脉冲激光焊

1、脉冲激光焊摘要：在机械加工领域，随着激光焊成本的降低和性能的提升，激光焊的应用越来越广。激光焊是唯 一的一种非接触焊接方法，整个焊接过程不会受到焊接材料电和磁效应的影响。激光焊分为脉冲激光 焊和连续激光焊，脉冲激光焊类似于电阻点焊，而连续激光焊类似于弧焊。连续激光焊在大型结构件 焊接领域应用广泛，而脉冲激光焊则适用于一些小件的焊接，比如心脏起搏器、微波炉外壳、电池和 传感器。激光器工作在脉冲模式下也可以用于缝焊，重叠的脉冲能够达到气密密封的效果。激光脉冲的很多特性可以充分发挥激光焊接的优点。本文将全方位的讨论激光脉冲，包括初始 耦合、焊缝熔合和冷却。结合这些特性的研究，我们可以有效地控制焊缝熔深、焊缝尺寸、焊接方式 （传导或深熔）、残余应力以及气孔裂纹等缺陷。关键字：脉冲激光焊，耦合，熔合，冷却速率，残余应力，裂纹，气孔1前言激光束的许多属性使其适合于激光焊接。激光单色性好、准直性高，可以聚集形成 一个非常小的光点，其中光子密度可以高到在毫秒时间内熔化金属和合金。激光波长由 光源决定，最常用于脉冲激光焊的是Nd： YAG激光，其波长为1.064um，可以通过光 纤进行传输。光纤激光器是

2、新一代激光器，它可以产生和YAG激光器相同波长的激光 束，不过激光束是由光纤本身产生的。光纤激光器的优点是：光束质量好，工作距离（透 镜和工件之间的距离）长。与普通工作距离为2英寸的YAG激光器相比，光纤激光器 工作距离为10英寸。市场上常见的另外一种激光器是CO2激光器，产生光束波长为 10.64um，不过CO2激光器常用于连续焊而不是脉冲焊。激光束可以在空气和真空中传播，能量损失小。在其应用中，整个激光传输设备包 括激光头和光纤，它们安装在一个手套箱里，必要在进行Ti焊接时，可以避免工件氧 化和受潮。如果必要的话，这种工作环境可以限制在更狭小的空间里，激光能量是通过 石英窗传递的。激光焊并不需要待焊工件导电，而电阻焊、弧焊和电子束焊则要求待焊工件必须在 导电情况下进行焊接，因此，激光焊适合焊接所有类型的材料，包括：金属，陶瓷/玻 璃，以及塑料。金属焊接时，所有的激光能量被金属表面吸收，而在焊接玻璃时，一部 分是被玻璃表面吸收，其余部分是被玻璃主体吸收。塑料焊接是通过促进激光能量在工 件界面的吸收，或者通过在两个工件之间使用吸收层或对工件之一进行着色达到优先吸 收来进行焊接的。也许促

3、进激光焊应用拓宽的最重要的方面是采用激光点焊。激光束聚集形成光点，可以在毫秒 时间内加热、熔化和凝固金属，对材料和零件其他部分影响小。因此激光点焊在机械制造的各个领域 中应用不断增加，包括：医疗设备，传感器，电池和微波炉外壳。随着应用的增加，激光器功率控制 能力也有了显著提升，包括闭环反馈和脉冲整形。随着脉冲激光焊在新的独特领域中的推广应用，对 激光脉冲和其对待焊工件的影响的研究分析日益重要。本文分析了激光脉冲的结构，分析了它对焊缝 尺寸、形状、残余应力和缺陷的影响。2激光脉冲工作过程剖析激光脉冲工作过程可以分为三部分：耦合，熔合和冷却。尽管每一部分的工作时间 都在毫秒级，并且每一部分的功能都和其他部分的熔合在一起，但是对三部分功能的理 解允许使用者仔细调整脉冲以产生预期效果。耦合脉冲的典型形状如图1所示。图1激光脉冲焊接讨程（耦合、熔合和冷却）2.1耦合对激光束来说,金属和合金不是透明的，打在金属表面的光子不是被吸收就是被反 射。在室温情况下，大多数的金属和合金对激光束具有很高的反射性。图2所示为一些 典型的金属在室温情况下反射率关于激光频率的函数11因此大部分一开始击中焊缝区 域的

4、光子从工件表面被反射回来。少数被吸收的光子的能量转化为热量，提高了金属表 面的局部温度。随着温度的升高，焊缝表面光子吸收率增加，随后更多的光子被吸收。 吸收率随着温度的提升引起了一连串反应，短时间内几乎所有照射到焊缝表面的光子都 被吸收，使得焊接区域达到熔点（如图3所示）。这种从最开始室温下光子反射到熔融 状态大量光子被吸收的转变过程称之为耦合。相00.244 0.5 1.0图2室温条件下金属对激光能量的吸收图3光吸收率随温度的变化曲线耦合有很多影响因素。耦合可以通过光子密度加速；起始脉冲峰值功率越高，耦合速率越快， 因而耦合时间越短。耦合也受工件表面条件的影响，表面条件可以影响吸收率。氧化物是激光能量更 好的吸收体，因此一层薄薄的氧化层有助于激光焊。粗糙表面相比于光滑表面，耦合更强；在焊接区 域可以通过蚀刻、机械加工或者冲压有意产生粗糙表面。激光束可以较暗的颜色更好的吸收，因此在 工件表面以铅笔划线的方式涂一层石墨可以提升激光束在室温高反射率材料表面的耦合。耦合也受焊 缝几何形状的影响，对接焊缝结构由于具有一个细小的缝隙，可以显著提升耦合效果，因为激光束被 强迫进入缝隙，从而产生多重

5、吸收。2.2熔合耦合过程一旦形成，脉冲焊的下一个阶段就是建立焊缝熔合区。如果功率密度较低，光 子仅会被表面吸收，产生的热量通过传导进入金属内部，这种焊接称之为热传导焊2 如图4所示。熔合区的金属一旦熔化，一些热量就会通过对流的方式传递到金属内部，图4热传导焊和匙孔焊截面（热传导焊宽而浅，缩孔焊窄而深）图5激光焊横截面功率密度较高时，由于高压等离子体，熔融金属被挖开形成匙孔（图4）。匙孔的 形成允许激光束进入金属的深度更深。此时光子是在金属表面以下吸收，并具有多重反 射机会，从而进一步增加有效吸收。深熔焊时，焊缝熔深呈锥形，并具有更大的深宽比。 脉冲焊时，在焊接脉冲在每一个脉冲结束关闭的时候，匙孔就会开启。焊接结束时，熔 融金属冷却凝固，导致在匙孔根部高压等离子体残留，引起小孔，如图5（B）所示。在脉冲焊的第二阶段，控制焊接温度非常重要，在确保能量供应的同时，又要避免 焊缝过热。加热速度过快，焊缝金属会被抛出熔合区，形成飞溅。焊接温度的控制对高 熔点合金，例如不锈钢，来说是非常简单的，因为高熔点合金对YAG激光光子的吸收 很强。铝合金由于其反射率高，熔点低，熔化温度区间窄，要控制温度又避

6、免过热就比 较困难。由于典型的脉冲激光焊持续时间短，为l-10ms范围内，直接测量焊接温度比 较困难，因此不得不基于焊接效果对焊接温度进行评估。2.3冷却在第二阶段形成的熔融金属被大量固态金属包围，如果在焊缝熔合区形成后突然停止发射激光 脉冲，焊缝将会迅速冷却。实际上，激光脉冲点焊是几种冷却速率最快的焊接方法之一，仅次于电阻 点焊。这么快的冷却速率会导致很多问题，包括残留气孔，残余应力高，裂纹以及焊缝金属硬度过高。 其中一些问题可以通过降低冷却速率来减少。3. 焊缝尺寸和形状激光脉冲期间产生的焊缝熔合区的尺寸和形状取决于输入功率密度（峰值功率和光 斑尺寸），热扩散率，以及焊接持续时间。焊接持续时间短，峰值功率高，焊缝较深， 但会产生大量飞溅。焊接持续长，峰值功率低，焊缝较浅，飞溅小。焊缝尺寸（以焊缝 表面上测得的焊点直径来表征）会一直变大，直到吸收的热量和散发的热量达到一个稳 定的平衡状态3。焊缝熔深（以测得的焊接深度来表征），与峰值功率相关，会迅速的 达到稳定状态（如图6所示）。异种材料焊接时，焊接熔池可能是不对称的，可能是由 于热扩散率或者吸收率不同引起的，如图5（C）和5（D）所

7、示。4. 焊接气孔和飞溅可以通过改变脉冲形状来控制一些常见的焊接缺陷，如飞溅、气孔和裂纹，。焊接飞溅是指从 熔合区抛出的熔融液滴，其可以通过降低峰值功率和焊接温度来控制。但是控制这些参数也会较少熔 深。激光焊气孔的形成有多种原因。第一，焊接脉冲结束时，匙孔收拢较快。可以延长冷却时间，以 使气孔溢出到表面，但是气孔能否完全溢出取决于焊缝的深度。当污染物蒸发释放气体也会形成气孔， 为了避免这样的气孔，可以采用较长的温度爬坡时间，在熔合区形成之前，烧掉这样的污染物。如果 必要的话，也可以采用一个低能量的预脉冲。第二，低蒸气压材料的气化形成气孔，比如锌在镀锌和 合金化热镀锌钢的气化。单独的控制脉冲波形很难去除这类气孔，最好是在焊接前去除镀锌层。气化 后形成的气体在熔融金属中具有高溶解度，但在固态金属中溶解性差，因此就会产生气孔。比如当熔 融铝凝固时，氢气体就会释放形成气孔。氢气孔产生的原因是表面氧化层中含有水分，或者保护气体 中含有水蒸气。5. 焊接裂纹在焊接过程中形成裂纹有三个主要原因：已经存在微观缺陷；残余应力；材料为脆 性材料。微观缺陷存在于几乎所有的焊缝中，并且很难避免。另外，焊接结构

8、中也存在 几何缺陷，引起应力集中，进而产生裂纹。高应力状态几乎存在所有的焊缝中，特别是 冷却速率最高的焊接方法之一的点焊。此类应力，特别是在脆性材料，如高碳钢，容易 形成裂纹。三维熔融金属中多轴向快速冷却通常会产生非常高的应力，即使在延展性很 强的金属中，如铝合金，也会产生冷却裂纹。冷却应力可以通过在焊接熔合阶段后加入 一个较长的冷却过程来减少。缓冷可以减少硬化钢中的马氏体数。冷却应力产生的裂纹 如图7所示，在焊缝界面出现了穿晶。焊接应力并不是形成裂纹的唯一原因，冶金问题 以及由于零件设计和夹具对焊缝的过渡约束也会产生裂纹。&结论激光焊是一种非接触自动焊接过程，特别适合于点焊。用于激光焊的激光脉冲可以分为几个阶 段，即连接、熔合和冷却。为了得到没有任何缺陷的焊缝，深入了解每个阶段对焊缝的影响进行极其 重要。参考文献1. Ready, J. F., Industrial Applications of Lasers, New York, Academic Press, 1978.2. Steen, W. M., Laser Material Processing, New York, Springer, 2003.3. Duley, W.W, Laser Welding, New York, John Wiley & Sons, 1998.

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