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激光焊接(2)
双击自动滚屏 发布者:chianweld 发布时间:2/27/2007 阅读:15804

 

       

 

 

(二)

 

 

4.3  典型的激光加工设备

4.3.1  激光器

选择激光器主要考虑的因素如下:

① 较高的额定输出功率;

② 宽阔的功率调节范围;

③ 功率渐升、渐降(衰减)功能,以保证焊缝起始和结束处的质量;

④ 激光横模(TEM),横模直接影响聚焦光斑直径和功率密度,基模焦点处的功率密度要比多模光束高两个数量级。对于厚件的焊接,通常选用5kW以上的多模激光器。

4.3.2  导光的聚焦系统

聚焦是激光加工中最常见的一种光学处理,聚焦系统可能只有一个镜片,也可能是由多个镜片组成。如图9所示几种聚焦系统。

1)抛物镜聚焦系统

抛物镜聚焦系统如图9(a)所示,它仅含有一块抛物聚焦反射镜。聚焦反射镜的抛物面一般用金刚石车床加工,其轮廓精度优于0.4μm,对CO2激光的反射率可以达到99%;抛物镜聚焦效果较好,经常用于大功率激光焊接。

2)平面镜-透镜聚焦系统

平面镜-透镜聚焦系统如图9(b)所示,激光经过一块平面反射镜折射后由透镜聚焦,其聚焦效果优于抛物镜聚焦,是高精密度激光焊接的常用光路。

3)球面反射镜聚焦系统

球面反射镜聚焦系统有三种主要形式。图9(c)表示一种同轴式球面反射镜聚焦系统,它由环形平面镜和球面反射镜组成,通常用于环形光斑的聚焦。其工作原理是,由激光器射出的环形激光经环形平面镜45°反射达到球面镜,由球面镜聚焦的光束经环形平面镜的中心孔到达工作,实现加工。图9(d)和图9(e)表示的是两种离轴式球面反射镜聚焦系统,前者的反射镜是平面镜;后者的反射镜是柱面镜。它们的共同特点是其反射镜的光轴和球面聚焦镜光轴之间有一夹角,小的夹角有利于获得好的聚焦效果,一般限制夹角在7°之内。该聚焦系统适合于焊接环形焊缝。

4.3.3  光束光纤传输系统

光纤在通信领域的应用早已经众所周知,但用它传输激光的历史却不是很长。目前可以用光纤来传输的工业加工用激光波长是10.6μm。采用光纤传输激光有以下一些好处。

① 导光系统柔性大,容易与机器人配合,也容易把激光轮流传输到多个加工工作站。

② 可以在远离激光器的地方设置工作站;引到远处的激光仍可以保持较好的功率密度;导光系统的结构简单,不用水冷却。

③ 光束功率密度的均匀性可以得到改善。

光纤的导光光路如图10所示。

可见,几块透镜与光纤配合使用,其中一块安装在激光入口处,而另两块设置在光纤输出端(激光头)。前者的任务是把激光聚焦在光纤的端面上,聚光光斑直径应小于或等于光纤直径,以获得高传输效率;后者的作用是把输出的光束聚焦到焊件上,焊件的光斑直径大致与光纤直径相同。

4.3.4  加工机

加工机承载被加工材料,提供相对激光束的运动。加工机的运动一般是多维的,由数控系统来进行控制。激光束与工件的相对运动,也可以通过加工头的运动来实现。用于焊接或切割金属板材的成套激光加工设备对加工机的稳定性和运动精度有较高的要求,轨迹误差一般应控制在0.050.1mm;光斑相对工件表面的位置误差,对于焊接一般应小于0.2mm;对于切割一般应小于0.1mm。加工机有专用型和通用型。加工机的运动有二维、三维和五维等,先进的加工机已经达到六轴联动。

加工头是激光外光路系统(导光系统)的末端,可以通过它调整焦距、工作距离,以便获得各种光斑尺寸。高级加工头配有随动系统,能随工件表面形状的变化自动调整位置。激光加工设备一般配备工件装卡以及上下料装置。

加工机的光束与工件的相对运动形式主要有以下两种。

① 激光束不动,工件运动  对大重量的工件,其运动惯性大,不宜采用这种运动方式。

② 激光束运动,工件固定不动  光束的运动是通过反射镜、透射镜或聚焦镜等光学部件的运动来实现的。该运动方式适合于较重工件的加工。

功能良好的加工机运动维数一般在五维以上,可以加工复杂零件。

5  激光焊接工艺

5.1  脉冲激光焊工艺参数

脉冲激光焊时,脉冲能量决定了加热能量大小,它主要影响金属的熔化量;脉冲宽度决定焊接时的加热时间,它影响熔深及热影响区大小。脉冲能力一定时,对于不同的材料,各存在一个最佳脉冲宽度,此时焊接熔深最大。同时焊接所采用的接头形式也影响焊接的效果。

在功率密度较小时,焊接以传热焊的方式进行,焊点的直径和熔深由热传导所决定,当激光斑点的功率密度达到一定值(106W/cm2)后,焊接过程中将产生小孔效应,形成深宽比大于1的深熔焊点。但功率密度过大后,金属蒸发剧烈,导致汽化金属过多,在焊点中形成一个不能被液态金属填满的小孔,不能形成牢固的焊点。

① 选择适合焊接的激光模式。激光模式是指输出的激光束断面上能量分布情况,模数越低,能量分布越集中,越适合焊接。TEMoo称为基模,能量最集中,是激光点焊最常用的模式。

② 脉冲激光点焊用于薄膜板的连续密封焊缝时,焊接速度为:

                            υ=dƒ(1-к)                                               10

式中    υ──焊接速度,cm/s

         d──焊点直径,cm

         ƒ──脉冲频率,点次/s

к──为重叠系数,取值范围0.30.9,板厚增加,к值增大。

③ 细丝与膜片焊接时,若丝过细,可以将细丝被焊端预先熔化,结成直径为细丝直径23倍的球,这样可以增加接触面,增加强度和可靠性,也为焊接操作提供了便利条件。

④ 为保证激光精密微型焊接质量,除首先必须选用恰当的激光脉冲能量(几焦耳到十几焦耳)和宽度(3ms左右)外,还应注意:把反射率低、传热好、厚度小的金属件放在上面;焊前可以先在丝或膜端熔结成球状,以增大接触面和便于对准;薄箔可用连续点焊增加缝宽。

5.2  连续激光焊工艺参数

由于不同的金属室温时的反射率及熔点、热导率等性能差异,连续焊所需最小功率密度差异很大。各种金属连续激光焊所需功率的差异,主要是吸收率不同造成的。连续激光焊主要采用CO2激光器。焊缝成形主要由激光功率和焊速确定。

在激光焊时,用得最多的是对接接头,为了获得良好的焊缝,焊前必须将焊件装配良好。对接时,如果接头错边太大,会使入射激光在板角处反射,焊接过程不稳定。薄板焊时,间隙太大,焊后焊缝表面成形不饱满,严重时形成穿孔。搭接时板间间隙过大,则易造成上下板间熔合不良。焊接时焊件应夹紧,防止焊接变形。激光深熔焊可以进行全位置焊,在起焊和收尾的渐变过渡,可通过调节激光功率的递增和衰减过程以及改变焊接速度来实现,在焊接环缝时可实现首尾平滑过渡。利用内反射来增强激光吸收的焊缝常常能提高焊接过程的效率和熔深。对搭接、对接、端接、角接等多可采用连续激光焊。

在一定激光功率下,提高焊接速度,热输入下降,焊接熔深减小。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,反而使熔宽增大。激光深熔焊时,维持小孔存在的主要动力是金属蒸气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,焊接过程蜕变为传热性焊接,因而熔深不会再加大。

随着金属汽化的增加,小孔区温度上升,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是地,激光焊熔深有一个最大值。

5.2.1  热传导激光焊工艺参数的选择

1)脉冲能量E

脉冲能量E主要影响金属的熔化量,当能量增大时,焊点的熔深和直径增加。图11分别表示了当脉冲宽度和光斑直径均保持不变时,焊点熔深h和直径d随能量大小变化的关系。该实验采用钕玻璃激光器,脉冲宽度4ms。光斑直径0.5mm,材质分别为CuNiMo。由于光脉冲能量分布的不均匀性,最大熔深总是出现在光束的中心部位,而焊点直径也总是小于光斑直径。

2)脉冲宽度T

脉冲宽度T主要影响熔深,当脉冲能量E一定时,调节脉冲宽度T可以获得一个最大的熔深,此时的脉冲宽度为最佳脉冲宽度。当脉冲能量E1.5J时,不同材料的最佳脉冲宽度如图12所示,铜为(15)×10-4s、铝为(0.52)×10-3s、钨为(16)×10-4s

脉冲宽度影响熔深的同时也影响接头强度。图13表示了接头强度与脉冲宽度的关系。当脉冲宽度增加时,脉冲能量增加,在一定的范围内,焊点熔深和直径也增加,因而接头强度随之也增加。然而当脉冲宽度超过一定的值以后,一方面热传导所造成的热耗增加;另一方面,强烈的蒸发最终导致了焊点截面积减小,接头强度下降。脉冲宽度增加引起的热传导损耗的变大还造成了曲线的右移。大量研究和实验表明,脉冲激光焊接的脉宽下限不能低于1ms,其上限不能高于10ms

 

3)脉冲形式

由于材料的反射率随工件表面温度的变化而变化,所以,脉冲形状对材料的反射率有间接影响。图14中的曲线1和曲线2表示了在一个激光脉冲作用期间铜和钢相对反射率的变化。

由图14可以知道,激光开始作用时,由于材料表面为室温,反射率很高;随着温度升高,反射率迅速下降(对应图中的ab段);当材料处于熔化状态时,反射率基本稳定在某一值;当温度达到沸点时,反射率又一次急剧下降。

对于多数金属来讲,在激光脉冲作用的开始时刻,反射率都较高,因而可以采用带前置尖峰的光脉冲,见图15。前置尖峰有利于对工件的迅速加热,可以改善材料的吸收性能,提高能量的利用率,尖峰过后平缓的主脉冲可以避免材料的强烈蒸发,这种形式的脉冲主要适用于低重复频率焊接。而对高重复频率的焊缝来讲,由于焊缝是由重叠的焊点组成,光脉冲照射处的温度高,因而,宜采用如图16所示的光强基本不变的平定波。而对于某些易产生热裂纹和冷裂纹的材料,则可以采用如图17所示的三阶段激光脉冲,从而使工件经历预热熔化保温的变化过程,最终可以得到满意的焊接接头。

 

 

4)功率密度

在脉冲激光焊接中,要尽量避免焊点金属的蒸发与烧穿,因而合理地控制输入到焊点的功率密度是十分重要的。

激光斑点上的功率密度P(Power Density)由下式决定。

                                                                                                  

                                         4E

                                    P───                                             11

                                       πd2tp

                                                                                                 

式中    P──激光斑点上的功率密度,W/cm2

        E──激光能量,J

        d──光斑直径,cm

       tp──脉冲宽度,s

为获得足够强度的焊点,对不同类型不同厚度的材料,应有一个合理的功率密度P。功率密度P太小焊点强度降低,甚至形不成焊点;功率密度P增大超过105W/cm2时,则金属汽化过多,形成小孔,同样不能形成稳定牢固的焊点。为了得到合理的功率密度,激光输出能量E和脉冲宽度tp应适应配合。不同厚度的镍、铜点焊时所需要的Etp关系如图18所示。材料厚度一定时,所需Etp成直线变化关系。这说明一定厚度,所需功率密度是一个定值,厚度增加所需功率密度增加。

焊接过程金属的蒸发还与材料的性质有关,即与材料的蒸气压力有关,蒸气压高的金属易蒸发。另外,熔点与沸点相差大的金属,焊接过程易控制。大金属金属达到沸点的功率密度范围约在105106W/cm2以上。对功率密度的调节可以通过改变脉冲能量、光斑直径、脉冲宽度以及激光模式等实现。

5)离焦量

一定的离焦量可以使光斑能量的分布相对均匀,同时也可以获得合适的功率密度。尽管正负离焦量相等时,相应平面上的功率密度相等,然而,两种情况下所得到的焊点形状却不相同。负离焦时,小孔内的功率密度比工件表面的高,蒸发更加强烈。因此,要增大熔深时,可以采用负离焦;而焊接薄材料时,则宜采用正离焦。

5.2.2  激光深熔焊工艺参数的选择

1)入射光功率的影响

它主要影响熔深,当光斑直径保持不变时,熔深随入射光束功率的增加而变大。在其他条件相同时,高功率激光焊接获得的熔深大,见图19所示。在维持小孔效应的最低临界焊速下,可得到最大熔深。这个最大熔深是激光功率的函数,还受到光束质量、聚焦光路、焦斑直径、保护气体等一系列因素的影响。

NdYAG激光的连续缝焊,影响熔深和焊缝形状的还有激光脉冲能量、脉冲宽度和频率。用1kWNdYAG激光对铝合金的对接缝焊,得出的焊缝形状、焊接速度和脉冲能量关系如图20所示。图中深宽比大的焊缝形状对应着较理想的工艺参数。用2.5kWCO2激光和3kWNd:YAG激光对车用镀锌钢板(厚度11.5mm)的拼焊,得出的最大激光焊接速度与激光功率关系如图21。由试验可以知道,高的激光功率允许以较大的速度进行焊接。还可以看出,在同等激光功率的情况下,Nd:YAG激光所允许的最大焊接速度较CO2激光高,这是材料表面对Nd:YAG激光的吸收率较CO2激光大的缘故。

 

2)吸收率

吸收率决定了工件对激光束能量的利用率。研究表明,金属对红外光的吸收率ρA与它的电阻率ρr之间的关系为:

电阻率又与温度有关,所以,金属的吸收率又与温度密切相关。理论计

算表明,材料Ti-6Al-4V300℃时的吸收率为15%,而304型不锈钢、FeZn即使在熔融状态,其吸收率也低于15%,这说明反射所造成的能量损失是很大的。

尽管大多数金属在室温时对10.6μm波长光束的反射率一般都超过90%,然而,一旦熔化、汽化、形成小孔以后,对光束的吸收率将急剧增加,图22表示了金属材料吸收率随表面温度和功率密度的变化。

由图22可以知道,达到沸点时的吸收率已经超过90%,不同金属达到其沸点所需要的功率密度也不同,钨为108W/cm2,铝为107W/cm2,碳钢和不锈钢则在106W/cm2以上。对材料表面进行涂层或生成氧化膜,可以有效的提高对光束的吸收率。图23表示在不同的表面处理条件下,熔透功率与焊接速度的关系。可以看出,材料表面经处理后对光束的吸收率有不同程度的提高。

3)焊接速度

激光焊接时,可以用线能量来描述焊件接受激光辐射能量的情况。线能量的定义为:单位长度焊缝接受的激光能量。焊接速度大时,焊缝的线能量小,熔深下降;反之,可以获得较大的熔深。激光焊接时,要根据材料的热物理性质、接头形式和零件厚度等条件选择焊接速度,应能使材料吸收到足够的激光能量,实现充分的熔化,获得理想的熔深。

焊接速度主要影响焊缝熔深和熔宽。深熔焊接时,熔深几乎与焊接速度成反比,图24为采用10kW功率时,304型不锈钢熔深随焊接速度的变化曲线。图25是采用10kW功率时,1Cr18Ni9Ti不锈钢熔深随焊接速度的变化曲线。

 

在一定的激光功率下,熔深减小。因而适当降低焊接速度可加大熔深。

4)离焦量

离焦量即工件表面与焦点的距离。若焦点落在工件外部,称正离焦量;若焦点落在工件内部,称负离焦量。为了使用方便,离焦量±△F用与焦距F的相对值△F/F来表示,它不仅影响工件表面光斑直径的大小,而且影响光束的入射方向,因而对焊缝形状、熔深和横截面积有较大影响。图26是采用功率为5kW、焊接速度为16mm/s、对板厚为6mm310型不锈钢进行实验所得到的结果。当焦点位于工件较深部位时,形成V形焊缝;当焦点在工件以上较高距离(正离焦量大)时,形成“钉头”状焊缝,且熔深减小;而当焦点位于工件表面以下1mm左右时,焊缝截面两侧接近平行。实际应用时,焦点位于工件表面下12mm的范围较为适宜。

27为采用1000W激光、焊接速度为50cm/min、焦距为50100mm、对304型不锈钢进行实验所得出的离焦量对熔深、熔宽和截面积影响的关系曲线。图中,ƒ为焦距,△ƒ为离焦量。由图可以知道,熔深随离焦量有一跳跃性变化,在|△ƒ|很大的地方,熔深很小,未形成小孔这时属于热传导焊接;当|F|减小到某一值后,熔深发生跳跃性增加,这标志着小孔效应开始产生,因此形成了小孔焊。

5)保护气体成分和流量

激光深熔焊接时,保护气体的作用有两个:

① 保护被焊部位免受氧化,防止焊缝处产生气孔;

② 抑制等离子云的负面效应。

单独具有作用①的气体比较多,但同时也能满足作用②的气体却不易选择。激光对熔池的持续辐射,将在熔池上部形成等离子云,等离子云覆盖在焊缝上,大量吸收激光能量,对激光有散射作用,使得焊缝熔深减小,出现“图钉”形焊缝,并破坏焊接过程的稳定性,如不予以限制,会影响熔深并降低焊缝强度。在激光焊接过程中保护气体对焊缝的吹射,不但能防止焊缝的氧化和生产气孔,而且还能把等离子体云吹散,增加熔池对激光能量的吸收。保护气电离势低,形成的等离子云多,焊缝熔深减小严重;保护气体电离势高形成的等离子云少,焊缝熔深减小较少。所以选择的保护气体应该有较大的电离能,并防止保护气体本射发生电离,产生电离子体。常用的保护气体有氩气、氦气和氮气。

5.3  激光焊接工艺参数的选择

由于激光焊接是光与物质的相互作用,为了保证焊接质量,就必须根据材料对光吸收、反射以及材料的热物理性能等选择合适的工艺参数。

脉冲激光焊接工艺的选择:脉冲激光焊接类似点焊,每个脉冲在金属上形成一个焊点,它主要用于微型、精密和一些微电子组件的焊接。脉冲激光焊的主要工艺参数包括脉冲能量、脉冲宽度(脉宽)、脉冲形状、功率密度以及离焦量或焦点位置等。

焦点位置对激光加工质量有很大的影响,与焦点位置紧密相关的是焦深,焦深是描述聚焦束斑特性的一个参数,定义为焦点光斑直径d增加5%是在焦距方向上相应的变化范围,如图28所示中Z即为焦深。

焦深与聚焦光斑直径的关系为:

                                 

                                     0.65dƒ

                                  Z=─────                                               12

                                          D       

                                                                                                    

式中    ƒ──焦距;

        d──聚焦光斑直径;

        D──入射激光束直径。

在光斑直径d变化5%的范围内亦即在焦深范围内,功率密度减小不超过9.3%,从式(12)可以看出,焦深随焦距的变小而变小,亦随入射激光束直径的增加而减小,焦深是影响激光加工与零件定位要求的主要因素之一,焦深减小时,将使焊接质量对焊缝位置的变化更加敏感。

6  激光焊接的影响因素及其焊接中常出现的问题

6.1  影响激光焊接的因素

影响激光焊接质量的因素很多,主要有:光束质量参数、母材性能、焊机参数、工件参数及保护气体种类及流量等。

1990年,Siegman为描述激光光束质量,在理论上给出了较为完整的M2因子概念。M2因子(衍射极限倍数因子)或其倒数K因子(光速传输因子)称为通常情况下评价激光光束质量的一种最重要的参数。在激光光束质量参数中,有一光束能量密度分布和光束发散角两参数最为重要,激光光束质量对于激光加工质量有极其重要的影响。

工业应用中激光束模式一般用TEM表示,而TEM00(基模)最为理想,好的激光模式才能保证好的激光加工质量。就激光焊接而言,由于激光束与材料的相互作用不仅限于表面,而且还在一定深度内进行。因此激光焊接时,在要求激光束聚焦光斑小的同时还要求有一定的聚焦深度,即在一定的聚焦深度范围内光斑的大小变化足够小。适用于激光焊接的光束模式从理论上讲应该是基模,以此获得最为集中的能量密度。但是,激光深熔焊接不同于激光切割,光斑直径越小,焊缝堆中难度越大。因此应该在焊接试验的基础上,综合选择合理的光束模式,通常情况下采用低阶模甚至基模状态的激光束,否则难以满足焊接质量的要求。激光焊接时光束模式对焊接质量的影响见表4

由表4可以看出,在相同的激光功率密度和焊接速度下,不同激光束模式下焊接熔深明显不同,TEM10模式下的焊缝具有最好的质量和深宽比。此外,它对熔宽也有影响,模式越低,熔宽越小。

4  激光束模式对激光焊接质量的影响

激光束模式

功率密度/W·cm-2

焊接速度/m·min-1

焊接熔深/mm

TEM00

TEM10

TEMoo+ TEM10

TEM20

TEM10+ TEM20

2×106

2×106

2×106

2×106

2×106

2

2

2

2

2

3.0

1.8

1.6

1.1

1.0

    1)激光输出方式

     激光焊接时,根据激光器的输出方式可分为脉冲激光焊接和连续激光焊接。脉冲式激光焊接类似点焊,每个脉冲在金属上形成一个焊点,它主要用于微焊、精密焊和一些微电子元件的焊接。有关资料指出:使用厚度为45mm的马氏体时效钢板,其正面和背面均以He气保护,用CO2激光进行连续焊和脉冲(频率为800Hz),激光功率和焊接速度相差较大,具体见表5

5  脉冲焊接和连续焊接时激光功率和焊接速度

焊接方法

平均功率/kW

焊接速度/m·min-1

焊接方法

平均功率/kW

焊接速度/m·min-1

脉冲焊接

0.50

0.60

0.65

10

13.5

15

连续焊接

3.5

4.0

4.2

66

132

216

脉冲焊接的焊缝与连续焊接的焊缝相比,前者的熔深大,其深宽比约为后者的3倍;热影响区和碳化物都小;枝晶组织几乎没有增长;前者的接头弯曲大致与母材一样,而后者的弯曲随焊接速度的提高而降低,这说明脉冲焊接接头的性能良好。但是,前者的根部往往出现咬边,焊后需要打磨或在焊接时采用临时垫板。

2)入射光束功率

激光焊接熔深与激光输出功率密度直接有关,并且是入射光束功率和光斑直径的函数。一般来说,对一定的光斑直径,熔深随光束功率提高而增加,两者几乎成线性关系。如图29所示。

对特定厚度材料进行激光焊接,相应有一个必须达到的最小阈值功率。

3)光束质量

评价激光束的光束质量通常用模式或发散角表示。光束质量对激光熔焊过程及质量有很大的影响。一般要求采用基模或低阶模的激光束,否则难以满足焊接质量的要求。光束模式对焊接熔深的影响发中表6所示。由表可看出,在相同功率密度和焊速条件下,模式不同,焊接熔深不同。

6  光束质量对焊接深度的影响

   

功率密度/W·cm-2

焊接速度/m·min-1

熔深/mm

TEM0c

TEM1c

TEM2c

2×106

2×106

2×106

2

2

2

3.0

1.8

1.1

4)光斑直径

光斑直径是激光焊接最主要工艺参数之一。在入射功率一定的情况下,它的尺寸决定了功率的大小,直接影响熔深和熔宽。激光束焦点上的衍射极限光斑尺寸,可以根据光的衍射理论来计算,即:

                                                                                                 

                                          λƒ

                                db2.44×──(2M+11/2                                     13

                                           D 

                                                                                               

式中    db──光斑直径;

λ──光束波长;

ƒ ──透镜焦距;

D ──入射激光束直径;

M ──振荡模数。

对具有一定波长的λ来说,ƒ/D比值和M值越小,光斑直径也越小。

5)离焦量

离焦量是指待加工零件表面距光束焦点的距离。在实际应用中,以光束焦点恰好在工件表面时为零。当光束焦点超过零件表面时称为负焦量;当光束焦点未到零件表面时称为正焦量。

离焦量不仅影响工件表面光斑直径的大小,而且影响光束入射方向、焊接模式等,因而对焊接形状、熔深和横断面积有较大影响。

6)焊接速度

焊接速度会影响焊缝熔宽和熔深,对深熔焊时,熔深几乎与焊接速度成反比。根据试验发现,当材料一定、功率一定,为保证焊接质量,存在一个所允许的最大和最小焊接速度(即焊接速度范围)。焊接速度范围随板厚的增加而减小,在此范围以外,不能进行深熔焊。过高的焊接速度会导致焊不透,而过低的焊接速度则会使材料过渡熔化、烧伤和焊穿。所以确定焊速的上限是为了防止金属未熔透和自淬速度过快以至于不能流动和融合,否则熔化金属会趋向于沿着被焊工件顶端形成焊珠。而焊接速度到下限时,过量的热传导引起焊道向两侧扩展,热影响区扩大;吸收过多的热量还会引起材料局部蒸发损失。

7)保护气体

保护气体的作用有两个:一是保护工件的表面免受氧化;二是为了除去在高功率焊接中产生的对激光束有吸收和散射作用的等离子体云。不同的气体成分对焊缝熔深影响也不同。从图30中可看出,He可显著改善激光的穿透能力。这是因为He的电离势高,为25eV,因而不易产生等离子体。而Ar气的电离势低,仅为15eV,在光束作用下易产生等离子体,对激光束的吸收和散射作用强,从而导致熔深变浅。

电离势并不是选择激光深熔焊保护气体的唯一考虑因素,特别是在较高速度焊接时。这是因为具有高电离势的气体原子量小,从而质量小;在高速焊接时,这些轻的气体很难在短时间内把空气从激光-材料作用区排出,而重的气体则可达到此目的。因此,一种较重气体和一种较轻气体合在一起的混合气体将产生最佳的效果。它既保护了焊接区免受空气氧化,又能获得较大熔深。

在焊接过程中吹保护气体,可抑制等离子体,其作用机理如下。

① 通过增加电子、离子和中性原子三体碰撞来增加电子的复合速度,以降低等离子体中的电子密度。中性原子越轻,碰撞速度越高,复合速率越高。另一方面,保护气体本身的电离能应该高,不致因气体本身的电离而增加电子密度。氦气最轻而电离能量最高,因而对着激光作用区吹氦有最好的抑制等离子体效果。

② 利用保护气体流动的能量,将金属蒸气和光致等离子体从激光光路中吹除。

20kW高功率,聚焦光斑直径约1mm,功率密度达2.5×106W/cm2下试验,不加保护气体时,激光基本上被等离子体云阻隔,焊接过程不能正常进行;采用保护气体横吹,较大流量氦气平行于工件表面吹过激光作用区,光致等离子体受到一定程度的限制,得到深而窄的连续均匀焊缝。

6.2  激光焊接中常出现的问题

激光焊接的确有许多传统焊接方法无法与之相媲美的优点,但是这并不是能表明激光焊接就十全十美。在试验中,常常会碰到一些问题,比如:等离子体云的产生、合金元素的择优蒸发和气孔等。

6.2.1  等离子体云

1)等离子体云的危害

激光功率密度较低时,较稀薄的等离子体云聚集于工件表面,工件通过等离子体吸收能量。当材料汽化和形成的等离子体浓度间可形成稳定的平衡状态时,工件表面有一较稳定的等离子体层,它的存在有助于加强工件对激光的吸收,这种现象称之为“增强耦合”。采用CO2激光加工钢材时,与上面所述的情况相应的激光功率密度为I1×106W/cm2,由于增强耦合作用,工件对激光的总吸收率可由10%左右增至30%~50%。

激光功率密度较高时(I1×107W/cm2),等离子体的温度高,电子浓度大,对激光吸收系数大;而且高温等离子体迅速膨胀,逆着激光入射方向传播,其速度可达100m/s数量级,形成所谓的激光维持的吸收波。由于等离子体对激光的吸收系数大,等离子体给工件的传热系数小。当传热系数减小以至降到零时,激光对工件表面的辐射完全被等离子体所截断;工件表面的汽化过程终止,等离子体逐渐减少以致消失。与此同时,逆着激光入射方向传播的等离子体扩散到激光功率密度较低的区域,温度和密度较低,等离子体云变得透明了,激光加热工件表面的过程重新开始。

激光入射孔壁,一部分被熔融金属所吸收;一部分反射。在等离子体中穿行的激光有一部分为等离子体所吸收(假定吸收系数为α),被等离子体吸收了能量的激光通过辐射、对流传入孔壁。如以I0表示激光射入小孔前的光束功率,则经孔壁n次反射后,功率密度将降至:

式中    A──孔壁对激光的吸收率;

χ1,χ2…──相邻两次反射间激光在等离子体中的行程。

对于激光焊接过程,最重要的是激光在小孔底部的剩余功率密度。这个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,与小孔底部的静水压力、表面张力和液体流动阻力相抗衡,维持一定深度的小孔。而剩余功率密度的大小与等离子体是紧密相关的。

除了上述的影响,光致等离子体还改变了辐射照到工件表面的激光能量和扩大了激光能量在工件上的作用区。这是因为高温等离子体区折射率是变化的,激光穿过等离子体时波形发生畸变,工件上的光斑扩大。

2)等离子体的控制

等离子体的控制方法可以归纳为两类。

第一类是从根本上抑制等离子体的形成。由于等离子体的形成是由金属蒸气电离所致,具有时间效应和电子密度效应,采用激光脉冲或激光摆动方法,使等离子体刚产生而来不及长大。采用真空激光焊接降低蒸气密度及电子密度,使等离子体得到抑制。这类方法的缺点是工艺太复杂,缺乏实用性。

第二类方法是气体控制法。这类方法包含多种实现方式:第一种是采用同轴吹气,它对于等离子体浓度不大的场合具有一定的控制作用;第二种方法是采用同轴侧吹,在同轴主吹的同时,外加一层带有一定锥度的同轴喷嘴,目的是将等离子体压缩并向四周吹散,其缺点是不能控制小孔内等离子体;第三种方法是采用单向侧吹辅助气体,其作用是将等离子体压缩并从小孔的后壁吹除,从而可以获得深穿透焊缝;第四种方法是横吹法,气体平行于工件表面吹过激光作用区,光致等离子体受到一定程度的抑制,得到深而窄的连续均匀焊缝;第五种方法是侧吸法,利用抽气机在小孔上方造成一个局部低压,侧吹角度对熔深影响不大,到目前只是在试验条件下获得。

6.2.2  模式不稳定

激光焊接一般可分为热传导型和深熔型焊接,但还有一种新的焊接模式:在稳定工艺条件下出现焊缝熔深剧烈波动的不稳定现象,称为模式不稳定形焊接。经过研究发现,在模式不稳定型焊接过程中,等离子体间断性地产生和熄灭,整个过程是深熔型焊接和热传导型焊接无规则地随机变化,从焊缝成形可以十分清楚地看到这种焊接模式随机变化的特征。处于深焊型焊接模式时,焊缝宽、熔深大;变为热传导型焊接时,焊缝突然变窄、熔深突然变小,如图31所示。

另外,焦点位置、激光功率或焊接速度发生连续变化时也会依次出现稳定传导型焊接、模式不稳定和稳定深熔型焊接三种完全不同的焊接过程。而且模式不稳定焊接过程产生的工艺条件处于稳定传导型焊接和稳定深熔型焊接的工艺条件之间。这种模式存在的过渡区可用等离子体对激光的吸收作用加以解释:金属表面达到汽化的临界功率密度和等离子体产生的临界功率密度很接近,而小孔形成则伴随着等离子体的产生。当激光功率密度处于小孔形成的临界条件附近时,由于等离子体对激光的吸收作用使工件实际获得的激光能量发生波动,其结果必然导致小孔的不断产生和消失,焊缝随之出现剧烈波动。

6.2.3  工件的装配

普通熔焊时使用的大多数焊接接头的几何形状都适合于激光焊接,然而必须提到一点,激光束聚成的束点只有几千分之一英寸,而且装配公差及准直度要求也是这种数量级,具体数值见表7

7  各类接头装配允差t为板厚)

接头形式

允许最大间隙

允许最大高低差

接头形式

允许最大间隙

允许最大高低差

对接

传统的角接

修改的角接

0.1t

0.25t

0.1t

0.25t

0.25t

T形接头

搭接

卷边接头

0.25t

0.25t

0.1t

0.25t

其中,对焊接头对横向准直度也有一定的要求,要求保持在1/2聚焦光斑直径范围内。这些要求增加了焊接难度,影响生产率。对于一些难以加工的材料(如Al),就更加限制了激光焊接的推广,虽然,显著出现了填丝焊,但还未完全解决问题,甚至一些关键技术,因此,一般不采用填充焊丝工艺。

6.2.4  表面成形

在实际应用中,激光深熔型焊接焊缝表面往往会形成一定高度的突起(或一定深度的塌陷)。但在某些特定的应用环境下,对焊后表面要求相当高,不允许有肉眼可见的不平。因此,研究激光焊焊缝表面形状的影响因素,即表面突起的成因及相应的消除办法就极有必要。

目前,激光深熔焊焊缝表面形状,一般研究认为是由于熔池中表面张力分布、熔池内部压强与大气压之差共同决定的。焊缝表面形状满足下面的关系式:

                              у▽2ε=-δp

式中    у──表面张力系数;

ε──熔池表面各点的竖直位移;

δp──液体压强与外界压强差。

工件变形对焊缝表面成形具有不容忽视的影响,当激光刚照射在一块各向同性平面板材的表面时,工件上表面激光作用区域温度急剧升高,照射区域内材料因受热膨胀而受到周围冷基体的障碍,从而在该区域内形成压应力,并导致板材发生轻微的向下翘曲;当激光继续作用时,工作上表面温度继续升高,压应力增大,与此同时,材料的屈服极限随温度的升高而下降,到一定阶段,材料屈服极限小于其周围的压应力数值,这部分材料发生屈服变形,并形成堆积;在激光持续作用下,照射区域内的部分材料开始熔化,形成熔池,其屈服强度将为零,在周围介质的挤压下,熔池液面升高并在表面张力作用下形成曲面。同时,照射区域内的压应力得到部分释放,板材的翘曲程度减小;当激光停止作用后,熔池内的液体在其上方气体及其周围介质的冷却作用下迅速降温凝固,凝固后的表面保持了凝固前的液面形状,从而形成了焊缝表面的“突起”。随后周围材料的温度也随之下降,由于焊缝及其附近区域发生永久性变形,工件表面焊缝附近各点已不能完全恢复其在激光作用前的位置,从而在工件上部形成新的残余拉应力,并最终导致工件产生一定程度的向上翘曲。

当激光功率、扫描速度等工艺参数不同时,单位时间内注入工件的能量也不同,熔池大小和热影响区的范围等也将发生变化,这势必会影响热应力的大小和分布,进而导致焊缝表面突起程度的改变。这就提供了一种可能性,即通过选择合适的工艺参数来控制焊缝表面形状。

6.2.5  气孔

气孔是激光焊接过程中,最常出现的缺陷。它是深熔焊接的一个直接结果。由于焊缝深而窄,冷却速度又快,焊接过程中产生的气孔不一定有足够的时间从熔化区逸出。对于非穿透焊缝,问题比较严重,较易在焊缝的根部出现分散的气孔。但是由于激光焊接的冷却速度快,如果出现气孔,其直径也比传统熔焊中的气孔直径小。

某些材料易于在焊接过程中产生气孔。例如:镀锌钢板、含镁合金在焊接过程中因锌、镁挥发而产生气孔,沸腾钢在焊接过程中熔池发生化学反应产生气孔。某些铝合金对气体有高的溶解度,在焊缝结晶过程中释放气孔。用激光焊接这些材料时必须特别注意防止气体卷入焊接区域。

降低熔化区气孔率的方法包括:焊前清洗、焊接过程中用惰性气体充分保护焊接区和选择较低冷却速度的焊接参数。一个正面较宽、背面较窄、略带斜度的V字形焊缝有利于气体逸出和减少气孔。

6.3  激光焊接过程中的热分析

6.3.1  激光焊接时材料的无损加热

金属对激光的吸收实际上也是光能向金属内的传输,一旦激光光子入射到金属晶体,光子就与电子发生弹性碰撞,光子将其能量传递给电子,使电子由原来的低能级跃迁到高能级。与此同时,金属内部的电子间也在不断地互相碰撞。每个电子两次碰撞的时间间隔是10ns的数量级,因此,吸收了光子而处于高能级的电子将在与其他电子的碰撞以及与晶格的相互作用中进行能量的传递。光子的能量最终转化为晶格的热振动能,引起材料温度升高,并以热传导的方式向四周或内部传播,改变材料表面及内部温度。

下面分析材料在无损加热阶段中的温度分布。为了抓住传热过程的本质,首先作如下假设:

① 被加热材料是均匀且各向同性;

② 材料的光学和热力学参数与温度无关;

③ 忽略传热过程中的辐射和对流对热传导过程所造成的影响,仅考虑材料表面向内的热传导。

设光束照射方向为z,工件表面为xy平面,光束功率P恒定,均匀地照射在工件表面,工件表面每单位面积上吸收的功率为I0,对半无限大物体来讲,材料内部的任一点都满足如下的热传导方程:

式中,需要指出的很重要的一点是,当t=α2/K时,表面温度达到稳态值的75%,对绝大多数金属来讲,这个时间是相当短的。例如,不聚焦光束作用在工件表面的半径为0.025cm,材料的热扩散系数K0.1cm2/st6.25ms。因此,可以把α2/K看作热时间常数,它的大小是对产生显著的径向热传导损失所需时间的量度。

聚焦光束能量分布无论是圆形均匀分布或是高斯分布,所得到的结果并无很大不同,尤其是对z0、光束轴线上的点,情况更是如此。当输入激光的总功率相同且高斯光斑半径ω与圆形光斑的半径α相等时,高斯光斑中心的表面温度约高25%。

由于激光与材料相互作用的时间很短,因而温度上升只局限于表面附近,这对于金属表面的激光强化(如激光淬火、激光熔覆等)来讲,正是所需要的,但对于焊接来讲,则显然是不够的。

6.3.2  激光焊接时材料的熔化及汽化

在激光束均匀照射情况下,如工件表面达到熔点Tm所需时间与热时间常数α2/K相比很小,那么分析材料的熔化过程就很简单,由式(22)可得:

对于典型的焊接过程,tm的值远小于1μs。所熔化材料的体积V可根据能量平衡的原则进行估算:

式中,E为总输入能量;Lf为被熔化材料的熔解热(熔化单位质量材料所需的能量)。这里忽略了热传导所造成的影响,因而,E是熔化体积为V的材料所需能量的最小值,通常,取计算值的2倍。

假如加热和熔化器件材料的热特性保持不变,则材料达到蒸发所需的时间tv可用式(24):

式中,Tv为材料的沸点。对于脉冲激光焊接,当材料表面的功率密度为105W/cm2数量级时,tv的典型值为几毫秒。事实上,材料的热扩散系数K和热导率k并不是常数,它们随温度的变化而变化,但是可以在一定范围内取其中间值或平均值。由于熔化材料所需时间比加热材料所需时间长,所以,Kk的值最好取材料在熔化状态范围内的平均值。例如采用CO2激光焊接钢材,激光输出功率2.5kW、熔深2mm、焊缝宽度1mm时,应选取的合适参数为:Tm1547℃;Tv2752℃;Lf272J/gK0.21cm2/sk0.75W(cm·)

当激光束的功率密度大于等于106W/cm2时,材料表面会产生急剧的蒸发。假如材料的蒸发发生在很短的时间内,光束半径为α,蒸发材料的厚度为z,如图32所示,则可用下式对所需的能量进行估算:

                          Eρπα  2          cTvLfLvz                                           25

式中,Lv为汽化热。假定材料在固态和液态时的比热容、密度相同且不随温度变化,并不考虑材料熔化时造成的影响,对式(27)两边求导,则有:

实际应用中,激光功率不宜选得太大,否则,蒸气过热,会产生蒸气等离子,而蒸气等离子体会反射或吸收大部分光能,对焊接造成不利影响。在连续激光深熔焊接时,正是由于蒸气的存在,蒸气的压力等能克服熔化金属的表面张力以及液体金属静压力而形成小孔,小孔类似于黑体,它有助于对激光束能量的吸收,对此有人称之为“壁聚焦效应”,其过程如下:由于激光束聚焦后不可能呈平行光束,因而光束与孔壁间形成一定的入射角,如图33所示,激光束射到孔壁上后,经过多次反射而到达孔底,由于小孔内壁不可能很光滑,所以光束能量易于被吸收,这也就有力地说明了高功率密度能够进行深熔焊的可能性。

6.3.3  激光作用终止,熔化金属凝固

焊接过程中,当工件和光束作相对运动时,由于剧烈蒸发产生的强驱动力使小孔前沿形成的熔化金属沿某一角度得到加速,在小孔后的近表面处形成如图34所示的大旋涡,此后,小孔后方液体金属由于传热的作用,温度迅速减低,液体金属很快凝固,形成焊缝。

 

 
 
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