激光焊接工艺研究.doc

采用400WYAG 固体激光器对2Cr13 不锈钢进行了激光焊接工艺研究, 分析了脉宽、频率、电流、脉冲波形对其焊缝成型及表面质量的影响.结果表明, 脉宽增加,焊缝宽度、熔深增加,焊缝凹陷也增加;频率越高,焊缝宽度越窄, 熔深越浅; 电流增大, 熔深、焊缝宽度和焊缝凹陷也相应增加;电流逐渐增大的波形对金属熔化形成熔池具有缓冲作用, 焊缝凹陷较小;(200A×4ms+250A×2ms)×20Hz 的电源参数适合2mm 的2Cr13不锈钢板材的焊接.本文研究了超薄紫铜（0.1mm）的激光焊接采用正交设计试验对焊接工艺进行了优化；对焊缝进行了机械性能及金相组织分析研究结果表明：电流、脉宽、频率、离焦量对接头成形有很大影响当焊接电流大时，容易出现焊穿、咬边等缺陷；当脉宽过大时，激光所输出的热量不连续，就如同“海潮” 般不稳定；当频率过大时，激光输出能量的密度大，焊缝表面会出现波浪形状的一层一层的很密的“鱼磷”状的焊缝层；反之，当焊接电流、脉宽、频率较小时，在焊核表面容易出现未焊透的缺陷，接头强韧性较低；当焊接电流、脉宽、频率配合合理时，接头的强度和塑性分别达到母材的90％和85％关键词：激光焊接，紫铜，优化设计，力学性能，晶粒大小碳钢、普通合金钢、不锈钢、不同钢材之间的激光焊接、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、钛、镍、锡、铜、铝、铬、铌、金、银等多种金属及其合金，及钢、可伐合金等合金的同种材料间的焊接。

铜－镍、镍－钛、铜－钛、钛－钼、黄铜－铜、低碳钢－铜等多种异种金属间的焊接电池、首饰、电子元件、传感器、钟表、精密机械、通信、工艺品等行业激光焊接技术发表时间：2004-12-24 来源：中国机械网关键字：焊接信息化应用调查投稿加入收藏发表评论好文推荐打印文本激光焊与电子束焊有许多相似之处，但它不需要真空室，不产生 X 射线，更适合生产中推广应用激光焊接已成为高能束焊接技术发展的主流一、激光焊接的工艺特点 按焊接熔池形成的机理区分，激光焊接有两种基本模式：热导焊和深熔焊，前者所用激光功率密度较低（105～106W／cm2） ，工件吸收激光后，仅达到表面熔化，然后依靠热传导向工件内部传递热量形成熔池这种焊接模式熔深浅，深宽比较小后者激光动车密度高（106～107W／cm2） ，工件吸收激光后迅速熔化乃至气化，熔化的金属在蒸汽压力作用下形成小孔激光束可直照孔底，使小孔不断延伸，直至小孔内的蒸气压力与液体金属的表面张力和重力平衡为止小孔随着激光束沿焊接方向移动时，小孔前方熔化的金属绕过小孔流向后方，凝固后形成焊缝（图1） 这种焊接模式熔深大，深宽比也大在机械制造领域，除了那些微薄零件之外，一般应选用深馆焊。

深熔焊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并影响光束的聚焦效果、对焊接不利通常可辅加侧吹气驱除或削弱等离子体小孔的形成和等离子体效应，使焊接过程中伴随着具有特征的声、光和电荷产生，研究它们与焊接规范及焊缝质量之间的关系，和利用这些特征信号对激光焊接过程及质量进行监控，具有十分重要的理论意义和实用价值由于经聚焦后的激光束光斑小（0.1～0.3mm） ，功率密度高，比电弧焊（5×102～104W/cm2）高几个数量级，因而激光焊接具有传统焊接方法无法比拟的显著优点：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；焊接速度快，生产率高；具有高度柔性，易于实现自动化激光焊与电子束焊有许多相似之处，但它不需要真空室，不产生 X 射线，更适合生产中推广应用激光焊接实际上已取得了电子束焊接20年前的地位，成为高能束焊接技术发展的主流二、激光焊接设备 激光焊接设备主要由激光器、导光系统、焊接机和控制系统组成。

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 固体激光器两种两者优缺点比较如表1所示 激光器最重要的性能是输出功率和光束质量从这两方面考虑，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1.5～6kW范围，但现在世界上最大的 CO2激光器已达50kW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，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 YAG 激光器方面取得了突破性的进展，最大功率已达5kW，并已投入市场由于其波长短，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可以预料，大功率 YAG 激光焊接技术在今后一段时间内将获得迅速发展，成为 CO2激光焊接强有力的竞争对手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3．激光焊接机它的作用是实现光束与工件之间的相对运动，完成激光焊接，分焊接专机和通用焊接机两种后者常采用数控系统，有直角坐标二维、三维焊接机或关节型激光焊接机器人三、改善和发展激光焊接的新技术 以下几项技术有助扩展激光焊接的应用范围及提高激光焊接自动控制水平l. 填充焊丝激光焊激光焊接一般不填充焊丝，但对焊件装配间隙要求很高，实际生产中有时很难保证，限制了其应用范围采用填丝激光焊，可大大降低对装配间隙的要求例如板厚2mm 的铝合金板，如不采用填充焊丝，板材间隙必须为零才能获得良好的成形，如采用 φ1.6mm 的焊丝做为填充金属，即使间隙增至1.0mm，也可保证焊缝良好的成形 此外，填充焊丝还可以调整化学成分或进行厚板多层焊2. 光束旋转激光焊使激光束旋转进行焊接的方法，也可大大降低焊件装配以及光束对中的要求例如在2mm 厚高强合金钢板对接时，容许对缝装配间隙从0.14mm 增大到0.25mm；而对4mm 厚的板，则从0.23mm 增大到0.30mm光束中心与焊缝中心的对准允许误差从0.25mm 增加至0.5mm 3．激光焊接质量检测与控制利用等离子体的光、声、电荷信号对激光焊接过程进行检测，近年来已成为国内外研究的热点，少数研究成果已达到了闭环控制的程度。

图1是激光焊接质量检测和控制系统的实例该系统所用传感器及其功能简单介绍如下：（l）等离子体监测传感器1）等离子体光学传感器（PS）：它的作用是采集等离子体的特征光-紫外光信2）等离子体电荷传感器（PCS） ；利用喷嘴做探针检测由于等离子体带电粒子（正离子、电子）的不均匀扩散而在喷嘴和工件之间形成的电位差2）系统功能1）识别激光焊接过程属于何种方式稳定深熔焊过程，有等离子体，PS、PCS 信号均很强；稳定热导焊过程，不产生等离子体，PS、PCS 信号几乎等于零；模式不稳定焊过程，等离子体间断性地产生和消失，相应地 PS、PCS 信号间断性地上升和下降2）诊断传输到焊接区的激光功率是否正常当其他参数一定时，PS 和 PCS 信号的强弱与入射到焊接区的功率大小有对应关系因此，监视 PS 和 PCS 信号就可以知道导光系统是否正常，焊接区的功率是否发生了波动3）喷嘴高度自动跟踪 PCS 信号随喷嘴-工件距离的增加而减小利用这一规律进行闭环控制可以保证喷嘴-工作距离不变，实现高度方向的自动跟踪 4）焦点位置自动寻优和闭环控制在深熔焊范围内，光束焦点位置发生波动时，PS接收到的等离子体光信号亦随之变化，以最佳焦点位置处（此对小孔最深）PS 信号最小。

依据所发现的这个规律，可以实现焦点位置自动寻优与闭环控制，使焦点位置波动小于0.2mm，熔深波动小于0.05mm责任编辑：林卿。