影响激光焊接质量的主要因素

影响激光焊接质量的主要因素
影响激光焊接质量的主要因素
1.焊接设备
激光焊接设备通常由激光器、导光和聚焦系统组成。

1.1 激光器
⽤于焊接的激光器主要有脉冲激光器和连续激光器。

最重要的性能是输出功率和光束质量。

焊接对激光器的质量要求最主要的是光束模式和输出功率的稳定性。

1.1.1 光束模式
光束模式阶数越低，光束的聚焦性能越好（即光束质量越好），光斑越⼩，相同激光功率下激光功率密度越⾼，焊接深宽⽐越⼤。

图1 光束模式对焊接熔深的影响
图2 功率密度对熔深的影响
1.1.2 输出功率稳定性
激光器的输出功率稳定性越好，焊接⼀致性就越好。

1.2 导光和聚焦系统
导光和聚焦系统主要由光纤、准直（扩束）镜、反射镜和聚焦镜组成，实现传输光束和聚焦的功能。

这些光学零件，在⼤功率激光作⽤下，性能可能会劣化使透过率下降，产⽣热透镜效应（透镜受热膨胀焦距发⽣变化）。

如有表⾯污染，则会增加传输损耗甚⾄可能导致光学零件的损坏。

所以光学零件的质量，维护和⼯作状态监测对保证焊接质量⾄关重要。

2.⼯件状态
2.1 焊接⼯件的加⼯精度、装配精度以及清洁程度
因为激光光斑⼩，焊缝窄，⼀般不加填充⾦属，如装配不严间隙过⼤，光束会穿过间隙不能熔化母材，或者引起明显的咬边、凹陷。

所以⼀般板材对接装配间隙和光斑对缝偏差均不应⼤于0.1mm，错边不应⼤于0.2mm。

当然对焊接质量要求更⾼的⼯件，其焊接⼯件的加⼯精度及装配精度也更⾼，尤其是焊接前的⼈⼯装配，要保证焊接位置的⾼低差、装配间隙和加⼯件的清洁程度。

2.2 焊接⼯件的材料均匀性
材料的均匀性是指物质的⼀种或⼏种特性具有同组分或相同结构的状态。

材料的均匀性直接影响到材料的有效使⽤。

影响材料均匀性的因素有合⾦成分的分布、材料厚度等。

合⾦元素的种类和含量本⾝就对焊接质量存在影响，其分布的均匀性直接影响到焊缝的⼀致性。

例如铝合⾦材料焊接时，合⾦元素的分布不均匀，或者内部存在杂质的含量不同，容易出现焊接缺陷：炸孔、咬边及凹陷。

3.焊接⼯装夹具
在激光焊接过程中，焊接⼯装夹具主要是将焊接⼯件准确定位和可靠夹紧，便于焊接⼯件进⾏装配和焊接，保证焊接结构精度，有效的防⽌和减轻焊接热变形。

4.焊接⼯艺参数
影响焊接质量的焊接⼯艺参数主要有激光输出功率、焊接速度、激光波形、脉冲宽度、离焦量和保护⽓体。

4.1 激光输出功率、焊接速度对熔深的影响
图3中，1、2、3分别为1mm、3mm、10mm/s的焊接速度时熔化深度曲线，可以看出在⼀定的激光功率下，提⾼焊接速度，则热输⼊下降，焊接熔深减⼩。

对于不同的激光功率密度，要达到要求的熔化深度需选择不同的焊接速度。

图3 激光焊接不锈钢时功率与焊接速度、熔化深度的关系
4.2 激光波形
激光波形主要有脉冲激光器常⽤的脉冲波形和连续焊接时的缝焊波形。

4.2.1脉冲波形对焊接质量的影响（针对脉冲激光器）
4.2.1.1对于焊接铜、铝、⾦、银⾼反射材料时，为了突破⾼反射率的屏障，可
以利⽤带有前置尖峰的激光波形，如图4。

图4 前置尖峰的激光波形
但这种波形在⾼重复率缝焊时不宜采⽤，容易产⽣飞溅，形成不规则的
孔洞。

宜采⽤梯形波，如下图5：
图5 梯形波
4.2.1.2 对于铁、镍等⿊⾊⾦属，表⾯反射率低，宜采⽤矩形波或缓衰减
波形，如下图6所⽰：
图6 缓衰减波形
4.2.2 连续焊接时的缝焊波形
缝焊波形就是激光功率随焊接时间变化的曲线。

在材料要求焊接密封时此波形尤为重要。

在焊接开始时激光功率缓慢上升，结束时缓慢下降，如图7；在连续激光器焊接时，结尾处出现的凹坑，宜采⽤此波形，减⼩凹坑程度，以达到焊接效果，如图7所⽰。

图7 连续焊接时的缝焊波形
a) 未设置波形b) 波形设置后
图8 焊缝收尾处的表⾯形貌
4.3 脉冲宽度（针对脉冲激光器）
激光的脉冲宽度针对YAG固体激光器来说是焊接的重要参数之⼀，它决定材料是否熔化，为了保证激光焊接中材料表⾯不出现强烈⽓化，⼀般假定在脉冲终⽌时材料表⾯温度达到沸点。

脉宽越长，焊点直径越⼤，相同的⼯作距离时，熔深越深。

4.4 离焦量
激光焊接时通常需要⼀定的离焦量，因为激光焦点处光斑中⼼的功率密度过⾼，容易蒸发成孔。

离开激光焦点的各平⾯上，功率密度分布相对均匀。

离焦⽅式有两种：正离焦和负离焦。

焦平⾯位于⼯件上⽅为正离焦，反之为负离焦。

焊接薄材料时宜采⽤正离焦，需要较⼤熔深时宜采⽤正离焦。

图9 离焦⽅式
在⼀定的激光功率和焊接速度下，当焦点处于最佳焊接位置范围内时，可以获得最⼤熔深和好的焊缝形状。

4.5 保护⽓体
保护⽓体的种类、⽓体流量及吹⽓⽅式也是影响焊接质量的重要焊接⼯艺参数之⼀。

4.5.1 常⽤的保护⽓体有氮⽓N2、氩⽓A r、氦⽓H e以及氩⽓和氦⽓的混合⽓体。

通常情况下，焊接碳钢时宜采⽤Ar，不锈钢宜采⽤N2，钛合⾦宜采⽤
He，铝合⾦宜采⽤Ar和He的混合⽓体。

4.5.2 ⽓体流量的⼤⼩需根据实际焊接情况⽽定。

在采⽤⼤功率连续激光器焊
接时，通常采⽤的⽓流量较脉冲激光器焊接时的⽓流量⼤。

4.5.3 吹⽓⽅式分为侧吹和同轴吹两种。

⼩功率焊接时可采⽤同轴吹⽓，⼤功
率连续焊接时建议采⽤侧吹⽅式。

4.5.4 保护⽓体的作⽤
4.5.4.1 在激光焊接过程中，容易产⽣等离⼦体。

等离⼦体对激光有吸收、折
射和反射的作⽤。

通常可采⽤保护⽓体驱除或削弱。

4.5.4.2 提⾼焊缝的冷却速度。

4.5.4.3 降低焊缝表⾯氧化程度。

4.5.4.4改善焊缝表⾯形貌。

结论
综合以上的分析，要在⾼速连续的激光焊接过程中，并在合适的范围内，保证焊接质量，如焊缝成形的可靠性和稳定性，确保焊接质量，⼀⽅⾯需采⽤光束质量和激光输出功率稳定性好的激光器和采⽤⾼质量、⾼稳定性的光学元件组成其导光聚焦系统，并经常维护，防⽌污染，保持清洁，并适当对⼯件进⾏预处理；另⼀⽅⾯要确保⼯件的加⼯精度和装配精度，并且针对不同的加⼯材料分别设定不同的激光加⼯参数，选择合适的激光功率、焊接速度、激光波形、离焦量和保护⽓体，根据不同焊接效果优化加⼯参数，提⾼激光焊接质量的可靠性和稳定性。