激光焊接原理與主要工藝參數(shù)
1.激光焊接原理 激光焊接可以采用連續(xù)或脈沖激光束加以實(shí)現(xiàn),激光焊接的原理可分為熱傳導(dǎo)型焊接和激光深熔焊接。功率密度小于104~105 W/cm2為熱傳導(dǎo)焊,此時(shí)熔深淺、焊接速度慢;功率密度大于105~107 W/cm2時(shí)
2)光束焦斑。光束斑點(diǎn)大小是激光焊接的最重要變量之一,因?yàn)樗鼪Q定功率密度。但對(duì)高功率激光來說,對(duì)它的測量是一個(gè)難題,盡管已經(jīng)有很多間接測量技術(shù)。
光束焦點(diǎn)衍射極限光斑尺寸可以根據(jù)光衍射理論計(jì)算,但由于聚焦透鏡像差的存在,實(shí)際光斑要比計(jì)算值偏大。最簡單的實(shí)測方法是等溫度輪廓法,即用厚紙燒焦和穿透聚丙烯板后測量焦斑和穿孔直徑。這種方法要通過測量實(shí)踐,掌握好激光功率大小和光束作用的時(shí)間。 3)材料吸收值。材料對(duì)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(dǎo)率、熔化溫度、蒸發(fā)溫度等,其中最重要的是吸收率。 影響材料對(duì)激光光束的吸收率的因素包括兩個(gè)方面:首先是材料的電阻系數(shù),經(jīng)過對(duì)材料拋光表面的吸收率測量發(fā)現(xiàn),材料吸收率與電阻系數(shù)的平方根成正比,而電阻系數(shù)又隨溫度而變化;其次,材料的表面狀態(tài)(或者光潔度)對(duì)光束吸收率有較重要影響,從而對(duì)焊接效果產(chǎn)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(duì)它的吸收率在室溫就很高,而金屬材料在室溫時(shí)對(duì)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(duì)光束的吸收很有效。 4)焊接速度。焊接速度對(duì)熔深影響較大,提高速度會(huì)使熔深變淺,但速度過低又會(huì)導(dǎo)致材料過度熔化、工件焊穿。所以,對(duì)一定激光功率和一定厚度的某特定材料有一個(gè)合適的焊接速度范圍,并在其中相應(yīng)速度值時(shí)可獲得最大熔深。圖10-2給出了1018鋼焊接速度與熔深的關(guān)系。 5)保護(hù)氣體。激光焊接過程常使用惰性氣體來保護(hù)熔池,當(dāng)某些材料焊接可不計(jì)較表面氧化時(shí)則也可不考慮保護(hù),但對(duì)大多數(shù)應(yīng)用場合則常使用氦、氬、氮等氣體作保護(hù),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(dá)工件表面。這是激光焊接時(shí)使用最有效的保護(hù)氣體,但價(jià)格比較貴。 氬氣比較便宜,密度較大,所以保護(hù)效果較好。但它易受高溫金屬等離子體電離,結(jié)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(hù)的焊件表面要比使用氦氣保護(hù)時(shí)來得光滑。 氮?dú)庾鳛楸Wo(hù)氣體最便宜,但對(duì)某些類型不銹鋼焊接時(shí)并不適用,主要是由于冶金學(xué)方面問題,如吸收,有時(shí)會(huì)在搭接區(qū)產(chǎn)生氣孔。 使用保護(hù)氣體的第二個(gè)作用是保護(hù)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時(shí),由于其噴出物變得非常有力,此時(shí)保護(hù)透鏡則更為必要。 |
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