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工艺参数对激光焊接機最终效果影响

发布时间:2016-10-26 | 来源:星鴻藝激光焊接运营部 | 分享:


   激光焊接可以采用连续或脉冲激光束加以实现,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104~105 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。
  其中熱傳導型激光焊接原理爲: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、峰功率和重複頻率等激光參數,使工件熔化,形成特定的熔池。
  用于齿轮焊接和冶金薄板焊接用的激光焊接機主要涉及激光深熔焊接。下面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光光束完成材料的连接,其冶金物理过程与电子束焊接极为相似,即能量转换机制是通过“小孔”(Key-hole)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束能量,孔腔内平衡温度达2500 0C左右,热量从这个高温孔腔外壁传递出来,使包围着这个孔腔四周的金属熔化。小孔内充满在光束照射下壁体材料连续蒸发产生的高温蒸汽,小孔四壁包围着熔融金属,液态金属四周包围着固体材料(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面,然后靠传递输送到内部)。孔壁外液体流动和壁层表面张力与孔腔内连续产生的蒸汽压力相持并保持着动态平衡。光束不断进入小孔,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,小孔和围着孔壁的熔融金属随着前导光束前进速度向前移动,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。
  激光深熔焊接的主要工藝參數
  激光功率
  激光焊接中存在一個激光能量密度阈值,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阈值(與材料有關),等離子體才會産生,這標志著穩定深熔焊的進行。如果激光功率低于此阈值,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,成爲不穩定焊接過程,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。
  光束焦斑
  光束斑點大小是激光焊接的最重要變量之一,因爲它決定功率密度。但對高功率激光來說,對它的測量是一個難題,盡管已經有很多間接測量技術。
  光束焦點衍射極限光斑尺寸可以根據光衍射理論計算,但由于聚焦透鏡像差的存在,實際光斑要比計算值偏大。最簡單的實測方法是等溫度輪廓法,即用厚紙燒焦和穿透聚丙烯板後測量焦斑和穿孔直徑。這種方法要通過測量實踐,掌握好激光功率大小和光束作用的時間。
  材料吸收值
  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,經過對材料抛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,從而對焊接效果産生明顯作用。
  CO2激光器的輸出波長通常爲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。采用表面塗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
  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範圍,並在其中相應速度值時可獲得最大熔深。
  保護氣體
  激光焊接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、氩、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。這是激光焊接時使用最有效的保護氣體,但價格比較貴。
  氩氣比較便宜,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。使用氩氣保護的焊件表面要比使用氦氣保護時來得光滑。
  氮氣作爲保護氣體最便宜,但對某些類型不鏽鋼焊接時並不適用,主要是由于冶金學方面問題,如吸收,有時會在搭接區産生氣孔。
  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汙染和液體熔滴的濺射。特別在高功率激光焊接時,由于其噴出物變得非常有力,此時保護透鏡則更爲必要。
  保護氣體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。金属蒸气吸收激光束电离成等离子云,金属蒸气周围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面,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,复合速率越高;另一方面,只有电离能高的保护气体,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 氦 氩 氮 铝 镁 铁
  ------------------------------------------------------------
  原子(分子)量 4 40 28 27 24 56
  电离能(eV) 24.46 15.68 14.5 5.96 7.61 7.83
  =============================================================
  從表可知,等離子體雲尺寸與采用的保護氣體不同而變化,氦氣最小,氮氣次之,使用氩氣時最大。等離子體尺寸越大,熔深則越淺。造成這種差別的原因首先由于氣體分子的電離程度不同,另外也由于保護氣體不同密度引起金屬蒸氣擴散差別。
 氦氣電離最小,密度最小,它能很快地驅除從金屬熔池産生的上升的金屬蒸氣。所以用氦作保護氣體,可最大程度地抑制等離子體,從而增加熔深,提高焊接速度;由于質輕而能逸出,不易造成氣孔。當然,從我們實際焊接的效果看,用氩氣保護的效果還不錯。
  等離子雲對熔深的影響在低焊接速度區最爲明顯。當焊接速度提高時,它的影響就會減弱。
  保護氣體是通过喷嘴口以一定的压力射出到达工件表面的,喷嘴的流体力学形状和出口的直径大小十分重要。它必须以足够大以驱使喷出的保护气体覆盖焊接表面,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。
  爲了提高保護效果,還可用附加的側向吹氣的方式,即通過一較小直徑的噴管將保護氣體以一定的角度直接射入深熔焊接的小孔。保護氣體不僅抑制了工件表面的等離子體雲,而且對孔內的等離子體及小孔的形成施加影響,熔深進一步增大,獲得深寬比較爲理想的焊縫。但是,此種方法要求精確控制氣流量大小、方向,否則容易産生紊流而破壞熔池,導致焊接過程難以穩定。
  透鏡焦距
  焊接時通常采用聚焦方式會聚激光,一般選用63~254mm(2.5”~10”)焦距的透鏡。聚焦光斑大小與焦距成正比,焦距越短,光斑越小。但焦距長短也影響焦深,即焦深隨著焦距同步增加,所以短焦距可提高功率密度,但因焦深小,必須精確保持透鏡與工件的間距,且熔深也不大。由于受焊接過程中産生的飛濺物和激光模式的影響,實際焊接使用的最短焦深多爲焦距126mm(5”)。當接縫較大或需要通過加大光斑尺寸來增加焊縫時,可選擇254mm(10”)焦距的透鏡,在此情況下,爲了達到深熔小孔效應,需要更高的激光輸出功率(功率密度)。
  當激光功率超過2kW時,特別是對于10.6μm的CO2激光束,由于采用特殊光學材料構成光學系統,爲了避免聚焦透鏡遭光學破壞的危險,經常選用反射聚焦方法,一般采用抛光銅鏡作反射鏡。由于能有效冷卻,它常被推薦用于高功率激光束聚焦。
  焦點位置
  焊接時,爲了保持足夠功率密度,焦點位置至關重要。焦點與工件表面相對位置的變化直接影響焊縫寬度與深度。圖2-6表示焦點位置對1018鋼熔深及縫寬的影響。
  在大多數激光焊接應用場合,通常將焦點的位置設置在工件表面之下大約所需熔深的1/4處。
  激光束位置
  對不同的材料進行激光焊接時,激光束位置控制著焊縫的最終質量,特別是對接接頭的情況比搭接結頭的情況對此更爲敏感。例如,當淬火鋼齒輪焊接到低碳鋼鼓輪,正確控制激光束位置將有利于産生主要有低碳組分組成的焊縫,這種焊縫具有較好的抗裂性。有些應用場合,被焊接工件的幾何形狀需要激光束偏轉一個角度,當光束軸線與接頭平面間偏轉角度在100度以內時,工件對激光能量的吸收不會受到影響。
  焊接起始、終止點的激光功率漸升、漸降控制
  激光深熔焊接時,不管焊縫深淺,小孔現象始終存在。當焊接過程終止、關閉功率開關時,焊縫尾端將出現凹坑。另外,當激光焊層覆蓋原先焊縫時,會出現對激光束過度吸收,導致焊件過熱或産生氣孔。
  爲了防止上述現象發生,可對功率起止點編制程序,使功率起始和終止時間變成可調,即起始功率用電子學方法在一個短時間內從零升至設置功率值,並調節焊接時間,最後在焊接終止時使功率由設置功率逐漸降至零值。

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