光纤激光和CO2激光焊接差异分析

实验室光纤激光和CO2激光焊接区别分析
分析：光纤激光和CO2激光焊接过程中的差异主要是对激光能量的吸收率的不同，一、光纤激光的波长较短和焊接过程产生的等离子体较少，且能量密度更大，更为集中，激光能量的利用率较高，在焊接过程中金属蒸汽的反冲压力会更大，在穿透与未穿透临界点很难找到一个平衡点；二、CO2激光焊接过程热传导损失功率较大，即小孔前壁的倾斜角度也较大，且焊接过程产生大量的等离子体对激光能量的分布和吸收起到平衡和调节作用，因此在在穿透与未穿透的工艺窗口较宽。

参考资料如下：
光纤激光：波长1.06μm，光斑直径0.6mm
CO2激光：波长1.06μm，光斑直径0.86mm
关于光纤激光和CO2激光焊接焊缝成型区别较大，有资料表明这种差异与不同波长激光和材料间的耦合特性相关。

而在激光焊接中，激光与材料间的耦合特性可通过熔化效率来表征。

下面是一篇论文对光纤激光和CO2激光焊接熔化效率的对比分析。

熔化效率可以利用焊缝横截面积进行计算，计算所得的结果如下图所示，两种激光焊接的熔化效率均随着焊接速度的增加先增大后减小，光纤激光焊接的熔化效率在焊接速度约为10m/min时达到最大值，而CO2激光焊接的熔化效率在约4m/min时达到最大值。

熔化效率随焊接速度的变化规律，与激光焊接中的能量耦合行为有关。

根据能量守恒原理，深熔小孔对入射激光的总吸收率ＡＫ可表示为
式中ＰＥＶ为焊接时部分金属蒸发所需的功率，ＰＯ为熔池金属过热消耗功率，ＰＬ为热传导损失功率。

根据研究，激光焊接蒸发的质量ｍＥＶ非常小，因此ＰＥＶ可忽略。

通过计算得到熔池过热功率ＰＯ随焊接速度的变化规律与熔化效率的规律类似，但过热功率在激光输出功率中所占的比例较小。

通过熔化前沿的热传导功率P L一部分用于板材熔化，另一部分向母材中因热传导而损失。

经过熔化前沿热传导损失的功率可表示为
式中2r0为熔宽，S为焊缝横截面积。

将实验测得的焊缝横截而积和熔宽代人上式中，可得PL随焊接速度的变化规律下图所示。

由此可见，热传导损失的功率将随着焊接速度的增加而减小，且在低焊速时减小的幅度较大，而高焊速时较小。

深熔小孔分别对两种激光的总吸收率ＡＫ随焊接速度的变化规律如下图所示可见两种激光焊接中总吸收率随焊接速度的变化规律是相似的，均是先缓慢减小，然后快速减小。

但
总吸收率由缓慢减小转变为快速减小的临界速度不同，光纤激光焊接时为10m/min，而CO2激光焊接时为４m/min。

两种激光焊接中总吸收率呈现出的差异与焊接中整个光束是否完全进入深熔小孔有关。

当焊接速度较低时，激光光束完全进入深熔小孔内，所以总吸收率受焊接速度的影响较小；当焊接速度较高时，光斑前沿部分不再能够使小孔口前点气化，因此该部分光束不再能够进入小孔内，从而导致小孔对入射激光的总吸收率随着焊接速度的增加而快速减小。

结论：
总吸收率和热传导损失功率是决定熔化效率的主要因素。

从熔化效率上判断，当焊接工艺基本相同时，光纤激光器更适合中、高速焊接，而CO2激光器更适合低速焊接。