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聊聊激光焊接加工的注意事项

聊聊激光焊接加工的注意事项

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  • 发布时间：2022-06-09
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【概要描述】　　激光焊接加工设备一般需求注意到一下几点：为了保证激光焊接加工设备一向处于正常的作业状况，接连作业二周后或停止使用一段时间时，在开机前先应对YAG棒、介质膜片及镜头维护玻璃等光路中的组件进行检查，确认各光学组件没有尘埃污染、霉变等异常现象，如有上述现象应及时进行处理，保证各光学组件不会在强激光照射下损坏。

聊聊激光焊接加工的注意事项

【概要描述】　　激光焊接加工设备一般需求注意到一下几点：为了保证激光焊接加工设备一向处于正常的作业状况，接连作业二周后或停止使用一段时间时，在开机前先应对YAG棒、介质膜片及镜头维护玻璃等光路中的组件进行检查，确认各光学组件没有尘埃污染、霉变等异常现象，如有上述现象应及时进行处理，保证各光学组件不会在强激光照射下损坏。

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　　激光焊接加工设备一般需求注意到一下几点：为了保证激光焊接加工设备一向处于正常的作业状况，接连作业二周后或停止使用一段时间时，在开机前先应对YAG棒、介质膜片及镜头维护玻璃等光路中的组件进行检查，确认各光学组件没有尘埃污染、霉变等异常现象，如有上述现象应及时进行处理，保证各光学组件不会在强激光照射下损坏。

 

　　冷却水的纯度是保证激光输出功率及激光器聚光腔组件寿数的要害，使用中应每周检查1次内循环水的电导率。及时注意观察冷却系统中离子交换柱的颜色改动，一旦发现交换柱中树脂的颜色变为深褐色乃至黑色，应及时替换树脂。

　　了可以归纳评价激光功率、焊接速度、激光辐照面积（离焦量）以及焦点规范等焊接规范参数对焊缝熔深的影响，引进焊接体能量的概念，并将它定义。从焊接体能量的定义中可以看出，它的物理意义为单位时间内的激光功率密度或单位面积内的焊接线能量，其单位为J·m-3,不同于电弧焊中焊接线能量和热输入的物理意义和单位J·m-1.

　　从焊接加工设备焊接体能量的定义可以看出，它可由激光功率、焊接速度、及离焦量及激光束焦点半径核算得出。它随激光功率、焊接速度和离焦量等焊接规范参数的改动。从让的定义可以看出，让与激光功率成正比联络，与焊接速度成反比联络，与焦点规范成平方联络，而与离焦量成指数联络。它的改动可以表现激光功率、焊接速度、离焦量等焊接规范参数的改动。

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前言：激光焊接可以采用连续或脉冲激光束加以实现。激光焊接的原理可分为热传导型焊接和激光深熔焊接，功率密度小于104~105W/cm2为热传导焊，此时熔深浅、焊接速度慢；功率密度大于105~107W/cm2时，金属表面在受热的作用下凹成“孔穴”，形成深熔焊，具有焊接速度快、深宽比大的特点。 一、激光焊接原理 ①热传导型激光焊接原理：激光辐射加热待加工表面，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、峰功率和重复频率等激光参数，使工件熔化，形成特定的熔池。通常用于齿轮焊接和冶金薄板的激光焊接，主要涉及激光深熔焊接。 ②激光深熔焊接原理：激光深熔焊接一般采用连续激光光束来完成材料的连接，其冶金物理过程与电子束焊接极为相似，即能量转换机制是通过“小孔”（Key-hole）结构来完成的。在足够高的功率密度激光照射下，材料产生蒸发并形成小孔，这个充满蒸气的小孔犹如一个黑体，几乎吸收全部的入射光束能量，孔腔内平衡温度达2500℃左右，热量从这个高温孔腔外壁传递出来，使包围着这个孔腔四周的金属熔化。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，液态金属四周包围着固体材料，而在大多数常规焊接过程和激光传导焊接中，能量首先沉积于工件表面，然后靠传递输送到内部?？妆谕庖禾辶鞫捅诓惚砻嬲帕τ肟浊荒诹恼羝沽ο喑植⒈３肿哦胶?，光束不断进入小孔，小孔外的材料在连续流动，随着光束移动，小孔始终处于流动的稳定状态。 ? ? ? ?也就是说，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，熔融金属充填着小孔移开后留下的空隙并随之冷凝，由此形成焊缝，焊接速度易达到每分钟数米。 二、激光深熔焊接的主要工艺参数 ①激光功率。在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，即焊接以稳定热传导型进行。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，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，它决定者激光功率密度。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?？梢圆捎帽砻嫱坎慊虮砻嫔裳趸さ姆椒?，可以有效提高材料对光束的吸收。 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，速度过低又会导致材料过度熔化、工件焊穿。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。 ⑤?；て?。激光焊接过程常使用惰性气体来?；と鄢?。某些材料焊接在可不计较表面氧化的情况下，可不考虑?；?，但对大多数应用场合则常使用氦、氩、氮等气体作?；?，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，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?；て?，可最大程度地抑制等离子体，从而增加熔深，提高焊接速度，这是激光焊接时使用最有效的?；て?，但价格比较贵。 氩气：比较便宜，密度较大，?；ばЧ虾?。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?；さ暮讣砻嬉仁褂煤て；な崩吹霉饣?。? 氮气：作为?；て遄畋阋?，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。 　　?；て宓牡诙鲎饔檬潜；ぞ劢雇妇得馐芙鹗粽羝廴竞鸵禾迦鄣蔚慕ι?。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?；ね妇翟蚋匾?。 ? ? ? ??；て宓牡谌鲎饔檬悄芄挥行帘吻⒏吖β始す夂附硬牡壤胱?。金属蒸气吸收激光束电离成等离子云，金属蒸气周围的?；て逡不嵋蚴苋榷缋?。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。 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。焦距长短往往影响着焦深，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。 　　当激光功率超过2000W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，采用抛光铜镜作反射镜，能有效冷却，常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。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。 三、激光深熔焊特征及优、缺点 （1）激光深熔焊的特征 1、具有高的深宽比。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，焊缝逐渐变成深而窄； 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??； 2、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。焊后高的冷却速度易使焊缝组织细微化； 3、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； 4、能够精确控制。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可焊接复杂工件； 5、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。 （2）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、光束容易传输和控制，不需要经常更换焊枪、喷嘴，没有电子束焊接所需的抽真空，显著减少?；ㄖ奔?，有荷系数和生产效率高； 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。激光焊接运转费用较低，可降低工件加工成本； 5、能够有效控制光束强度和精细定位，容易实现自动化操作。 （3）激光深熔焊的缺点 1、焊接深度有限； 2、件装配要求高； 3、激光系统一次性投资较高。 ? ?
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