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。