激光焊机的焊接质量浅谈

激光焊机的焊接质量浅谈

发表时间：2018-12-18T10:15:41.067Z 来源：《基层建设》2018年第33期作者：张锁瑶

[导读] 摘要：激光焊接，指将传统的焊接技术和激光技术进行结合，目前激光焊接技术的发展，是由于它能量源是具有高能量密度的激光束，直径小，能量大，焊接材料的热影响区域小，母材热变形小，焊接质量稳定，故焊接技术被广泛应用到车，船舶等各个前沿领域中应用越来越广泛。

哈尔滨电气动力装备有限公司黑龙江哈尔滨 150000

摘要：激光焊接，指将传统的焊接技术和激光技术进行结合，目前激光焊接技术的发展，是由于它能量源是具有高能量密度的激光束，直径小，能量大，焊接材料的热影响区域小，母材热变形小，焊接质量稳定，故焊接技术被广泛应用到车，船舶等各个前沿领域中应用越来越广泛。

关键词：激光焊机；焊接；质量

根据焊机实际情况的需求，激光焊机以其焊接速度快，焊接质量高，具有操作简单，安全性能高，生产效率高等优势。

一、激光焊机焊接工艺特点

在焊接材料范围和焊接条件及焊接效果等方面有显著的区别。除了对焊件装配精度要求高以外，与传统焊接方比较具有显著的优点：加热范围小，焊缝和热影响区窄，接头性能优良；残余应力和焊接变形小，可以实现高精度焊接；可对高熔点、高热导率，热敏感材料及非金属进行焊接，可焊接难熔材料如钛，石英等，并能对异性材料施焊，效果良好；能在室温或特殊条件下进行焊接。焊接速度快，易于实现自动化，生产率高。因而在生产中高能束成为焊接技术发展的主流。激光焊接过程产生的金属蒸气和保护气体，在激光作用下发生电离，从而在小孔内部和上方形成等离子体。等离子体对激光有吸收、折射和散射作用，因此一般来说熔池上方的等离子体会削弱到达工件的激光能量，影响光束的聚焦效果，对焊接不利。

二、激光焊机的焊接焊缝质量系统

焊接质量的好坏，取决于来料带钢的板型，设备精度和焊接参数的设定。来料可能会带头和带尾处有浪，带钢夹杂，镰刀弯，厚度不均等情况，都会大大影响焊接质量；设备需要自动调节焊接缝隙，焊接速度，激光功率，焦点位置等焊接动作，如果设备精度下降后，设定值与实际值的差别焊接会导致明显的焊接缺陷；焊接参数的确定大都是在生产线进行大批量生产之前，进行焊接实验而得出的，但在面对偶发性焊接异常时，需要调节一个或者多个参数进行焊接。在操作界面上，可激活所选择的信号进行查看图像界面实时拍摄间隙照片、焊缝照片及熔深照片，最后每条焊缝以焊缝数目号命名，将数据以文本格式保存于电脑中。操作人员在生产过程中，一般会参照其中一条或几条曲线来进行分析，观察整条曲线的走向和趋势，判断此条焊缝是否满足生产强度，从而进行下一步操作。需要格外注意的几个曲线数据为：

1.欠充满。指焊缝的“下凹”程度，由于激光功率太大或者间隙太大，速度过慢都会导致欠充满，如果欠充满超出允许范围之外，表征此条焊缝“太薄”，在生产过程中，很可能由于承受不住生产线张力而发生撕裂甚至断带。

2.过充满。过充满太大相当于焊趾太高，通俗的指焊缝的“上凸”程度，

图1焊缝欠充满实物

由于激光功率太小或者间隙太小，速度过块都会导致过充满，焊接间隙内，钢水无法完全的稳定的分布在母材剪切间隙中，一大部分只是流到了焊缝的表面上，导致的结果是焊缝内在连接差，如果过充满超出允许范围之外，表征此条焊缝中间未良好的连接，强度不够，易发生撕裂甚至断带。

图2焊缝过充满实物

3.渗透。指在焊接过程中，从下表面向焊缝观察激光强度，来表征激光是否穿透母材，激光焦点表征了激光能量最强的点，生产中为了确保能量足够焊接，会对激光焦点进行标记，如果焦点与母材厚度不匹配，激光很可能会能量不足，材料熔融不良，导致焊接不良。由于激光焦点太高会使得渗透值几乎为零，激光焦点太低会造成激光亮度太强渗透值超出允许的范围。

4.高度偏差。指两根带钢的头尾相对厚度。焊机在接收数据后，会根据参数自动调节出入口侧焊头的距离，来使得两根带钢中部对接中部，焊接有足够的材料融合。高度偏差曲线整体大于或小于允许值，表征两根带钢焊接并不在同一水平面上，出现“错层”现象，强度会下降。如果曲线波动较大，表征带钢的板型不良，需要采取其他手段来进行改进。

三、激光焊接技术的研究与应用

从焊接的工艺过程来看，激光的焊接质量与小孔效应的形成和焊接过程等离子体作用有关，经过进一步研究发现激光焊接质量与焊接原料、激光工艺参数和激光光束特性等诸多因素有关系。下面详细列出在生产应用中总结的各特征参数和工艺参数与焊接质量之间关系的研究结果。

1.激光焊接质量与光束能量特性的关系，光束的能量特性主要包括激光束的波长和光束的功率与功率密度。在激光焊接中，起主要作用的是激光功率密度值。这是由于对于不同的材料都有一个临界功率密度阈值，只有激光束焦点的功率密度值超过这个阈值，才能形成小孔，获得深熔焊接。这对于波长10.6μm的激光束具有重要的意义。因为金属材料对这种波长的激光束是强烈反射的。只是由于形成了小孔效应，材料对激光束的吸收机理由金属表面吸收变为小孔吸收，大大增加了材料对激光束的吸收率。

2.激光焊接质量与光束模式特性的关系，光束的模式特性包括激光束的光束质量、光束模式以及光束的横截面能量分布。光束模式决定了聚焦焦点的能量分布，对激光加工具有重要的影响激光束为基模时，可以获得最大的焊缝深度与深宽比，光束模式的阶次越高，激光束的能量分布越发散，焊接质量变差。具有不同光束聚焦特征参数值K f的激光束对激光焊接质量的影响，光束的K f值越大，质量就越差，焊缝的深宽比就越小。材料形成小孔的功率密度不只与平均功率密度有关，而主要取决于最大功率密度，这与横截面能量分布是密切相关的。对于功率一定，半径相同的聚焦焦点，横截面能量分布不同，虽然平均功率密度相同，但最大功率密度却并不相同。以上所述主要集中于某一点上光束质量对激光焊接的影响，没有讨论当在不同的加工位置时，横截面能量分布变化对激光焊接的影响。

3.焊接质量与气体混合比的关系，单位体积激光等离子体的辐射功率与分子的密度成正比，因此分子的含量越多，激光的输出功率就越高。氦气的含量对激光器的运行影响非常重要，在混合气体中加入大量的H e可以大幅度的增加输出功率。

4.激光焊接质量与焊接工艺参数的关系，聚焦镜焦距f保持不变时，激光焊接工艺参数激光功率P、离焦量△F、焊接速度v和对接缝宽△D等任一参数的变化，都会改变的焊缝成形。参数之间相互影响，关系复杂。在激光功率P、离焦量△F保持不变时，焊接熔深随着焊接速度的增加而减小，焊缝宽度都随着速度的增加而下降。在焊接速度v、离焦量△F保持不变时，激光焊缝深度和宽度随着激光功率的增加，焊接深度呈线性上升，而焊缝宽度几乎没有变化。在激光功率P、焊接速度v保持不变时，对于焊缝成形而言，存在最佳的离焦量，使得焊缝深度最大、宽度最小、深宽比达到最大，随着焦点位置远离最佳位置，焊缝成形恶化，焊缝深度减小、宽度增加、深宽比减小。在激光功率P、焊接速度v保持不变时，当对接缝宽△D比较小时，小于0.1m m，对焊接并不造成影响，反而还可以增加焊接深度，这是由于当存在很小的缝时，激光通过波导作用可以在缝中传输，更好地把能量传到焊接的更深的位置，相对于只是靠形成小孔来导入激光能量更有助于增加激光的吸收率，增加焊接的深度。

焊接过程中伴随着物质变化，发生化学反应，现在还没有明确的函数可以计算或推理焊接结果，生产过程中目前只能参考以上曲线，根据经验值和简单的杯突实验来判断焊缝的好坏，导致很多模棱两可的焊缝曲线无法进行准确判断，如果可以根据丰富的操作经验值和精确的设备控制度，以设定参数和焊机的质量评估曲线为评价因素，以焊接质量为目的，研究出一套较接近实际生产的公式，那么对于激光焊机的可操作性将会大大增加，同时保证了生产线的稳定运行。

参考文献：

[1]郭军.激光深穿透焊的理论模型.2016

[2]宋春霞.激光焊机维护手册.2016