脉冲Nd：YAG激光工艺参数对薄板焊缝成形性的影响

脉冲Nd:YAG激光工艺参数对薄板焊缝成形性的影响 洪永昌1 孙希庆1 张武2 (1安徽工业大学材料科学与工程学院，安徽 马鞍山 243002；2马钢技术中心，安徽 马鞍山，243000)

摘 要：目前焊接工业最常用的激光器是CO2激光器和Nd:YAG激光器，大部分金属对Nd:YAG激光的反射率

小，而且其产生的激光可以采用光纤进行传输，易于实现加工过程的自动化，因此Nd:YAG激光器在焊接加工业中的应用会越来越广泛。本文就脉冲Nd:YAG激光焊接工艺参数（激光功率、焊接速度、脉冲频率、脉冲宽度、离焦量、保护气体）对焊缝成形性的影响规律进行了系统的阐述。 关键词：脉冲Nd:YAG激光；工艺参数；焊缝成形性

Influence of Pulsed Nd:YAG Laser Welding Parameters on Formation of Welds Hong Yongchang1 Sun Xiqing1 Zhang Wu2 (1School of Material Science & Engineering, Anhui University of Technology, Ma'anshan 243002;Anhui China;

2Technical Center of Ma'anshan Iron & Steel Company; Ma'anshan 243000; Anhui China )

Abstract: At present, CO

2 laser and Nd:YAG laser are the most used in industrial welding. The majority of metal

have small reflectivity on the Nd:YAG laser, and the laser beam can be transmitted by optical fiber, and it is easy to implement automatic welding. So the Nd:YAG laser will become more and more widely used in the processing industry. Influence of pulsed Nd:YAG laser welding parameters (laser power, welding speed, pulse frequency, pulse width, defocusing amount , protective gas) on formation of welds has been described in this paper. Key words: Pulsed Nd:YAG Laser; welding parameters; formation of welds

1前言 激光焊接具有焊接速度快、热影响区小、焊接应力和变形小、焊缝组织均匀、晶粒细小、气孔少、夹杂缺陷少等优点，因此其焊接质量比传统焊接方法高[1]。激光焊接技术已经在航

空航天、武器制造、船舶制造、汽车制造、压力容器制造、民用及医用等多个领域中被广泛应用[2]。在焊接加工中，最常用的激光器是CO2激光器和Nd:YAG激光器，CO2激光产生的光

束为远红外光，波长为10. 6μm，大部分金属对这种光的反射率达到80% ～90%[3]；而Nd:YAG

激光产生的光束为近红外光，波长为1.06μm，比CO2 激光小一个数量级，因而大部分金属对

它的反射率为20% ～30%，所以在获得相同熔深的情况下，Nd:YAG激光所用功率比CO2激

光小。 Nd:YAG激光器所占的空间较小，设备维护简单，脉冲峰值功率可以达到比最大平均功率高30倍以上[4]，因此中低功率的激光器也能产生很高的峰值能量，能够满足深熔焊的要求。

另外，Nd:YAG激光可以采用光纤进行传输，可以实现长距离，难焊部位的焊接，而且易于实现加工过程的自动化。由此可见，Nd:YAG激光器在焊接加工业中的应用会越来越广泛。但YAG脉冲激光在焊接过程中由于焊接工艺控制因素较多,稳定的焊接质量对工艺规范要求极为严格[5]。特别是对于薄板材料的对接焊，由于材料本身薄，表面大量汽化可能会使焊点

成孔，甚至形成烧穿[6]。因此，选择合适的工艺参数便成薄板材料激光焊接的关键之所在。

系统掌握脉冲Nd:YAG激光焊接的工艺参数对薄板焊缝成形性的影响规律，便可以实现快速高效高质量的薄板激光焊接。

2工艺参数对成形性的影响 脉冲Nd:YAG激光焊接时，对焊缝成形性产生主要影响的工艺参数有激光功率、焊接速度、脉冲频率、脉冲宽度，另外，离焦量、保护气体等也会对焊缝成形性产生一定的影响。下面分别介绍一下这些脉冲激光工艺参数对薄板焊缝成形性的影响规律。为以后进行薄板脉冲激光焊接时提供参考依据。 2.1激光功率 脉冲激光焊接过程中测得的功率为激光的平均功率，其脉冲峰值功率可以达到比最大平均功率高30倍以上的水平。激光功率是影响焊接质量的主要因素之一，激光峰值功率与光斑面积之比即功率密度的大小，决定了激光焊接的模式是热传导焊接（conduction welding）还是深熔焊接（keyhole welding）[7]。当功率密度小于106W/cm2时，焊接过程主要为热传导焊，

金属对激光的吸收主要取决于激光波长和材料的热物理特性等因素；当功率密度大于106W/cm2时，材料表面发生汽化，材料表面附近的汽化物微弱地电离形成等离子体，其吸收

率主要取决于等离子体与激光的相互作用和小孔效应等因素。薄板的激光焊接模式一般都是热传导焊。 在其他参数不变的情况下，激光功率对焊缝成形性的影响规律，研究者们的结论都是一致的，即随着激光功率的增加，焊缝的熔深和深宽比均增大。另外，YOUNG-TAE YOO[8]等

在研究45号钢的激光焊接性时，得出了更加细致的结论，结果如图1所示。当激光功率小于1320W时，熔深的增加速度小于熔宽的增加速度，而当激光功率大于1320W时，熔深的增加速度开始大于熔宽的增加速度，这是因为小孔现象的存在，在此功率条件下，焊接熔池开始形成小孔。当激光功率大于1500W时，焊缝的深宽比开始大于1.0。

图1 激光功率对焊缝熔深和深宽比的影响 Figure.1 Influence of laser power on the depth of penetration and aspect ratio 2.2焊接速度 在其它工艺参数不变的条件下，焊接速度是影响焊缝熔池形状及焊接质量的重要工艺参数。焊接速度不同，熔池中心及边缘温度梯度、液态金属的散热情况、熔深熔宽、熔池形状不同。随着焊接速度的增加，熔池流动方式和尺寸将会改变，焊缝宽度变窄。低速下熔池大而宽，且易产生下塌，高速焊接时匙孔尾部原朝向焊缝中心强烈流动的液态金属由于来不及重新分布，便在焊缝两侧凝固形成咬边缺陷。 王丽风[9]等对1Cr18Ni9Ti进行激光焊接，得到焊接速度与熔深的关系如图2所示。可以看

出，焊接熔深几乎与焊接速度成反比，焊接速度过快，难以形成“小孔效应”，而过低的焊速会使材料过度熔化和烧损，所以焊接时应合理选择焊接速度。 另外，耿平[10]等在研究18-8型奥氏体不锈钢脉冲Nd:YAG激光焊接时发现，当焊接速度

减小时，焊缝表面也在变暗，且出现了蓝色的氧化物层。这是因为焊接速度慢时，焊缝单位距离上吸收的热量更多，氧化加重，纹理更致密且汽化凝结的金属可以覆盖在焊缝处。虽然焊速低可以使得熔池加深，但是实际应用中发现当焊速过低时很容易造成工件被焊穿，所以焊接速度并不是越低越好。大量实验研究发现，对于厚度为1.1mm左右的不锈钢薄板合适的焊接速度不高于2mm/s。 2.3脉冲频率 脉冲激光焊对频率选择的原则是保证焊缝宏观和微观上的连续性。脉冲频率、平均焊点直径和焊接速度必须相互匹配，才能达到所需的重叠度。在其它参数不变的情况下，如果激光频率过低，易造成焊缝在微观上熔池不搭接，从而使形成的焊缝搭接率很低，焊缝的搭接率可以用重叠度系数K来表示。重叠系数定义为相邻两个激光焊点的步进距离和焊点直径差

值与焊点直径的比值[11]，DSK−=1，其中fVS=，则fDVK−=1

式中K表示重叠系数，S表示相邻两个焊点的步进距离，D表示焊点直径(缝宽)，V表示焊接速度，f表示激光脉冲频率。 由此可见，在其它参数不变的条件下，随着脉冲频率的增加，重叠系数增大，即形成焊缝的搭接率升高。当频率增加到一定数值，脉冲激光焊接趋向于连续激光焊接。 进行薄板脉冲激光焊接时，采用较大激光频率容易产生烧穿现象[12]。当焊接速度一定时，

频率越大，单位长度焊缝内获得的热量越多，而且相邻脉冲之间的时间间隔越短，上一脉冲的能量还未来得及散失就立即受到下一脉冲的加热作用，因此能量聚集现象严重，导致烧穿发生的几率随之增加。 另外，莫仲海[13]等做了激光焊接过程中气孔率随激光工艺参数变化的研究，结果如图3

所示，发现气孔率随着脉冲频率的增大而减小。当脉冲频率较低时，气孔较多，并有不少较大气孔，气孔率较高。当脉冲频率达到25 Hz 时，气孔率减少到较低水平，并在35Hz 时达到最小值(0.47%)，此时能较好的抑制气孔的产生。

图2 焊接速度对熔深的影响 图3 脉冲频率与气孔率的关系 Fig.2 Influence of weld speed on the depth Fig.3 The relation between pulse frequency of penetration and porosity ratio 2.4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。脉冲激光焊接实验功率密度为[14]：

24sp

EP

dtπ=

式中PS 为激光功率密度(W/ cm2 )，E 为单脉冲能量(J) ，d 为光斑直径(cm) ，

tP 为脉宽(s) 。

由此式可见，增大脉冲宽度会导致激光功率密度的降低。随着脉宽增大，热影响区明显变大，这是由于增大脉宽虽然降低了功率密度但却延长了加热时间。在脉冲激光焊接过程中，应该充分考虑脉冲宽度对焊缝热影响区宽度的影响，研究发现钢的脉冲激光焊接时最佳脉冲