影响激光焊接质量的主要因素

激光加工概论课程论文题目影响激光焊接质量的主要因素

姓名

所在学院

专业班级

学号

指导教师

2011年12月

影响激光焊接质量的主要因素

摘要：本文通过对影响激光焊接质量的因素中的焊接设备、工件状况和激光功率密度和光束模式、焊接速度、脉冲波形和脉宽、离焦量和保护气体等工艺参数进行分析，并分别就热导焊和深熔焊的特点作具体讨论，阐述提高激光焊接质量的可靠件和稳定性的方法和途径，并对激光焊接的发展提出展望和建议。

关键词：激光焊接功率密度脉冲波形离焦量

1 前言

激光焊接是以高功率聚焦激光束为热源，熔化材料形成焊接接头的高精度高效率焊接方法。1激光焊接现已在各领域中得到大规模的应用，由于焊接质量中出现问题，所造成的危害甚至是毁灭性的，故正确设定和控制影响激光焊接质量的因素，使其在高速连续的激光焊接过程中控制在合适的范围内，对保证焊接质量如焊缝成形的可靠性和稳定性等有着重要意义。本文就影响因素中的焊接设备，工件状况和工艺参数等方面进行分析，并分别就热导焊和深熔焊的特点作具体讨论。

2 主要影响因素

2.1 焊接设备

激光焊接设备通常由激光器、导光和聚焦系统和计算机控制系统组成。

2.1.1 激光器

用于激光焊接的激光器主要有CO2气体激光器和YAG固体激光器两种。

激光器最重要的性能是输出功率和光束质量。从这两方向考虑，CO2激光器比YAG激光器具有很大优势，是目前深熔焊接主要采用的激光器，生产上应用大多数还处在15～6kW 范围。而YAG激光器在过去相当长一段时间内提高功率有困难，一般功率小于1kW，只用于薄小零件的微联接。但是，近几年来，国外在研制和生产大功率Y AG激光器方面取得了突破性的进展，最大功率已达5kW，并已投人市场。且由于其波长短，仅为CO2激光的1/10，有利于金属表面吸收，可以用光纤传输，使导光系统大为简化，故大功率YAG激光焊接技1定义参考郭亮的《华师-激光焊接2011》

术在今后一段时间内将获得迅速发展。2

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及其稳定性。光束模式是光束质量的主要指标，光束模式阶数越低，光束聚焦性能越好，光斑越小，相同激光功率下功率密度越高，焊缝深宽越大。一般要求基模（TEM00）或低阶模，否则难以满足高质量激光焊接的要求3。

虽然目前国产激光器在光束质量和功率输出稳定性方面用于激光焊接还有一定困难。但从国外情况来看，激光器的光束质量和输出功率稳定性已相当高，应不会成为激光焊接的问题。4

另外，高的焊接还要求激光器抽运源应能保证脉冲辐射波形的连续可调和输出光束发散角应足够小。5

2.1.2 导光和聚焦系统

导光聚焦系统由圆偏振镜、扩束镜、反射镜或光纤、聚焦镜等组成，实现改变光束偏振状态、方向，传输光束和聚焦的功能。这些光学零件的状况对激光焊接质量有极其重要的影响。在大功率激光作用下，光学部件，尤其是透镜性能会劣化使透过率下降；会产生热透镜效应（透镜受热膨胀焦距缩短）；表面污染也会增加传输损耗。所以光学部件的质量，维护和工作状态监测对保证焊接质量至关重要。

光束变换系统中影响焊接质量最大的因素是聚焦镜，所用焦距一般在127mm（5in）到200mm（7.9in）之间，焦距小对减小聚焦光束腰斑直径有好处，但过小容易在焊接过程中受污染和飞溅损伤。

2.2 工件状况

激光焊接要求对工件的边缘进行加工，装配有很高的精度，光斑与焊缝严格对中，而且工件原始装配精度和光斑对中情况在焊接过程中不能因焊接热变形而变化。这是因为激光光斑小，焊缝窄，一般不加填充金属，如装配不严间隙过大，光束能穿过间隙不能熔化母材，或者引起明显的咬边、凹陷，如光斑对缝的偏差稍大就有可能造成未熔合或未焊透。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。当焊缝较长时，焊前的准备难度很大，普通剪床一般不能满足要求．必须经过机械加工或用高精度剪床剪切，还必须根据具体工件情况设计合适的精密胎夹具。实际生产中，有时因不能满足

2参考郭亮的《华师-激光焊接2011》，本文多处引用自该课件，以下就不再列出

3本文2.3节将对此进行具体分析

4引用焊接资源网的《影响激光焊接质量的主要因素》

5参考白光的《扩展毫秒脉冲Y AG激光器焊接应用的潜力》

这些要求，而无法采用激光焊接技术。

2.3 激光功率密度和光束模式对焊接质量影响

激光功率密度是激光焊接的一个关键参数，对于同一种金属来说，激光功率密度不同时材料达到熔点和沸点的时间不同。

图2- 1 两种功率密度下同一金属表层及底层的温度与时间的关系从图2-1可见，激光功率密度越大其达到熔点和沸点的时间越快且表层底层间的时间差值越少。

又由于不同材料的热导率和热扩散率等不同。激光功率密度需根据材料本身的特性及焊接技术要求来选取。一般情况下，在薄板(板厚为0.01-0.10mm)焊接中，激光功率密度范围为F m＜F＜F c，在厚板(板厚大于0.50mm)焊接中，激光功率密度范围为F m＜F＜F v6。

同时，激光功率密度的大小对其熔深和焊接速度存在相当的影响。

6F

、F v和F m分别为熔点、沸点和临界激光功率密度

c

图2- 2 激光热导焊焊接不锈钢时功率与焊接速度、熔化深度的关系图2-2中1、2、3分别为1.0、3.0、10.0mm/s的焊接速度时熔化深度曲线。7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，焊接熔深减少。对于不同的激光功率密度，要到达要求的熔化深度需选择不同的焊接速度。

激光深熔焊的熔深和激光输出功率也密切相关，也是功率和光斑直径的函数。由于不同的材料都有一个临界功率密度阈值，只有激光的功率密度超过这个阈值，才能形成小孔，获得深熔焊接。适当降低焊接速度可加大熔深，但若焊接速度过低，熔深却不会再增加，反而使熔宽增大，所以对于给定的激光功率等条件，存在一维持熔深焊接的最小焊接速度。

图2- 3 激光束模式对激光焊接的影响

光束模式决定了聚焦焦点的能量分布，其对深熔焊有着重要的影响。如图2-38所示，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的光束对激光焊接质量的影响如图2-4所示，光束的K f值越大，质量就越差，焊缝的深宽比就越小。

7图2-2为陈家壁的《激光原理与应用》第178页图7-20

8图2-3、2-4来自王剑,刘玉麟的《CO_2激光深熔焊缝影响因素》