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          影響激光焊接加工質量的因素

          激光焊接加工可以采用連續或脈沖激光束加以實現,激光焊接加工的原理可分為熱傳導型焊接和激光深熔焊接。功率密度小于104~105 W/cm2為熱傳導焊,此時熔深淺、焊接速度慢;功率密度大于105~107 W/cm2時,金屬表面受熱作用下凹成“孔穴”,形成深熔焊,具有焊接速度快、深寬比大的特點。

          影響激光焊接加工質量的因素

          其中熱傳導型激光焊接加工原理為:激光輻射加熱待加工表面,表面熱量通過熱傳導向內部擴散,通過控制激光脈沖的寬度、能量、峰功率和重復頻率等激光參數,使工件熔化,形成特定的熔池。 

          用于齒輪焊接和冶金薄板焊接用的激光焊接加工機主要涉及激光深熔焊接。下面重點介紹激光深熔焊接的原理。 

          激光焊接加工一般采用連續激光光束完成材料的連接,其冶金物理過程與電子束焊接極為相似,即能量轉換機制是通過“小孔”(Key-hole)結構來完成的。在足夠高的功率密度激光照射下,材料產生蒸發并形成小孔。這個充滿蒸氣的小孔猶如一個黑體,幾乎吸收全部的入射光束能量,孔腔內平衡溫度達2500 0C左右,熱量從這個高溫孔腔外壁傳遞出來,使包圍著這個孔腔四周的金屬熔化。小孔內充滿在光束照射下壁體材料連續蒸發產生的高溫蒸汽,小孔四壁包圍著熔融金屬,液態金屬四周包圍著固體材料(而在大多數常規焊接過程和激光傳導焊接中,能量首先沉積于工件表面,然后靠傳遞輸送到內部)??妆谕庖后w流動和壁層表面張力與孔腔內連續產生的蒸汽壓力相持并保持著動態平衡。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,小孔始終處于流動的穩定狀態。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后留下的空隙并隨之冷凝,焊縫于是形成。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鐘數米。

          激光焊接加工中存在一個激光能量密度閾值,低于此值,熔深很淺,一旦達到或超過此值,熔深會大幅度提高。只有當工件上的激光功率密度超過閾值(與材料有關),等離子體才會產生,這標志著穩定深熔焊的進行。如果激光功率低于此閾值,工件僅發生表面熔化,也即焊接以穩定熱傳導型進行。而當激光功率密度處于小孔形成的臨界條件附近時,深熔焊和傳導焊交替進行,成為不穩定焊接過程,導致熔深波動很大。激光深熔焊時,激光功率同時控制熔透深度和焊接速度。焊接的熔深直接與光束功率密度有關,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。 

          材料對激光的吸收取決于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個方面:首先是材料的電阻系數,經過對材料拋光表面的吸收率測量發現,材料吸收率與電阻系數的平方根成正比,而電阻系數又隨溫度而變化;其次,材料的表面狀態(或者光潔度)對光束吸收率有較重要影響,從而對焊接效果產生明顯作用。 

          CO2激光器的輸出波長通常為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。采用表面涂層或表面生成氧化膜的方法,提高材料對光束的吸收很有效。 

          焊接速度對熔深影響較大,提高速度會使熔深變淺,但速度過低又會導致材料過度熔化、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合適的焊接速度范圍,并在其中相應速度值時可獲得最大熔深。圖10-2給出了1018鋼焊接速度與熔深的關系。

          激光焊接加工過程常使用惰性氣體來保護熔池,當某些材料焊接可不計較表面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面。這是激光焊接加工時使用最有效的保護氣體,但價格比較貴。 

          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,也損害焊接速度與熔深。使用氬氣保護的焊件表面要比使用氦氣保護時來得光滑。 

          氮氣作為保護氣體最便宜,但對某些類型不銹鋼焊接時并不適用,主要是由于冶金學方面問題,如吸收,有時會在搭接區產生氣孔。

          使用保護氣體的第二個作用是保護聚焦透鏡免受金屬蒸氣污染和液體熔滴的濺射。特別在高功率激光焊接加工時,由于其噴出物變得非常有力,此時保護透鏡則更為必要。

          保護氣體的第三個作用是對驅散高功率激光焊接加工產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云,金屬蒸氣周圍的保護氣體也會因受熱而電離。如果等離子體存在過多,激光束在某種程度上被等離子體消耗。等離子體作為第二種能量存在于工作表面,使得熔深變淺、焊接熔池表面變寬。通過增加電子與離子和中性原子三體碰撞來增加電子的復合速率,以降低等離子體中的電子密度。中性原子越輕,碰撞頻率越高,復合速率越高;另一方面,只有電離能高的保護氣體,才不致因氣體本身的電離而增加電子密度。 


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