激光焊接工艺技术特点

激光焊接工艺技术特点及应用
激光焊接工艺特点及其影响因素
l、激光的投入能量密度。

调整激光照射能量密度的方法主要有：
A、调整激光输出能量（调整激发电压）
B、调整光斑大小（调节出射焦距）
C、改变光斑中的能量分布（改变光纤类型：峰形输出型——GI型光纤、梯形输出型——SI型光纤）
D、改变出射脉冲的宽度和波形
2、材料反射率
大多数金属在激光开始照射时，会将大部分激光能量反射掉，所以，焊接过程开始的瞬间，要相应提高光束的功率。

采用脉冲激光缝焊工艺时，可以通过接入引弧板来保证整个焊接段的品质一致性。

当金属表面开始熔化或汽化后，其反射率迅速降低。

影响材料对激光束吸收的主要因素
1、温度
室温时金属材料两激光的吸收率一般在20℃以下；当金属温度达到烙点产生熔融和气化后吸收率上升到40~50%；当接近沸点时吸收率可高达90%。

材料的直流电阻率
材料对激光的吸收率与材料的直流电阻率的平方根成正比、与激光波长的平方根成反比关系。

2、激光束的入射角
入射角越大，吸收率越小。

当激光垂直于金属表面照射时，金属对激光的吸收率最大。

但通常为了保护激光出射镜头，需要维持一定的入射角。

材料的表面状态
为了低反射率，可在金属表面涂上薄薄一层金属粉，但两者必须是能够形成合金的。

如铜、金、银可覆盖薄锐层，此时在同样熔深的情况下，焊接所需的能量大约为原来铜、金、银所需的四分一。

3、聚焦性和离焦量
品质优良的YAG激光焊接装置，其聚焦性（光斑大小）是通过装置本身的光路同轴精度、输出光纤和出射头的成像比等来保证。

以激光出射焦点正好落在工作上面时的位置为零。

离焦量是指焦点离开这个零点的距离量。

焦点位置超过零点位置时叫负离焦（焦点深入到工件内部），其距离值为负离焦量。

反之，焦点不到零点的距离数值为正离焦量。

要获得较大的熔深，可将焦点位置选择在工件内部某一位置上，即采用负离焦量进行焊接。

4、焊接的穿入深度
脉冲激光焊接时，主要是以传热熔化方式进行的。

激光束本身对金属的直接穿入深度是有限的，其主要取决于材料的导温系数（导温系数大的则穿入深度大），而不是激光器的功率大小
激光焊接工艺
发布日期：2010-8-30 | 阅读次数：271
一、激光焊接的工艺参数。

1、功率密度。

功率密度是激光加工中最关键的参数之一。

采用较高的功率密度，在微秒时间范围内，表层即可加热至沸点，产生大量汽化。

因此，高功率密度对于材料去除加工，如打孔、切割、雕刻有利。

对于较低功率密度，表层温度达到沸点需要经历数毫秒，在表层汽化前，底层达到熔点，易形成良好的熔融焊接。

因此，在传导型激光焊接中，功率密度在范围在104~106W/cm2。

2、激光脉冲波形。

激光脉冲波形在激光焊接中是一个重要问题，尤其对于薄片焊接更为重要。

当高强度激光束射至材料表面，金属表面将会有60~98%的激光能量反射而损失掉，且反射率随表面温度变化。

在一个激光脉冲作用期间内，金属反射率的变化很大。

3、激光脉冲宽度。

脉宽是脉冲激光焊接的重要参数之一，它既是区别于材料去除和材料熔化的重要参数，也是决定加工设备造价及体积的关键参数。

4、离焦量对焊接质量的影响。

激光焊接通常需要一定的离做文章一，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：正离焦与负离焦。

焦平面位于工件上方为正离焦，反之为负离焦。

按几何光学理论，当正负离做文章一相等时，所对应平面上功率密度近似相同，但实际上所获得的熔池形状不同。

负离焦时，可获得更大的熔深，这与熔池的形成过程有关。

实验表明，激光加热50~200us材料开始熔化，形成液相金属并出现问分汽化，形成市压蒸汽，并以极高的速
度喷射，发出耀眼的白光。

与此同时，高浓度汽体使液相金属运动至熔池边缘，在熔池中心形成凹陷。

当负离焦时，材料内部功率密度比表面还高，易形成更强的熔化、汽化，使光能向材料更深处传递。

所以在实际应用中，当要求熔深较大时，采用负离焦；焊接薄材料时，宜用正离焦。

二、激光焊接工艺方法：
1、片与片间的焊接。

包括对焊、端焊、中心穿透熔化焊、中心穿孔熔化焊等4种工艺方法。

2、丝与丝的焊接。

包括丝与丝对焊、交叉焊、平行搭接焊、T型焊等4种工艺方法。

3、金属丝与块状元件的焊接。

采用激光焊接可以成功的实现金属丝与块状元件的连接，块状元件的尺寸可以任意。

在焊接中应注意丝状元件的几何尺寸。

4、不同金属的焊接。

焊接不同类型的金属要解决可焊性与可焊参数范围。

不同材料之间的激光焊接只有某些特定的材料组合才有可能。

激光钎焊有些元件的连接不宜采用激光熔焊，但可利用激光作为热源，施行软钎焊与硬钎焊，同样具有激光熔焊的优点。

采用钎焊的方式有多种，其中，激光软钎焊主要用于印刷电路板的焊接，尤其实用于片状元件组装技术。

三、采用激光软钎焊与其它方式相比有以下优点：
1、由于是局部加热，元件不易产生热损伤，热影响区小，因此可在热敏元件附近施行软钎焊。

2、用非接触加热，熔化带宽，不需要任何辅助工具，可在双面印刷电路板上双面元件装备后加工。

3、重复操作稳定性好。

焊剂对焊接工具污染小，且激光照射时间和输出功率易于控制，激光钎焊成品率高。

4、激光束易于实现分光，可用半透镜、反射镜、棱镜、扫描镜等光学元件进行时间与空间分割，能实现多点同时对称焊。

5、激光钎焊多用波长1.06um的激光作为热源，可用光纤传输，因此可在常规方式不易焊接的部位进行加工，灵活性好。

6、聚焦性好，易于实现多工位装置的自动化。

四、激光深熔焊：
1、冶金过程及工艺理论。

激光深熔焊冶金物理过程与电子束焊极为相似，即能量转换机制是通过“小孔”结构来完成的。

在足够高的功率密度光束照射下，材料产生蒸发形成小孔。

这个充满蒸汽的小孔犹如一个黑体，几乎全部吸收入射光线的能量，孔腔内平衡温度达25000度左右。

热量从这个高温孔腔外壁传递出来，使包围着这个孔腔的金属熔化。

小孔内充满在光束照射下壁体材料连续蒸发产生的高温蒸汽，小孔四壁包围着熔融金属，液态金属四周即围着固体材料。

孔壁外液体流动和壁层表面张力与孔腔内连续产生的蒸汽压力相持并保持着动态平衡。

光束不断进入小孔，小孔外材料在连续流动，随着光
束移动，小孔始终处于流动的稳定态。

就是说，小孔和围着孔壁的熔融金属随着前导光束前进速度向前移动，熔融金属填充着小孔移开后留下的空隙并随之冷凝，焊缝于是形成。

2、影响因素。

对激光深熔焊产生影响的因素包括：激光功率，激光束直径，材料吸收率，焊接速度，保护气体，透镜焦长，焦点位置，激光束位置，焊接起始和终止点的激光功率渐升、渐降控制。

3、激光深熔焊的特征：
特征：（1）高的深宽比。

因为熔融金属围着圆柱形高温蒸汽腔体形成并延伸向工件，焊缝就变得深而窄。

（2）最小热输入。

因为源腔温度很高，熔化过程发生得极快，输入工件热量极低，热变形和热影响区很小。

（3）高致密性。

因为充满高温蒸汽的小孔有利于熔接熔池搅拌和气体逸出，导致生成无气孔熔透焊接。

焊后高的冷却速度又易使焊缝组织微细化。

（4）强固焊缝。

（5）精确控制。

（6）非接触，大气焊接过程。

4、激光深熔焊的优点：（1）由于聚焦激光束比常规方法具有高得多的功率密度，导致焊接速度快，热影响区和变形都较小，还可以焊接钛、石英等难焊材料。

（2）因为光束容易传输和控制，又不需要经常更换焊炬、喷嘴，显著减少停机辅助时间，所以有荷系数和生产效率都高。

（3）由于纯化作用和高的冷却速度，焊缝强，综合性能高。

（4）由于平衡热输入低，加工精度高，可减少再加工费用。

另外，激光焊接的动转费用也比较低，可以降低生产成本。

（5）容易实现
自动化，对光束强度与精细定位能进行有效的控制。

5、激光深熔焊设备：激光深熔焊通常选用连续波CO2激光器，这类激光器能维持足够高的输出功率，产生“小孔”效应，熔透整个工件截面，形成强韧的焊接接头。

就激光器本身而言，它只是一个能产生可作为热源、方向性好的平行光束的装置。

如果把它导向和有效处理后射向工件，其输入功率就具有强的相容性，使之能更好的适应自动化过程。

为了有效实施焊接，激光器和其他一些必要的光学、机械以及控制部件一起共同组成一个大的焊接系统。

这个系统包括激光器、光束传输组件、工件的装卸和移动装置，还有控制装置。

这个系统可以是仅由操作者简单地手工搬运和固定工件，也可以是包括工件能自动的装、卸、固定、焊接、检验。

这个系统的设计和实施的总要求是可获得满意的焊接质量和高的生产效率。

五、钢铁材料的激光焊接：
1、碳钢及普通合金钢的激光焊接。

总的说，碳钢激光焊接效果良好，其焊接质量取决于杂质含量。

就象其它焊接工艺一样，硫和磷是产生焊接裂纹的敏感因素。

为了获得满意的焊接质量，碳含量超过0.25%时需要预热。

当不同含碳量的钢相互焊接时，焊炬可稍偏向低碳材料一边，以确保接头质量。

低碳沸腾钢由于硫、磷的含量高，并不适合激光焊接。

低碳镇静钢由于低的杂质含量，焊接效果就很好。

中、高碳钢和普通合金钢都可以进行良好的激光焊接，但需要预热和焊后
处理，以消除应力，避免裂纹形成。

2、不锈钢的激光焊接。

一般的情况下，不锈钢激光焊接比常规焊接
更易于获得优质接头。

由于高的焊接速度热影响区很小，敏化不成为
重要问题。

与碳钢相比，不锈钢低的热导系数更易于获得深熔窄焊缝。

3、不同金属之间的激光焊接。

激光焊接极高的冷却速度和很小的热
影响区，为许多不同金属焊接融化后有不同结构的材料相容创造了有
利条件。

现已证明以下金属可以顺利进行激光深熔焊接：不锈钢~低
碳钢，416不锈钢~310不锈钢，347不锈钢~HASTALLY镍合金，
镍电极~冷锻钢，不同镍含量的双金属带。

激光焊接的工艺技术和性能特点
激光焊接工艺和参数选择
作者：浏览次数：1000次发表时间：2009-7-13 8:53:02
用脉冲固体激光器发出的激光进行焊接属于熔化焊。

影响焊接的因素有很多，如金属的光学性质（对激光的反射喝吸收），热学性质（溶点、沸点、热扩散率、热传导率、熔化潜热等）表面状况等。

一般根据金属的性质、需要的熔深喝焊接方式，决定激光的功率密度、脉宽喝波形。

下面以薄片与薄片之间的焊接为例，讨论激光焊接的工艺喝参数选择问题。

1、最佳参数与片厚的关系
片与片之间的焊接，在保证强度要求的情况下，使其形成牢固焊接的参数范围还是比较大的。

倘若选取其中能量小、脉宽短的参数作为最佳参数，则可提高焊接效率、
降低设备费用。

此类焊接的最佳参数是光斑直径为上片材料厚度的2倍所需要的脉宽都与片厚（或是所需的熔深）的平方成正比；功率密度与片厚成反比；总能量与片厚的立方成正比。

这说明片厚是决定激光参数的重要因素。

2、焊接方式
焊接方式一般随焊接件的结构而定。

但在很多情况下，可以根据焊接的要求，选择合理的焊接方式。

薄片与薄片间的焊接方式有以下几种：
（1）对焊两片金属齐缝放置，激光直接同时照射两片金属。

两片金属同时熔化，且熔化液流入缝内凝固。

（2）端焊两片金属重叠放置，激光同时直接照射在上片端部和下片，使两片金属同时熔化，上片的金属熔液稍往下流动。

（3）中心穿透熔化焊两片金属重叠放置，激光直接照射上片，光被上片金属吸收转变成热能，往下片传递，使上片金属的下表面和下片金属的上表面同时熔化。

（4）中心插式熔化焊两片金属重叠放置，激光直接照射上片，激光初始峰值很高，使光斑中心处前期蒸发成一小孔，在激光作用下达到熔化的效果。

激光焊接主要工艺参数
（一）激光深熔焊接的主要工艺参数
1)激光功率。

激光焊接中存在一个激光能量密度阈值，低于此
值，熔深很浅，一旦达到或超过此值，熔深会大幅度提高。

只有当工
件上的激光功率密度超过阈值（与材料有关），等离子体才会产生，
这标志着稳定深熔焊的进行。

如果激光功率低于此阈值，工件仅发生
表面熔化，也即焊接以稳定热传导型进行。

而当激光功率密度处于小
孔形成的临界条件附近时，深熔焊和传导焊交替进行，成为不稳定焊
接过程，导致熔深波动很大。

激光深熔焊时，激光功率同时控制熔透深度和焊接速度。

焊接的熔深直接与光束功率密度有关，且是入射光束功率和光束焦斑的函数。

一般来说，对一定直径的激光束，熔深随着光束功率提高而增加。

2)光束焦斑。

光束斑点大小是激光焊接的最重要变量之一，因为它决定功率密度。

但对高功率激光来说，对它的测量是一个难题，尽管已经有很多间接测量技术。

光束焦点衍射极限光斑尺寸可以根据光衍射理论计算，但由于聚焦透镜像差的存在，实际光斑要比计算值偏大。

最简单的实测方法是等温度轮廓法，即用厚纸烧焦和穿透聚丙烯板后测量焦斑和穿孔直径。

这种方法要通过测量实践，掌握好激光功率大小和光束作用的时间。

3)材料吸收值。

材料对激光的吸收取决于材料的一些重要性能，如吸收率、反射率、热导率、熔化温度、蒸发温度等，其中最重要的是吸收率。

影响材料对激光光束的吸收率的因素包括两个方面：首先是材料的电阻系数，经过对材料抛光表面的吸收率测量发现，材料吸收率与电阻系数的平方根成正比，而电阻系数又随温度而变化；其次，材料的表面状态（或者光洁度）对光束吸收率有较重要影响，从而对焊接效果产生明显作用。

CO2激光器的输出波长通常为10.6μm，陶瓷、玻璃、橡胶、塑料等非金属对它的吸收率在室温就很高，而金属材料在室温时对它的吸收很差，直到材料一旦熔化乃至气化，它的吸收才急剧增加。

采用表面涂层或表面生成氧化膜的方法，提高材料对光束的吸收很有效。

4)焊接速度。

焊接速度对熔深影响较大，提高速度会使熔深变浅，但速度过低又会导致材料过度熔化、工件焊穿。

所以，对一定激光功率和一定厚度的某特定材料有一个合适的焊接速度范围，并在其中相应速度值时可获得最大熔深。

图10-2给出了1018钢焊接速度与熔深的关系。

5)保护气体。

激光焊接过程常使用惰性气体来保护熔池，当某些材料焊接可不计较表面氧化时则也可不考虑保护，但对大多数应用场合则常使用氦、氩、氮等气体作保护，使工件在焊接过程中免受氧化。

氦气不易电离（电离能量较高），可让激光顺利通过，光束能量不受阻碍地直达工件表面。

这是激光焊接时使用最有效的保护气体，但价格比较贵。

氩气比较便宜，密度较大，所以保护效果较好。

但它易受高温金属等离子体电离，结果屏蔽了部分光束射向工件，减少了焊接的有效激光功率，也损害焊接速度与熔深。

使用氩气保护的焊件表面要比使用氦气保护时来得光滑。

氮气作为保护气体最便宜，但对某些类型不锈钢焊接时并不适用，主要是由于冶金学方面问题，如吸收，有时会在搭接区产生气孔。

使用保护气体的第二个作用是保护聚焦透镜免受金属蒸气污染和液体熔滴的溅射。

特别在高功率激光焊接时，由于其喷出物变得非常有力，此时保护透镜则更为必要。

保护气体的第三个作用是对驱散高功率激光焊接产生的等离子屏蔽很有效。

金属蒸气吸收激光束电离成等离子云，金属蒸气周围的保护气体也会因受热而电离。

如果等离子体存在过多，激光束在某种程度上被等离子体消耗。

等离子体作为第二种能量存在于工作表面，使得熔深变浅、焊接熔池表面变宽。

通过增加电子与离子和中性原子三体碰撞来增加电子的复合速率，以降低等离子体中的电子密度。

中性原子越轻，碰撞频率越高，复合速率越高；另一方面，只有电离能高的保护气体，才不致因气体本身的电离而增加电子密度。

表常用气体和金属的原子(分子)量和电离能
================================================== ===========
材料氦氩氮铝镁铁
------------------------------------------------------------
原子(分子)量 4 40 28 27 24 56
电离能(eV) 24.46 15.68 14.5 5.96 7.61 7.83
================================================== ===========
从表可知，等离子体云尺寸与采用的保护气体不同而变化，氦气最小，氮气次之，使用氩气时最大。

等离子体尺寸越大，熔深则越浅。

造成这种差别的原因首先由于气体分子的电离程度不同，另外也由于保护气体不同密度引起金属蒸气扩散差别。

氦气电离最小，密度最小，它能很快地驱除从金属熔池产生的上升的金属蒸气。

所以用氦作保护气体，可最大程度地抑制等离子体，从而增加熔深，提高焊接速度；由于质轻而能逸出，不易造成气孔。

当然，从我们实际焊接的效果看，用氩气保护的效果还不错。

等离子云对熔深的影响在低焊接速度区最为明显。

当焊接速度提高时，它的影响就会减弱。

保护气体是通过喷嘴口以一定的压力射出到达工件表面的，喷嘴的流体力学形状和出口的直径大小十分重要。

它必须以足够大以驱使喷出的保护气体覆盖焊接表面，但为了有效保护透镜，阻止金属蒸气污染或金属飞溅损伤透镜，喷口大小也要加以限制。

流量也要加以控制，否则保护气的层流变成紊流，大气卷入熔池，最终形成气孔。

为了提高保护效果，还可用附加的侧向吹气的方式，即通过一较小直径的喷管将保护气体以一定的角度直接射入深熔焊接的小孔。

保护气体不仅抑制了工件表面的等离子体云，而且对孔内的等离子体及小孔的形成施加影响，熔深进一步增大，获得深宽比较为理想的焊缝。

但是，此种方法要求精确控制气流量大小、方向，否则容易产生紊流而破坏熔池，导致焊接过程难以稳定。

6)透镜焦距。

焊接时通常采用聚焦方式会聚激光，一般选用63~254mm(2.5”~10”)焦距的透镜。

聚焦光斑大小与焦距成正比，焦距越短，光斑越小。

但焦距长短也影响焦深，即焦深随着焦距同步增加，所以短焦距可提高功率密度，但因焦深小，必须精确保持透镜与工件的间距，且熔深也不大。

由于受焊接过程中产生的飞溅物和激光模式的影响，实际焊接使用的最短焦深多为焦距126mm(5”)。

当接缝较大或需要通过加大光斑尺寸来增加焊缝时，可选择254mm(10”)焦距的透镜，在此情况下，为了达到深熔小孔效应，需要更高的激光输出功率（功率密度）。

当激光功率超过2kW时，特别是对于10.6μm的CO2激光束，由于采用特殊光学材料构成光学系统，为了避免聚焦透镜遭光学破坏的危险，经常选用反射聚焦方法，一般采用抛光铜镜作反射镜。

由于能有效冷却，它常被推荐用于高功率激光束聚焦。

7)焦点位置。

焊接时，为了保持足够功率密度，焦点位置至关重要。

焦点与工件表面相对位置的变化直接影响焊缝宽度与深度。

图2-6表示焦点位置对1018钢熔深及缝宽的影响。

在大多数激光焊接应用场合，通常将焦点的位置设置在工件表面之下大约所需熔深的1/4处。

8)激光束位置。

对不同的材料进行激光焊接时，激光束位置控制着焊缝的最终质量，特别是对接接头的情况比搭接结头的情况对此更为敏感。

例如，当淬火钢齿轮焊接到低碳钢鼓轮，正确控制激光束位置将有利于产生主要有低碳组分组成的焊缝，这种焊缝具有较好的抗
裂性。

有些应用场合，被焊接工件的几何形状需要激光束偏转一个角度，当光束轴线与接头平面间偏转角度在100度以内时，工件对激光能量的吸收不会受到影响。

9)焊接起始、终止点的激光功率渐升、渐降控制。

激光深熔焊接时，不管焊缝深浅，小孔现象始终存在。

当焊接过程终止、关闭功率开关时，焊缝尾端将出现凹坑。

另外，当激光焊层覆盖原先焊缝时，会出现对激光束过度吸收，导致焊件过热或产生气孔。

为了防止上述现象发生，可对功率起止点编制程序，使功率起始和终止时间变成可调，即起始功率用电子学方法在一个短时间内从零升至设置功率值，并调节焊接时间，最后在焊接终止时使功率由设置功率逐渐降至零值。

1. 激光深熔焊特征及优、缺点
（一）激光深熔焊的特征
1) 高的深宽比。

因为熔融金属围着圆柱形高温蒸气腔体形成并延伸向工件，焊缝就变成深而窄。

2) 最小热输入。

因为小孔内的温度非常高，熔化过程发生得极快，输入工件热量很低，热变形和热影响区很小。

3) 高致密性。

因为充满高温蒸气的小孔有利于焊接熔池搅拌和气体逸出，导致生成无气孔的熔透焊缝。

焊后高的冷却速度又易使焊缝组织细微化。

4) 强固焊缝。

因为炽热热源和对非金属组分的充分吸收，降
低杂质含量、改变夹杂尺寸和其在熔池中的分布。

焊接过程无需电极或填充焊丝，熔化区受污染少，使得焊缝强度、韧性至少相当于甚至超过母体金属。

5) 精确控制。

因为聚焦光点很小，焊缝可以高精确定位。

激光输出无“惯性”，可在高速下急停和重新起始，用数控光束移动技术则可焊接复杂工件。

6) 非接触大气焊接过程。

因为能量来自光子束，与工件无物理接触，所以没有外力施加工件。

另外，磁和空气对激光都无影响。

（二）激光深熔焊的优点
1) 由于聚焦激光比常规方法具有高得多的功率密度，导致焊接速度快，受热影响区和变形都很小，还可以焊接钛等难焊的材料。

2) 因为光束容易传输和控制，又不需要经常更换焊枪、喷嘴，又没有电子束焊接所需的抽真空，显著减少停机辅助时间，所以有荷系数和生产效率都高。

3) 由于纯化作用和高的冷却速度，焊缝强度、韧性和综合性能高。

4) 由于平均热输入低，加工精度高，可减少再加工费用；另外，激光焊接运转费用也较低，从而可降低工件加工成本。

5) 对光束强度和精细定位能有效控制，容易实现自动化操作。

（三）激光深熔焊的缺点
1) 焊接深度有限。