激光焊接深熔焊接技术

一：激光焊接深熔焊接参数

(I)临界功率密度和临界功率深熔焊时,功率密度必须达到足够高的能量密

度才能产生匙孔效应。产生匙孔效应的最小功率密度称为临界功率密度q。;相应

的激光功率，称为临界功率。临界功率密度与焊接速度有关，激光平均功率与激光

光斑的有效截面半径(俗称焦斑半径a)有关。因此，焦斑半径和焊接速度的大小，

都会影响到临界功率密度和临界功率的数值。例如，当焊接速度为10mm/s.采用

氮气保护时，临界功率密度必须大于106 W/cm2甘，如图4一所示。

激光功率密度（W/cm2）

图4-5激光焊接深熔焊接临界功率密度

(焊接参数:焊材料为钢;，v=1Omm/s;气体为He)

(2)激光焊接焊接的熔深 激光深熔焊的熔深与激光输出功率密度密切相关，也是功率和光斑直径的函数,在一定的激光功率下，提高焊接速度，则热输人下降，焊接熔深减少。尽管适当降低焊接速度可加大熔深,但若焊接速度过低，熔深却不会再增加.反而使缝宽增大。其主要原因是，激光深熔焊时，维持小孔存在的主要动力是金属燕气的反冲压力。在焊接速度低到一定程度后，热愉人的增加，熔化金属越来越多。当金属汽化所产生的反冲压力不足以维持小孔的存在时，小孔不仅不再加深甚至会崩溃，使得焊接过程蜕变为传热焊接，因而熔深不会再加大。另一个原因是随着金属汽化的增加匙孔区沮度上升，等离子体的浓度增加，对激光的吸收增加。这些原因使得低速焊接时，深熔焊熔深有一个最大值。也就是说，对于给定的激光功率等条件，存在一维持深熔焊接的最小焊接速度。熔深与激光功率和焊接速度的关系可由下述经验公式表示

h—焊接熔深(mm);

p—激光功率(W);

v—焊接速度(mm/s);

βγ—取决于激光源、聚焦系统和焊接材料的常数。

二；激光焊接焊接过程中的几种效应

(1)激光焊接深熔焊焊接过程中的等离子体在高功率密度条件下进行激光加工时会出现等离子体。等离子体的产生是物质原子或分子受能量激发电离的结果。任何物质在接收外界能最而沮度升高时.原子或分子受能量(光能、热能、电场能等)的激发都会产生电离.从而形成自由运动的电子、带正电的离子和中性原子组成的等离子体。激光焊接时，金属被激光加热汽化后，在熔池上方形成高沮金属燕气。金属蒸气中有一定的自由电子。处在激光辐照区的自由电子通过逆韧致辐射吸收能量而被加速.直至其有足够的能最来碰撞、电离金属蒸气和周围气体，电子密度从而雪崩式地增加，产生等离子体。电子密度最后达到的数位与复合速率有关.也与保护气体有关。激光加工过程中的等离子体主要为金属燕气的等离子体。这是因为金属材

料的电离能低于保护气体的电离能，金属燕气较周圈气体易于电离。如果激光功率密度很高，而周围气体流动不充分时，也可能使周围气体离解而形成等离子体。

    高功率激光深熔焊时，位于熔池上方的等离子体.会引起光的吸收和散射，改变焦点位置，降低激光功率和热源的集中程度.从而影响焊接过程。等离子体对激光的吸收率与电子密度和燕气密度成正比，随激光功率密度和作用时间的增长而增加，并与波长的平方成正比。同样的等离子体，对波长为10.6μm的CO2激光的吸收率比对波长为1.06μm的YAG激光的吸收率高两个数最级。由于吸收率不同.不同波长的激光产生等离子体所需的功率密度阀值也不同。YAG激光产生等离子体阂依功率密度比CO,激光的高出约两个数最级。也就是说.用CO2激光进行加工时，易产生等离子体井受其影响，而用YAG激光加工，等离子体的影响则较小。  

   激光通过等离子体时，改变了吸收和聚焦条件，有时会出现激光束的自聚焦现象。等离子体吸收的光能可以通过不同渠道传至焊件。如果等离子体传至焊件的能量大于等离子体吸收所造成焊件接收光能的损失，等离子体反而会增强焊件对激光能量的吸收，这时，等离子体也可看做是一个热源。

    激光功率密度处于形成等离子体的阀值附近时，较稀薄的等离子休云集于焊件表面，焊件通过等离子体吸收能量。当材料汽化和形成的等离子体云浓度间形成稳定的平衡状态时，焊件表面有一较稳定的等离子体层，其存在有助于加强焊件对激光的吸收。用co2激光加工钢材，与上述情况相应的激光功率密度约为106 W/Cm2 ,由于等离子体的作用，焊件对激光的总吸收率可由10%左右增至30%一50%.

    激光功率密度为106一107w/cm2时，等离子体的温度高，电子密度大，对激光的吸收率大，并且高温等离子体迅速膨胀.逆着激光人射方向传播(速度约为10'5-10'6Cm/s)，形成所谓激光维持的吸收波。在这种情形中，会出现等离子体的形成和消失的周期性振荡(见图4-6).

    这种激光维持的吸收波，容易在激光焊接过程中出现，必须加以抑制。进一步增大激光功率密度(大于10'6 W/Cm2 )，激光加工区周围的气体可能被击穿。击穿各种气体所需功率密度大小与气体的导热性、解离能和电离能有关。气体的导热性越好，能量的热传导损失越大.等离子体的维持闭值越高，在聚焦状态下就意味着等离子体密度越低，越不易出现等离子体屏蔽。对于电离能较低的氮气，气体流动状况不好时.在略离于10' W/cm'的功率密度下也可能出现击穿现象。一般在采用连续co2激光进行加工时.其功率密度均应小于107w/cm2。

图4-6激光焊接深熔焊接等离子休的周期振荡

在激光焊中可采用辅助气体侧吹或后吹法、真空室内焊接法、滋光束调焦法、跳跃式激光焊法、功率调制法和磁场电场控制法等方法控制等离子体的屏蔽作用。

(2)璧聚焦效应  当激光深熔焊匙孔形成以后，激光束将进人匙孔。当光束与小孔璧相互作用时.入射激光井不能全部被吸收.有一部分将由孔璧反射在小孔内某处重新会聚起来这一现象称为璧报焦效应。壁聚焦效应的产生。可使激光在匙孔内部维持较高的功率密度.进一步加热熔化材料。对于激光焊接过程.重要的是激光在匙孔底部的剩余功率密度必须足够高，以维持孔底有足够高的温度.产生必要的汽化压力，维持一定深度的匙孔。匙孔效应的产生和壁聚焦效应的出现，能大大地改变激光与物质的相互作用过程。当光束进人匙孔后，匙孔相当于一个吸光的黑体，使能量的吸收率大大增加。

(3)净化效应  净化效应是指CO2激光焊时，焊缝金属有害杂质元素减少或夹杂物减少的现象。产生净化效应的原因是，对于波长为10.6μm的CO2激光，非金属夹杂物的吸收率远远大于金属，当非金属和金属同时受到激光照射时，非金属将吸收较多的激光使其沮度迅速上升而汽化。当这些元素固溶在金属荃体时，由于这些非金属元家的沸点低，蒸气压高，它们会从熔池中蒸发出来。上述两种作用的总效果是焊缝中的有害元家减少.这对金属的性能，特别是塑性和韧性，有很大好处。当然，激光焊净化效应产生的前提必须是对焊接区加以有效地保护，使之不受大气等的污染。但这种特性在焊接铝时也会烧损合金元素，使焊缝强度下降。

4.激光焊接深熔焊接的优点

1)激光焊接深熔焊接时，激光束可以聚焦到很高的功率密度,达到很高的焊缝深度比(12: 其优点如下:

1)热影响区较小，使焊件的热变形很小，可以进行梢确的焊接，焊接无须刚性夹紧。

2)可以焊接很难焊的材料(如钛、石英等)。

3)焊接在空气中进行，不需要真空，不产生X射线(与真空电子束焊相比)。当然，激光焊接机也需要在保护气氛下进行，防止有害气体当然,激光焊也需在保

护气氛下进行，防止有害气体侵蚀焊接熔池,如氧化等。

4)可以不用焊条或填充材料，可以得到无杂质，无污染的焊缝。

5)激光没有惯性，可以迅速开始与停止。可以高速度焊接复杂焊件，易于控制和自动化。

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