激光焊接工藝課件

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內(nèi)容提要概述幾種常見金屬激光焊接特性工藝參數(shù)分析第1頁/共26頁金屬材料的激光加工主要是基于光熱效應的熱加

工，其前提是激光可以被加工材料吸收并轉(zhuǎn)化為熱能。在不同功率密度的激光束的照射下，材料表面區(qū)域?qū)l(fā)生各種不同的變化，這些變化包括表面溫度升高、熔化、氣化、形成小孔以及產(chǎn)生光致等離子體等。激光加工的物理基礎第2頁/共26頁概述激光功率密度激光功率密度激光功率密度激光功率密度小于10?W/cm2在104—106在106W/cm2大于107W/cm2用于表面退火W/cm2

用于用于激光用于打孔、相變硬化處理熱導型焊接深熔焊接沖擊硬化口4

F

9固態(tài)加熱

表面重熔

小孔效應等離子體屏蔽第3克/共26頁概述熱量通過熱傳遞向工件內(nèi)部擴散，只在焊縫表面產(chǎn)

生熔化現(xiàn)象，工件內(nèi)部沒有完全熔透，基本不產(chǎn)生

汽化現(xiàn)象，多用于低速薄壁材料的焊接。完全熔透材料，還使材料汽化，形成大量等離子體，由于熱量較大，熔池前端會出現(xiàn)匙孔現(xiàn)象。深熔焊

能夠徹底焊透工件，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。激光焊被譽為21世紀最有希望的焊接方法，是當前發(fā)展最快，

研究最多的方法。激光焊接的兩種基本模式第4頁/共26頁熱傳導焊概

述深熔焊第5頁/共26頁熱傳導焊深熔焊概述焊接方向與傳統(tǒng)焊接相比第6頁/共26頁概述一

.功率密度功率密度是激光加工中最關鍵的參數(shù)之一。采用較

高的功率密度，在微秒時間內(nèi)，表層即可加熱至沸點，

產(chǎn)生大量氣化，常用于激光打孔、切割和雕刻等。對于較低功率密度，表層溫度達到沸點需要經(jīng)歷數(shù)毫秒，在表層氣化前，底層達到熔點，易形成良好的熔融焊接。工藝參數(shù)分析第7頁/共26頁注

：Ps—

為激光光斑上的激光功率密度Ps;一材料表面達到熔點T。所需的功率密度Ps?一材料表面達到沸點T,所需的功率密度

Ps1、Ps?

值可查相關的手冊厚板材料的穿透焊，功率密度可相應取得高一些，即Ps?<Ps<Psa,

對于大多數(shù)材料，功率密度可取Ps?薄板材料，為保證焊接過程不出現(xiàn)汽化，功率密度應滿足Ps?

<Ps<Ps?工藝參數(shù)分析第8頁/共26頁二.脈沖寬度脈沖寬度(脈寬)是脈沖激光焊接的重要參數(shù)之一選取原則1.根據(jù)熔深要求，確定脈寬。2.對于熱影響區(qū)有嚴格要求的焊接區(qū)域，脈寬由熱影響區(qū)確定。工藝參數(shù)分析第9頁/共26頁若需獲得較大的熔深，脈寬應越長，且熔深的增加隨脈寬的1/2次方增加。對于熔深要求低于0.1mm

左右的薄片焊接，大部分金屬材料采用Ims左右的脈寬就可以達到。不過，此時表面熱源的功率密度較高，若光斑面積上能量分布不均勻，極易造成局部汽化。而且，對于激光器的輸出穩(wěn)定性要求也極高，因此即使對于薄片焊接，仍需將脈寬增長至3ms

以上1.根據(jù)熔深要求，確定脈寬。工藝參數(shù)分析第10頁/共26頁熱影響區(qū)的大小與脈寬有關，脈寬越長，熱影響2.對于熱影響區(qū)越大。因此，在薄片和薄膜焊接中，除應適當區(qū)有嚴格要求拉長脈寬增加焊接的參數(shù)范圍以及提高焊接質(zhì)量的焊接區(qū)域，的穩(wěn)定性外，尚需考慮熱影響區(qū)的大小，脈寬的脈寬由熱影響選取，應保證在熱影響區(qū)所允許的情況下適當增區(qū)確定。寬。大量研究和實驗表明，脈沖激光焊接的脈寬

下限不低于I

ms,

其上限不能高于I0ms工藝參數(shù)分析第11頁/共26頁在焊接試驗過程中，按照零件尺寸的大小，選擇脈沖激光器的平均功率，根據(jù)生產(chǎn)率即焊接速度的要求，選定激光脈沖頻率，而在一定的脈沖頻率下，單脈沖能量則由激光器

平均功率所限制，即：PW=Ef

式

中E為激光單脈沖的能量(J)。脈沖激光點焊用于薄片金屬的連續(xù)密封縫焊時，焊接速度和脈沖頻率之間的關系：V=Wf(1—k)V為焊接速度(m/s),W為焊縫寬度(m),f為脈沖頻率(Hz),k

為重疊系數(shù)，取值范圍0.3—0.9,板厚增加，k

值增大。三

.焊接速度和脈沖頻率工藝參數(shù)分析第12頁/共26頁為了焊接一個工件，選定激光脈沖頻率時，要綜合考慮單脈沖能量的大小，形成熔斑的熔化深度、寬度是否夠用。不能為了追求焊接速度，一味的提高脈沖頻率，只有在適當?shù)拿}沖頻率下，才能得到滿意的焊縫。工藝參數(shù)分析第13頁/共26頁注意四

.離焦量脈沖激光焊接通常需要一定的離焦量。因為激光束焦平面

處光斑中心的功率密度過高，容易蒸發(fā)成孔。離開激光束

焦平面的光斑能量分布相對均勻些，容易獲得合適的功率密度。以工作表面為準，焦平面位于工件下方

的為負離焦第14頁/共26頁以工作表面為準，焦平面位于工件上方

的為正離焦工藝參數(shù)分析離焦方式負離焦正離焦從幾何光學理論知，當正、負離焦量相等時，相應平面的功率密度近似相同。但在這兩種情況下，所獲得的熔池形狀不同。負離焦時，可獲得更大的熔深。這與熔池的形成過程有關。實際應用時，厚板材料要求熔深大，應采用負離焦；焊薄板材料時，宜用正離焦。正負離焦意義工藝參數(shù)分析第15頁/共26頁激光焊接幾種接頭形式焊接接頭第16頁/共26頁較易實現(xiàn)，常被采用，它要求焊縫的

間隙較小，兩金屬被焊面的高度差較

小，且隨激光能量減小，光斑尺寸減

小，脈沖寬度減小，間隙與高度差的要求越嚴格。一般焊縫的間隙小于熔深的15%,高度差小于熔深的25%時，焊接效果較好。間隙與高度差越大，要求焊斑尺

寸，或熔深越大。搭接是薄板連接時常用的接頭形式，

所需激光能量小，脈寬窄，功率密度低。除非對焊縫位置有嚴格要求，搭接焊可不考慮光束的對中問題。同時，搭接還可以焊接多層板。對接方式激光光斑應該覆蓋接頭的兩側焊接接頭第17頁/共26頁搭接方式奧氏體不銹鋼的導熱系數(shù)只有碳鋼的1/3,吸收率比碳鋼高。因此，奧氏體不銹鋼可獲得比普通碳鋼深一點的焊接熔深(深5%-10%)。激光焊接熱輸入量小、焊接

速度高，非常適合于Ni-Cr系列不銹鋼的焊接。鋼的最佳脈沖寬度為(5~8)ms。在焊接含碳量大于0.1%的不銹鋼時，預熱和回火可以降低

冷裂紋和脆裂傾向。鐵素體不銹鋼，激光焊接通常比其他焊接方法容易焊接。不銹鋼常見金屬激光焊接特

性第

1

8

頁

/

共

2

6

頁激光焊接時，鋁及鋁合金對激光的初始反射率高，導致焊接過程不穩(wěn)定，同時，光致等離子體對激光束的屏蔽作用，會使焊接過程無法進行，有時焊接過程中會產(chǎn)生氣孔、裂紋、甚至接頭機械性能降低。材料原始表面電解拋光噴砂陽極氧化純鋁7520225456鋁5～1142227增加吸收率常見金屬激光焊接特

性表1

鋁及合金表面狀態(tài)對CO?

激光束吸收率的影響(%)表面處理第19頁/共26頁鋁及鋁合金

防止氣孔產(chǎn)生焊前進行表面清理，防潮，利用優(yōu)化脈沖波型，增加尾脈沖的方式，可減少氣孔，采取保護氣體焊接，加強保

護或高功率、高速焊都降低氣孔的產(chǎn)生。脈沖點焊時，優(yōu)化脈沖波形，使焊縫熔化凝固重復

進行，降低熔池凝固速度，即在熔池凝固過程中增加

適當?shù)臒嵫h(huán)，減少固液共存區(qū)可減少結晶裂紋。第20頁/共26頁常見金屬激光焊接特性防止熱裂紋產(chǎn)生使用Ar

氣或者

He氣作保護氣體可以得到光潔的焊縫和致密的魚鱗紋，等離子弧與激光復合焊接，也能得到平滑的焊縫。第21頁/共26頁鋁及合金焊縫不規(guī)則是指焊道表面粗糙、魚鱗紋不均勻、

邊緣咬邊及根部不規(guī)則等。主要是焊縫金屬的低蒸汽壓和低表面張力使得焊縫金屬對

N2和O?的親和力增加。常見金屬激光焊接特

性焊縫顏色以其污染程度從輕至重變化依次為淡黃色、深黃色、紫色、藍色，直至污染最嚴重的灰色，保護良好的為銀白色。鈦及鈦合金是一種極易氧化的金屬，Ti

在常溫下因表面有較致密氧化膜而比較穩(wěn)定，但在高溫下則會與許多活性

氣體發(fā)生劇烈反應。鈦及鈦合金常見金屬激光焊接特性第22頁/共26頁在鈦合金激光焊接前，要做好試件清理工作；在鈦合金激光焊接過程

中，氣體保護工作和光致等離子體的控制工作也直接影響到焊接接頭成

形質(zhì)量。因此，在工藝上要嚴格規(guī)范以上工作，才能獲得焊接接頭質(zhì)量滿意的鈦合金激光焊接試件。常見金屬激光焊接特

性工藝要求密閉式：工藝過程復雜，

一般難以應用于生產(chǎn)

實踐中開放式保護：側向噴嘴、平行表面保護與背面氣體保護方式第23頁/共26頁保護