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1、1. 激光焊接原理激光焊接可以采用连续或脉冲激光朿加以实现,激光焊接的原理可分为热传导型焊接和激 光深熔焊接。功率密度小于104105 W/cm2为热传导焊，此时熔深浅、焊接速度慢：功率 密度大于105-107 W/cm2时，金属表面受热作用下凹成“孔穴”，形成深熔焊，具有焊接速 度快、深宽比大的特点。其中热传导型激光焊接原理为:激光钮射加热待加工表而,表而热量通过热传导向内部扩散, 通过控制激光脉冲的宽度、能量、U金功率和重复频率等激光参数，使工件熔化，形成特泄的 熔池。用于齿轮焊接和冶金薄板焊接用的激光焊接机主要涉及激光深熔焊接。下而重点介绍激光深 熔焊接的原理。激光深熔焊接一般采用连续激
2、光光朿完成材料的连接，其冶金物理过程与电子朿焊接极 为相似，即能疑转换机制是通过“小孔”（Kcy-holc）结构来完成的。在足够高的功率密度 激光照射下，材料产生蒸发并形成小孔。这个充满蒸气的小孔犹如一个黑体，几乎吸收全部 的入射光朿能量，孔腔内平衡温度达2500 0C左右，热虽:从这个高温孔腔外壁传递出来，使 包羽着这个孔腔四周的金属熔化。小孔内充满在光朿照射下壁体材料连续蒸发产生的高温蒸 汽，小孔四壁包国着熔融金属，液态金属四周包用着固体材料（而在大多数常规焊接过程和 激光传导焊接中，能量首先沉积于工件表而，然后靠传递输送到内部）。孔壁外液体流动和 壁层表而张力与孔腔内连续产生的蒸汽压力相
3、持并保持着动态平衡。光朿不断进入小孔，小 孔外的材料在连续流动，随着光束移动，小孔始终处于流动的稳定状态。就是说，小孔和用 着孔壁的熔融金属随着前导光朿前进速度向前移动，熔融金属充填着小孔移开后留下的空隙 并随之冷凝，焊缝于是形成。上述过程的所有这一切发生得如此快，使焊接速度很容易达到 每分钟数米。2. 激光深熔焊接的主要工艺参数1）激光功率激光焊接中存在一个激光能虽:密度阈值，低于此值，熔深很浅，一口达到 或超过此值，熔深会大幅度提髙。只有当工件上的激光功率密度超过阈值（与材料有关）， 等离子体才会产生，这标志着稳左深熔焊的进行。如果激光功率低于此阈值，工件仅发生表 而熔化，也即焊接以稳立热
4、传导型进行。而当激光功率密度处于小孔形成的临界条件附近时, 深熔焊和传导焊交替进行，成为不稳左焊接过程，导致熔深波动很大。激光深熔焊时，激光 功率同时控制熔透深度和焊接速度。焊接的熔深直接与光束功率密度有关，且是入射光束功 率和光朿焦斑的函数。一般来说，对一定直径的激光束，熔深随着光朿功率提高而增加。2）光束焦斑。光束斑点大小是激光焊接的最重要变疑之一，因为它决泄功率密度。但对 髙功率激光来说，对它的测量是一个难题，尽管已经有很多间接测量技术。光朿焦点衍射极限光斑尺寸可以根据光衍射理论计算，但由于聚焦透镜像差的存在，实 际光斑要比计算值偏大。最简单的实测方法是等温度轮廓法，即用厚纸烧焦和穿透聚
5、丙烯板 后测量焦斑和穿孔直径。这种方法要通过测量实践，掌握好激光功率大小和光朿作用的时 间。3）材料吸收值。材料对激光的吸收取决于材料的一些重要性能，如吸收率、反射率、热导率、 熔化温度、蒸发温度等，其中最重要的是吸收率。影响材料对激光光束的吸收率的因素包括两个方而：首先是材料的电阻系数，经过对材 料抛光表而的吸收率测量发现，材料吸收率与电阻系数的平方根成正比，而电阻系数又随温 度而变化：苴次，材料的表而状态（或者光洁度）对光束吸收率有较重要影响，从而对焊接 效果产生明显作用。CO2激光器的输出波长通常为10.6 um,陶瓷、玻璃、橡胶、塑料等非金属对它的吸收 率在室温就很髙，而金属材料在室温
6、时对它的吸收很差，宜到材料一旦熔化乃至气化，它的 吸收才急剧增加。采用表而涂层或表而生成氧化膜的方法，提奇材料对光束的吸收很有效。4）焊接速度。焊接速度对熔深影响较大，提髙速度会使熔深变浅，但速度过低又会导致 材料过度熔化、工件焊穿。所以，对一泄激光功率和一泄厚度的某特定材料有一个合适的焊 接速度范围，并在其中相应速度值时可获得最大熔深。5）保护气体。激光焊接过程常使用惰性气体来保护熔池，当某些材料焊接可不计较表而 氧化时则也可不考虑保护，但对大多数应用场合则常使用筑、氮、氮等气体作保护，使工件 在焊接过程中免受氧化。氨气不易电离（电离能量较髙），可让激光顺利通过，光朿能量不受阻碍地直达工件表
7、 而。这是激光焊接时使用最有效的保护气体，但价格比较贵。氮气比较便宜，密度较大，所以保护效果较好。但它易受高温金属等离子体电离，结 果屏蔽了部分光束射向工件，减少了焊接的有效激光功率，也损害焊接速度与熔深。使用氮 气保护的焊件表而要比使用氮气保护时来得光滑。氮气作为保护气体最便宜，但对某些类型不锈钢焊接时并不适用，主要是由于冶金学方 而问题，如吸收，有时会在搭接区产生气孔。使用保护气体的第二个作用是保护聚焦透镜免受金属蒸气污染和液体熔滴的溅射。特別 在高功率激光焊接时，由于其喷出物变得非常有力，此时保护透镜则更为必要。保护气体的第三个作用是对驱散高功率激光焊接产生的等离子屏蔽很有效。金属蒸气吸
8、 收激光束电离成等离子云，金属蒸气周用的保护气体也会因受热而电离。如果等离子体存在 过多，激光束在某种程度上被等离子体消耗。等离子体作为第二种能量存在于工作表而，使 得熔深变浅、焊接熔池表面变宽。通过增加电子与离子和中性原子三体碰撞来增加电子的复 合速率，以降低等离子体中的电子密度。中性原子越轻，碰撞频率越高，复合速率越髙；另 一方而，只有电藹能高的保护气体，才不致因气体本身的电离而增加电子密度。表 常用气体和金属的原子（分子）量和电离能材料 铁氮氮氮铝镁原子(分子)量电离能（eV）24.4615. 6814.55. 967.617. 83从表可知，等藹子体云尺寸与采用的
9、保护气体不同而变化，氨气最小，氮气次之, 使用氮气时最大。等离子体尺寸越大，熔深则越浅。造成这种差别的原因首先由于气体分子 的电离程度不同，另外也由于保护气体不同密度引起金属蒸气扩散差别。氨气电离最小，密度最小，它能很快地驱除从金属熔池产生的上升的金属蒸气。所以用 氨作保护气体，可最大程度地抑制等离子体，从而增加熔深，提髙焊接速度：由于质轻而能 逸岀，不易造成气孔。当然，从我们实际焊接的效果看，用氮气保护的效果还不错。等离子云对熔深的影响在低焊接速度区最为明显。当焊接速度提高时，它的影响就会减 弱。保护气体是通过喷嘴口以一圧的压力射岀到达工件表而的，喷嘴的流体力学形状和出口的 直径大小十分重要
10、。它必须以足够大以驱使喷出的保护气体覆盖焊接表而，但为了有效保护 透镜，阻止金属蒸气污染或金属飞溅损伤透镜，喷口大小也要加以限制。流量也要加以控制， 否则保护气的层流变成紊流，大气卷入熔池，最终形成气孔。为了提高保护效果，还可用附加的侧向吹气的方式，即通过一较小直径的喷管将保护气 体以一左的角度直接射入深熔焊接的小孔。保护气体不仅抑制了工件表而的等禽子体云，而 且对孔内的等离子体及小孔的形成施加影响，熔深进一步增大，获得深宽比较为理想的焊缝。 但是，此种方法要求精确控制气流量大小、方向，否则容易产生紊流而破坏熔池，导致焊接 过程难以稳定。6)透镜焦距。焊接时通常采用聚焦方式会聚激光，一般选用6
11、3254mm(2. 5”、10”)焦距 的透镜。聚焦光斑大小与焦距成正比，焦距越短，光斑越小。但焦距长短也影响焦深，即焦 深随着焦距同步增加，所以短焦距可提髙功率密度，但因焦深小，必须精确保持透镜与工件 的间距，且熔深也不大。由于受焊接过程中产生的飞溅物和激光模式的影响，实际焊接使用 的最短焦深多为焦距126mm(5”)。当接缝较大或需要通过加大光斑尺寸来增加焊缝时，可 选择251皿(10”)焦距的透镜，在此情况下，为了达到深熔小孔效应，需要更高的激光输岀 功率(功率密度)。当激光功率超过2kW时，特别是对于10.6um的C02激光束，由于采用特殊光学材料构 成光学系统，为了避免聚焦透镜遭光学
12、破坏的危险，经常选用反射聚焦方法，一般采用抛光 铜镜作反射镜。由于能有效冷却，它常被推荐用于高功率激光束聚焦。7) 焦点位置。焊接时，为了保持足够功率密度，焦点位宜至关重要。焦点与工件表面相对 位置的变化直接影响焊缝宽度与深度。图2-6表示焦点位置对1018钢熔深及缝宽的影 响。在大多数激光焊接应用场合，通常将焦点的位置设宜在工件表而之下大约所需熔深的 1/4 处。8) 激光束位置。对不同的材料进行激光焊接时，激光朿位置控制着焊缝的最终质量，特别 是对接接头的情况比搭接结头的情况对此更为敏感。例如，当淬火钢齿轮焊接到低碳钢鼓轮, 正确控制激光朿位置将有利于产生主要有低碳组分组成的焊缝，这种焊缝
13、具有较好的抗裂 性。有些应用场合，被焊接工件的几何形状需要激光束偏转一个角度，当光束轴线与接头平 而间偏转角度在100度以内时，工件对激光能量的吸收不会受到影响。9) 焊接起始、终止点的激光功率渐升、渐降控制-激光深熔焊接时，不管焊缝深浅，小孔 现象始终存在。当焊接过程终止、关闭功率开关时，焊缝尾端将出现凹坑。另外，当激光焊 层覆盖原先焊缝时，会岀现对激光束过度吸收，导致焊件过热或产生气孔。为了防I匕上述现象发生，可对功率起止点编制程序，使功率起始和终I匕时间变成可调，即起 始功率用电子学方法在一个短时间内从零升至设垃功率值，并调节焊接时间，最后在焊接终 止时使功率由设置功率逐渐降至零值。1.
14、激光深熔焊特征及优、缺点(-)激光深熔焊的特征1) 高的深宽比。因为熔融金属用着圆柱形髙温蒸气腔体形成并延伸向工件，焊缝就变 成深而窄。2) 最小热输入。因为小孔内的温度非常髙，熔化过程发生得极快，输入工件热量很低, 热变形和热影响区很小。3) 高致密性。因为充满髙温蒸气的小孔有利于焊接熔池搅拌和气体逸岀，导致生成无 气孔的熔透焊缝。焊后高的冷却速度又易使焊缝组织细微化。4) 强固焊缝。因为炽热热源和对非金属组分的充分吸收，降低杂质含虽、改变夹杂尺 寸和英在熔池中的分布。焊接过程无需电极或填充焊丝，熔化区受污染少，使得焊缝强度、 韧性至少相当于甚至超过母体金属5) 精确控制。因为聚
15、焦光点很小，焊缝可以髙精确左位。激光输出无惯性”，可在 高速下急停和重新起始，用数控光束移动技术则可焊接复杂工件。6) 非接触大气焊接过程。因为能量来自光子朿，与工件无物理接触，所以没有外力施 加工件。另外，磁和空气对激光都无影响。(二) 激光深熔焊的优点1) 由于聚焦激光比常规方法具有高得多的功率密度，导致焊接速度快，受热影响区和 变形都很小，还可以焊接钛等难焊的材料。2) 因为光束容易传输和控制，又不需要经常更换焊枪、喷嘴，又没有电子束焊接所需 的抽真空，显著减少停机辅助时间，所以有荷系数和生产效率都高。3) 由于纯化作用和髙的冷却速度，焊缝强度、韧性和综合性能高。4) 由于平均
