程度地抑製等離子體(ti) ，從(cong) 而增加熔深，提高焊接速度；由於(yu) 質輕而能逸出，不易造成氣孔。當然，從(cong) 我們(men) 實際焊接的效果看，用氬氣保護的效果還不錯。
等離子雲(yun) 對熔深的影響在低焊接速度區最為(wei) 明顯。當焊接速度提高時，它的影響就會(hui) 減弱。
保護氣體(ti) 是通過噴嘴口以一定的壓力射出到達工件表麵的，噴嘴的流體(ti) 力學形狀和出口的直徑大小十分重要。它必須以足夠大以驅使噴出的保護氣體(ti) 覆蓋焊接表麵，但為(wei) 了有效保護透鏡，阻止金屬蒸氣汙染或金屬飛濺損傷(shang) 透鏡，噴口大小也要加以限製。流量也要加以控製，否則保護氣的層流變成紊流，大氣卷入熔池，最終形成氣孔。
為(wei) 了提高保護效果，還可用附加的側(ce) 向吹氣的方式，即通過一較小直徑的噴管將保護氣體(ti) 以一定的角度直接射入深熔焊接的小孔。保護氣體(ti) 不僅(jin) 抑製了工件表麵的等離子體(ti) 雲(yun) ，而且對孔內(nei) 的等離子體(ti) 及小孔的形成施加影響，熔深進一步增大，獲得深寬比較為(wei) 理想的焊縫。但是，此種方法要求精確控製氣流量大小、方向，否則容易產(chan) 生紊流而破壞熔池，導致焊接過程難以穩定。

透鏡焦距

焊接時通常采用聚焦方式會(hui) 聚激光，一般選用63~254mm(2.5”~10”)焦距的透鏡。聚焦光斑大小與(yu) 焦距成正比，焦距越短，光斑越小。但焦距長短也影響焦深，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(yu) 工件的間距，且熔深也不大。由於(yu) 受焊接過程中產(chan) 生的飛濺物和激光模式的影響，實際焊接使用的最短焦深多為(wei) 焦距126mm(5”)。當接縫較大或需要通過加大光斑尺寸來增加焊縫時，可選擇254mm(10”)焦距的透鏡，在此情況下，為(wei) 了達到深熔小孔效應，需要更高的激光輸出功率（功率密度）。
當激光功率超過2kW時，特別是對於(yu) 10.6μm的CO2激光束，由於(yu) 采用特殊光學材料構成光學係統，為(wei) 了避免聚焦透鏡遭光學破壞的危險，經常選用反射聚焦方法，一般采用拋光銅鏡作反射鏡。由於(yu) 能有效冷卻，它常被推薦用於(yu) 高功率激光束聚焦。

焦點位置

焊接時，為(wei) 了保持足夠功率密度，焦點位置至關(guan) 重要。焦點與(yu) 工件表麵相對位置的變化直接影響焊縫寬度與(yu) 深度。圖2-6表示焦點位置對1018鋼熔深及縫寬的影響。

在大多數激光焊接應用場合，通常將焦點的位置設置在工件表麵之下大約所需熔深的1/4處。

激光束位置

對不同的材料進行激光焊接時，激光束位置控製著焊縫的最終質量，特別是對接接頭的情況比搭接結頭的情況對此更為(wei) 敏感。例如，當淬火鋼齒輪焊接到低碳鋼鼓輪，正確控製激光束位置將有利於(yu) 產(chan) 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。有些應用場合，被焊接工件的幾何形狀需要激光束偏轉一個(ge) 角度，當光束軸線與(yu) 接頭平麵間偏轉角度在100度以內(nei) 時，工件對激光能量的吸收不會(hui) 受到影響。

焊接起始、終止點的激光功率漸升、漸降控製

激光深熔焊接時，不管焊縫深淺，小孔現象始終存在。當焊接過程終止、關(guan) 閉功率開關(guan) 時，焊縫尾端將出現凹坑。另外，當激光焊層覆蓋原先焊縫時，會(hui) 出現對激光束過度吸收，導致焊件過熱或產(chan) 生氣孔。
為(wei) 了防止上述現象發生，可對功率起止點編製程序，使功率起始和終止時間變成可調，即起始功率用電子學方法在一個(ge) 短時間內(nei) 從(cong) 零升至設置功率值，並調節焊接時間，最後在焊接終止時使功率由設置功率逐漸降至零值。

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激光深熔焊特征及優(you) 、缺點

激光深熔焊的特征

1) 高的深寬比。因為(wei) 熔融金屬圍著圓柱形高溫蒸氣腔體(ti) 形成並延伸向工件，焊縫就變成深而窄。

2) 最小熱輸入。因為(wei) 小孔內(nei) 的溫度非常高，熔化過程發生得極快，輸入工件熱量很低，熱變形和熱影響區很小。

3) 高致密性。因為(wei) 充滿高溫蒸氣的小孔有利於(yu) 焊接熔池攪拌和氣體(ti) 逸出，導致生成無氣孔的熔透焊縫。焊後高的冷卻速度又易使焊縫組織細微化。
4) 強固焊縫。因為(wei) 熾熱熱源和對非金屬組分的充分吸收，降低雜質含量、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(si) ，熔化區受汙染少，使得焊縫強度、韌性至少相當於(yu) 甚至超過母體(ti) 金屬。
5) 精確控製。因為(wei) 聚焦光點很小，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，用數控光束移動技術則可焊接複雜工件。
6) 非接觸大氣焊接過程。因為(wei) 能量來自光子束，與(yu) 工件無物理接觸，所以沒有外力施加工件。另外，磁和空氣對激光都無影響。

激光深熔焊的優(you) 點

1) 由於(yu) 聚焦激光比常規方法具有高得多的功率密度，導致焊接速度快，受熱影響區和變形都很小，還可以焊接鈦等難焊的材料。

2) 因為(wei) 光束容易傳(chuan) 輸和控製，又不需要經常更換焊槍、噴嘴，又沒有電子束焊接所需的抽真空，顯著減少停機輔助時間，所以有荷係數和生產(chan) 效率都高。

3) 由於(yu) 純化作用和高的冷卻速度，焊縫強度、韌性和綜合性能高。

4) 由於(yu) 平均熱輸入低，加工精度高，可減少再加工費用；另外，激光焊接運轉費用也較低，從(cong) 而可降低工件加工成本。

5) 對光束強度和精細定位能有效控製，容易實現自動化操作。

激光深熔焊的缺點

1) 焊接深度有限。

2) 工件裝配要求高。

3) 激光係統一次性投資較高