激光焊接

1. 2. 3. 4.
2015-3-31
固态加热 表面重熔 匙孔效应 等离子体屏蔽 图6-2-1 激光辐照金属时发生的物理过程
17
激光功率密度较低（＜104W/cm2）、辐照时间较短时， 金属吸收的激光能量只能引起材料由表及里温度升高，但 维持固相不变。主要用于零件退火和相变硬化处理。 随着激光功率密度的提高（104～106W/cm2）和辐照时 间的加长，材料表层逐渐熔化，随输入能量增加，液—固 相分界面逐渐向材料深部移动。这种物理过程主要用于金 属的表面重熔、合金化、熔覆和热传导型焊接。 进一步提高功率密度（＞106W/cm2）和加长作用时间， 材料表面不仅熔化，而且汽化，汽化物聚集在材料表面附 近并微弱的电离形成等离子体，这种稀薄等离子体有助于 材料对激光的吸收。在汽化膨胀压力下，液态表面变形， 形成凹坑。这一阶段可以用于激光焊接。 再进一步提高功率密度（＞107W/cm2）和加长辐照时间， 材料表面强烈汽化，形成较高电离度的等离子体，这种致 密的等离子体可逆着光束入射方向传输，对激光有屏蔽作 用，大大降低激光入射到材料内部的能量密度。在较大的 蒸汽反作用力下，熔化的金属内部形成小孔，通常称之为 匙孔，匙孔的存在有利于材料对激光的吸收。这一阶段可 用于激光深熔焊接、切割、打孔和冲击硬化等。
2015-3-31
8
匙孔现象发生在材料熔化和汽化的临界点，气态金属产生 的蒸汽压力很高，足以克服液态金属的表面张力并把熔融 的金属吹向四周，形成匙孔或孔穴。随着金属蒸汽的逸出， 在工件上方及匙孔内部形成等离子体，较厚的等离子体会 对入射激光产生一定的屏蔽作用。由于激光在匙孔内的多 重反射，匙孔几乎可以吸收全部的激光能量，再经内壁以 热传导的方式通过熔融金属传到周围固态金属中去。当工 件相对于激光束移动时，液态金属在小孔后方流动、逐渐 凝固，形成焊缝，这种焊接机制称为深熔焊接，也称匙孔 焊接，是激光焊接中最常用的焊接模式。 当激光的入射功率密度较低时，工件吸收的能量不足以使 金属汽化，只发生熔化，此时金属的熔化是通过对激光辐 射的吸收及热量传导进行的，这种焊接机制称为热传导焊 接。由于没有蒸汽压力作用，在热传导焊接时熔深一般较 浅。
图6-1-1 不同焊接方法传热方式对比示意图
2015-3-31 4
2015-3-31
5
2015-3-31
6
2015-3-31
7
6.1.2 激光焊接的分类
按激光束的输出方式不同，可以把激光焊分为脉 冲激光焊和连续激光焊。连续激光焊在焊接过程 中形成一条连续的焊缝。脉冲激光焊接时，输入 到工件的能量是断续的、脉冲的，每个激光脉冲 在焊接过程中形成一个圆形焊点。 按焊缝形成特点，通常根据是否产生匙孔效应通 常将焊接过程分为两种焊接模式：热传导焊接和 深熔焊接。这两种焊接模式有着完全不同的焊缝 成形机理和焊接效果。
2015-3-31 20
在激光深熔焊接过程中匙孔的出现可大大提高材 料对激光的吸收率，焊件可获得更多的能量耦合， 这是获得良好焊接质量的前提条件。
若假设匙孔为圆锥面，锥角 为Φ。沿圆锥轴线入射的光 束经锥面反射直向尖顶并退 回，总共反射180o/Φ次。 每反射一次，吸收约13% （CO2激光对铁）。设 Φ=10 o，则在18次反射过 程中总吸收率达92%。
第六章 激光焊接技术
6.1 概述 6.2 激光焊接的熔池、匙孔效应及等离子体行为
6.3 影响激光焊接质量的主要因素 6.4 典型材料的激光焊接 6.5 激光焊接技术的发展及其前景
2015-3-31
1
6.1 概述
6.1.1 激光焊接与其他焊接方法的比较 6.1.2 激光焊接的分类 6.1.3 激光焊接设备（激光器）的比较
2015-3-31
14
6.2 激光焊接的熔池、匙孔效应 及等离子体行为
6.2.1 匙孔效应 6.2.2 光致等离子体 6.2.3 激光焊接的熔池
2015-3-31
15
6.2.1 匙孔效应
6.2.1.1 匙孔的形成 6.2.1.2 匙孔内的能量吸收 6.2.1.3 匙孔内的压力平衡
2015-3-31
2015-3-31 3
高能量束（激光、电子束）焊接与传统的焊接方式中热量仅仅传播到 工件表面有根本的不同。相反，激光聚焦在材料表面很小的范围内， 能量密度超过106W/cm2，局部的电磁能量的吸收引起材料剧烈的加 热，金属将会蒸发，随着快速的汽化，在光束作用下，光束下材料底 层形成小的毛细管。光束能量通过整个毛细管传输到金属内部，形成 匙孔，如图6-1-1所示。能量通过这种方式在工件中的聚集非常有效， 通过热传导损失的能量很少，因此可以有更高的焊接速度。 激光束能量极为集中，与其他传统焊接能源如电弧焊相比有效得多。 此外，不同于电子束，激光不受焊接过程中工件产生的磁场的影响。 高的激光功率密度产生的熔池和热影响区小，伴随着熔池附近区域极 高的加热和冷却速度，因此产生焊接变形小。激光焊接材料厚度范围 广，可从数微米到数十毫米。
2015-3-31
图6-2-4 作用于匙孔的力
23
6.2.2 光致等离子体
6.2.2.1 光致等离子体效应 6.2.2.2 光致等离子体的控制
2015-3-31
24
6.2.2.1 光致等离子体效应
匙孔效应的另一个机制是等离子体的形成。在激光深熔焊 接过程中，当激光的功率密度达到一定的阈值（对钢铁材 料而言，约为1×106W/cm2），这种局部的高功率将在 形成匙孔同时导致在光斑作用点形成强烈的等离子体，产 生匙孔和等离子体效应，并伴有强烈的蓝色特征光。 当激光光束照射金属表面时，由于焦点处极高的能量密度 使得金属熔化，甚至蒸发。如果金属中含有较低沸点的元 素时，蒸发行为更为强烈。在高温状态的熔池中的金属蒸 汽和液体金属容易放出热电子，该电子吸收激光能量后将 加速运动，即从熔池内部向外运动。由于很多电子聚集于 熔池内，将形成冲击波。该冲击波的压缩效果进一步促进 电离，使熔池匙孔内全为高温等离子状态，高温等离子体 将以一定的频率从熔池中喷出。因此，等离子体的形成是 匙孔中的金属蒸汽吸收了激光能量后发生电离产生的。
16
6.2.1.1 匙孔的形成
激光照射金属材料时，随着功率密度与作用时间的增加，金属材料 将会发生下列四个阶段的物态变化： 光束加热工件； 金属局部区域熔化。随着金属对光束能量吸收率上升，熔化不断进 行，温度迅速提高； 在温度最高的区域发生汽化。金属蒸汽产生的过大压力在熔化带形 成一个匙孔，入射光束能量通过形成的匙孔穿透到材料内部； 电离的金属蒸汽聚集在匙孔和工件表面。因此在匙孔上方形成等离 子体云。
到目前为止，一般认为匙孔内激光的能量吸收机 制包括两个过程：逆轫致吸收(等离子体)和菲涅 耳吸收（孔壁）。
图6-2-2 匙孔内的多次反射吸收
2015-3-31
21
6.2.1.3 匙孔内的压力平衡
由于等离子体吸收和孔壁的多次反射，到达匙孔 底部的激光功率密度下降，而匙孔底部的激光功 率密度对于产生一定的汽化压强以维持一定深度 的匙孔是至关重要的，它决定了加工过程的穿透 深度。 匙孔形成以材料汽化为前提，但材料汽化并不是 匙孔形成的充分条件。作用在匙孔内的力非常复 杂，包括表面张力、蒸汽压力、烧蚀压力（也称 蒸发反作用力或反冲压力）、静水压力等。热力 学和流体力学共同作用于匙孔，将各影响因素以 图示的方式表示如图6-2-3，简要表明了匙孔形成 机理。
2015-3-31
9
2015-3-31
10
图6-1-3激光焊接的基本模式 1—等离子体云 2—熔化材料 3—匙孔 4—熔深
图6-1-4 激光深熔焊接示意图
图6-1-5 焊缝的形成示意图
2015-3-31
图6-1-6 模式不稳定激光焊接焊缝特征图
11
6.1.3 激光焊接设备（激光器）的比较
图6-1-7（a） 激光焊接装置示意图
图6-1-7（b） 激光焊接头
（a）CO2激光焊的焊点形状 （b）YAG激光焊的焊点形状 图6-1-8 不锈钢激光焊接焊点形状
2015-3-31 12
2015-3-31
13
表6-1-4 YAG激光与CO2激光性能比较 激光器类型 YAG激光 CO2激光
光束波长（μm） 1.06 10.6 输出功率等级（kW） 0.1～5 0.5～45 脉冲能力（kHz） 连续～60 连续～5 光束模式 多模 基模～多模 光束传播系数（K） ≤0.15 0.1～0.8 电-光转换效率 3%～10% 15%～30% 光束传输 光学镜片或光纤 光学镜片 焊接效果 优良 好 切割效果 一般 优良 表面处理 好 好 运行成本 高 低
2015-3-31
19
6.2.1.2 匙孔内的能量吸收
激光焊接过程中，材料剧烈汽化膨胀产生的压力将熔融材 料抛出，形成匙孔。匙孔的形成对激光与材料间的能量藕 合机制影响很大，匙孔效应对于加强激光焊接、切割、打 孔等加工程中对激光的吸收具有极其重要的作用。 在匙孔形成以前，激光入射到工件表面上，一部分被反射， 一部分被工件材料所吸收，吸收的能量转化为热能并通过 热传导的方式向工件材料内部传递，焊接过程属于热传导 焊。由于大部分金属材料表面对激光有着强烈的反射，因 此在激光热传导焊中，大部分的激光能量被工件表面反射 损失掉了，激光能量的有效利用率不高。 但是，一旦匙孔形成，情况就有了根本性的改变。当匙孔 形成以后，激光直接入射到匙孔内部，并在匙孔孔壁上发 生多次反射，每次反射都有部分激光能量被匙孔孔壁所吸 收，如此经过孔壁的多次反射吸收而使得工件材料对激光 的吸收大大增强。进入匙孔的激光束通过孔壁的多次反射 而几乎被完全吸收。
2015-3-31
25
在激光深熔焊接过程中，激光的吸收取决于匙孔和等离子体效 应。等离子体和金属蒸汽的出现对深焊缝的获取既有利又有弊。 不利的一方面是，在等离子体上升及存在的过程中，等离子体 不断地从激光光束中吸收能量，使到达工件的有效能量减少， 作用于熔池中的激光能量降低。同时，光束通过等离子体时， 会改变聚焦条件，破坏光束的均匀性，使光斑位置发生改变， 光束波前畸变导致聚焦光斑扩散，从而表面熔化区扩大，阻碍 焊接过程的正常进行。此外，等离子体不断从激光光束中吸收 能量后，等离子体的电离云尺寸不断增大，直至导致周围介质 被击穿，这一过程类似于两个平板电极之间瞬间放电击穿。这 种介质击穿，即所说的等离子体的击穿，导致爆震波的产生。 这种震波阻断了熔化过程的进行，导致焊缝表面非常不平整。 这种等离子体击穿也使基于匙孔效应的深熔焊接过程逆向进行， 因此熔深大大减小。激光焊接的熔深比同等功率的电子束焊接 低，一个重要的原因是前者受等离子体的影响，降低了匙孔深 度，增大了匙孔直径。 但是，另一方面，等离子体和金属蒸汽以一定压力从熔池中喷 出时，使熔池底部固体金属暴露在激光的直接照射下，使固体 金属进一步熔化，产生较大熔深。因此，稳定的等离子体云有 利于改善激光能量和工件之间的耦合，使得焊接过程更为有效。
2015-3-31
2
6.1.1 激光焊接与其他焊接方法的比较
激光焊接是激光材料加工技术应用的重要方面之 一。 70年代主要用于焊接薄壁材料和低速焊接，焊接 过程属热传导型，即激光辐射加热工件表面，表 面热量通过热传导向内部扩散，通过控制激光脉 冲的宽度、能量、峰值功率和重复频率等参数， 使工件熔化，形成特定的熔池。由于其独特的优 点，已成功地应用于微、小型零件的精密焊接中。 高功率CO2及高功率YAG激光器的出现，开辟了 激光焊接的新领域，获得了以匙孔效应为理论基 础的深熔焊接，在机械、汽车、钢铁等工业部门 获得了广泛的应用。
2015-3-31
ห้องสมุดไป่ตู้
22
匙孔表面温度
入射材料功率
匙孔形状 表面张力 蒸发速率 匙孔塌陷 蒸气压力
电离程度 （电子密度）
热传导率
等离子体温度
等离子体吸收率
图6-2-3 匙孔形成示意图 匙孔是否形成并稳定存在还取决于金属蒸发 产生的蒸汽压力是否大于匙孔的表面张力和 金属液体的流动阻力。材料剧烈汽化膨胀产 生的压力将熔融材料抛出，形成匙孔，如图 6-2-4所示。为形成匙孔，汽化压强应该平衡 表面张力、静水压力和使液相材料抛出的流 动阻力。
2015-3-31 18
只有当照射到工件上的功率密度足够高 （105～106W/cm2）时才会形成上述四个 连续过程。如果不具备这个条件，大多数 的热量通过工件的热传导而散失，即使延 长激光幅照时间，温度也无法上升到超过 金属的汽化点。因此形成匙孔有一个能量 阈值，这个阈值的大小取决于材料的热力 学常量和对入射激光的吸收率。