影响激光焊接加工的几个主要参数

《机电技术》２００８年第１期　焊接技术　影响激光焊接加工的几个主要参数　程隆双　冯薇　（１＿集荧火学工程训练中心２．集美大学机械工程学院，福建厦门３６１０２１）　摘要：激光焊接是一种先进的非接触焊接技术，焊接形态稳定。通过应用研究，发现为了提高焊接质量，只要结　合焊接材料的特性，控制激光脉冲的宽度、能量、峰值功率和重复频率等参数，就能使工件焊接处充分熔化，达到焊接　要求的同时实施激光焊接。这有利于促进激光焊接技术的广泛应用。　关键词：激光焊接脉冲材料焊接特性　中图分类号：ＴＧ４５６．７文献标识码：Ａ文章编号：　１引言　近２０年来中国在改革开放和迅速发展中，不　断地推动高科技的研发和应刚。激光加：［技术进　步显著，各种激光系统、设备已经进入各个工业　领域。激光加工技术是利用激光束与物质的相互　作用的特性，对金属和非金属进行各种加工，从　２Ｏ世纪９０年代中期开始，激光焊接的优点日益凸　显出米，成为专门焊接精密敏感的、　Ｌ何形状复　杂的或是特殊要求工件的方法。使Ｊ＝｝ｌ激光焊接可　不必像电子束那样必须在真空中进行，因而可简　化工序和降低成本。激光焊接过程中，掌握妤一　些变化规律，就可以根据对焊缝组织的不同要求　来调摧焊缝，通过控制激光焊接条件可以获得最　佳的焊缝性能。　２激光焊接加工参数　激光焊接参数是决定焊接能力的重要因素，　直接影响焊接质量。只要控制好主要参数，即能　有效采用高激光焊接加工技术。　２．１激光输出功率　工件表面某点吸收能量的多少由激光输出功　率和激光辐照时间共同决定。在其他参数都相同　的条件下（如能量分布，焦点位置等），增加激光输　出功率可提高焊接速度、增大焊接熔深。焊接碳　钢时输出功率对熔深及焊接速度的影响如图ｌ所　示。焊接熔深直接与光束功率密度有关，对一定　直径的激光束，熔深随着光束功率提高而增加。　无论对连续激光还是脉冲激光，激光功率越大，　则工件所能吸收的能量值越高，材料所能达到的　温度就越高。随着聚焦透镜焦长变化，功率会由　此改变。　、　

１６７２—４８Ｏ１（２００８）０１－５８—０３　５８　图１功率对熔深及焊接速度的影响　２．２激光脉冲波形　激光脉冲波形在脉冲激光焊接中是一个重要　问题，尤其对于薄片焊接。当高强度激光束射入　材料表面，会将６０＂－９８％的激光能量反射而损失　掉，尤其是金、银、铜、铝、钛等材料反射强、　传热快。一个激光脉冲讯号过程中，金属的反射　率随时间而变化。当材料表面温度升高到熔点时，　反射率会迅速下降，当表面处于熔化状态时，反　射稳定于某一值。对于波长１．０６４　ｍ的激光束，　大多数材料初始反射率较高，因此常采用带有前　置尖峰的激光输出波形，利　开始出现的尖峰迅　速改变表面状态，使其温度上升至熔点，从而使　材料表面反射率较低。对于钢及类似等黑金属，　其表面反射率比有色金属低，宜采用平坦的激光　波形。在实际焊接中可针对不同材料的焊接特性，　灵活调整脉冲波形。如对于易脆材料可以采用能　量缓慢降低的脉冲波形，减慢冷淬速度。　２．３激光脉冲宽度　脉宽由熔深与热影响分区确定，脉宽越长热　影响区越大，熔深是随脉宽的１／２次方增加。但　脉冲宽度的增大会降低峰值功率，因此增加脉冲　

维普资讯 http://www.cqvip.com 维普资讯 http://www.cqvip.com 《机电技术》２００８年第ｌ期　焊接技术　３常见金属材料的激光焊接特性　激光焊接适用于多种材料的焊接。激光的高　功率密度及高焊接速度，使得激光焊缝、热影响　区都很小。掌握好一些变化规律，就可以根据对　焊缝组织的不同要求米调整焊缝的化学成分，通　过控制焊接条件可以获得最佳的焊缝性能。　３．１碳钢　低碳钢利低合金钢都具有较好的焊接性，但　是采刚激光焊接时，材料的含碳量（碳当量Ｃｒ）　不应高于０．２５％。碳当茸计算公式：　Ｃ（・＝Ｃ％＋Ｍｎ／６％＋Ｎｉ／１５％＋Ｃｒ／１３％＋Ｃｕ／１３％＋Ｍｏ／４％　对于碳当量超过０．３％的材料，焊接冷裂纹倾　向会加大，设计中考虑剑焊缝的一定收缩茸，有利　于降低焊缝利热影响区的残余应力和裂纹倾向。碳　当量大　０．３％的材料和碳当量小于０．３％的材料　在一起焊接时，采川偏置焊缝形式有利于限制马氏　体的转变，减少裂纹的产生。材料碳当量超过０．３％　时，减小淬火速度也可以减小裂纹倾向。　镀锌钢，因为锌的汽化温度（９０３℃）比钢的　熔点（１５３５℃）低的多，在焊接过程中锌蒸发，　使焊缝产生严重的气孔，冈此难采川激光焊接，　特别是穿透焊接，现在有实验采川在上下材料间　设置０．１ｍｍ的间隙，从间隙中放走锌蒸气，但在　实际生产中间隙的操作比较困难。　硫利磷含量对焊接裂纹有一定影响，含硫鼙　高于０．０４％或含磷量高于０．０４％的钢激光焊接时　容易产生裂纹。　表面经过渗碳处理的钢由于其表面的含碳量　较高，极易在渗碳层产生凝同裂纹和收拾裂纹，　通常不适川激光焊接。　３．２不锈钢　奥氏体不锈钢的导热系数只有碳钢的１／３，吸　收率比碳钢高。因此，奥氏体不锈钢可获得比普　通碳钢深一点的焊接熔深（深５％－１０％）。激光焊　接热输入量小、焊接速度高，非常适合于Ｎｉ－Ｃｒ　系列不锈钢的焊接。　马氏体不锈钢的焊接性差，焊接接头通常硬　而脆，并有冷裂纹倾向。在焊接含碳量大于０．１　％的不锈钢时，预热和同火可以降低冷裂纹和脆　参考文献：　裂倾向。　铁索体不锈钢，激光焊接通常比其他焊接方　法容易焊接。　３．３铜、铝及其合金　紫铜对Ｃ０ｚ激光的反射率很高，但对Ｎｄ：ＹＡＧ　激光的反射率则很低，所以用激光焊接紫铜还是　有可能的。另外，可以通过表面处理米提高材料　对激光的吸收。　黄铜的不可焊性是因为其中锌的含量超出了　激光焊接允许的范围。锌有相对较低的熔点，容　易汽化，会导致人量的焊接缺陷如气孔。　由于铝合金的反射较高和导热系数很高。铝　合金的激光焊接需要相对较高的能量密度。但是，　许多锅合金中含有易挥发的元素，如硅、镁等，　焊缝中都有很多气孔。而激光焊接纯锅时不存在　以上问题。现阶段一般采用高能量，大脉宽，表　面去除氧化，氨气充分保护等措施焊接时，效果　可以。另外，现在采用复合焊接的方式焊接锅合　金。刚８ＫＷ的激光功率焊接厚度为１２．７ｍｍ的铝合　金材料，焊透率大约为１．５ｍｍ／ｋＷ。　３．４钛及其合金　钛合金密度小、具有比强度高、耐高温、耐　腐蚀等优良性质。钛和钛合金很适合激光焊接，　可获得高质量、塑性好的焊接接头。但是钛对氧　化很敏感，必须在惰性气氛中进行焊接。所以要　特别注意接头　清沽和气体保护问题。钛及钛合　金对热裂纹是不敏感的，但是焊接时会在热影响　区出现延迟裂纹，氢是引起这种裂纹的主要原因。　防＿Ｉ＿卜这种裂纹的办法，主要是减少焊接头的氢来　源，必要时可进行真空退火处理，以减少焊接接　头的含氢量。钛合金激光焊接时，焊接速度一般　较高（８０～１００ｍ／ｈ），焊透率大约为ｌｍｍ／ｋＷ。　４结束语　激光加　ｒ是一门２１世纪发展极快的新制造技　术，必将对我国传统工业的技术改造，新兴：Ｉ一：业领　域以及制造业的现代化提供先进的技术装备。在现　有的激光焊接技术的基础上我们还应该在传统　＿【艺　上进行改造更新，使激光焊接可以发挥出更好的优　势，激光焊接技术必将获得愈来愈广泛的应用。　

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维普资讯 http://www.cqvip.com 焊接技术　《机电技术》２００８年第ｌ期　［５］张赵林．激光焊接铝合金的研究［Ｊ］．中困激光．１９９８．　［６］李力均．现代激光加工及改各［Ｍ］．北京理工人学ＩＪＩ版社．１９９３．１．　

作者简介：程隆双（１９７８年～），女，助理实验师，主要从事：机械加工、特种加工的研究和实验教学。　

（上接第４４页）　参考文献：　［１］Ｂｒｉｎｋｓｍｅｉｅｒ　Ｅ，Ｂｒｏｃｋｈｏｆｆ　Ｔ．Ｒａｎｄｓｃｈｉｃｈｔ—Ｗａｒｍｅｂｅｈａｎｄｌｕｎｇ　ｄｕｒｓｈ　Ｓｃｈｌｅｉｆｅｎ［Ｊ］．ＨＴＭ。１９９４，４９（５）：３２７—３３０．　［２］Ｂｒｉｎｋｓｍｅｉｅｒ　Ｅ，Ｂｒｏｃｋｈｏｆｆ　Ｔ．Ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｇｒｉｎｄｉｎｇ　Ｈｅａｔ　ａｓ　ａ　Ｎｅｗ　Ｈｅａｔ　Ｔｒｅａｔｍｅｎｔ　Ｐｒｏｃｅｓｓ［Ｊ］．Ａｎｎａｌｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ＣＩＲＰ。１９９６，４５（１）：２８３—２８６．　［３］Ｂｒｏｃｋｈｏｆｆ　Ｔ．Ｇｒｉｎｄｉｎｇ—Ｈａｒｄｅｎｉｎｇ：Ａ　Ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅ　Ｖｉｅｗ［Ｊ］．Ａｎｎａｌｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ＣＩＲＰ，１９９９，４８（１）：２５５—２６０　［４］Ｚａｒｕｄｉ　Ｉ，Ｚｈａｎｇ　Ｌ　Ｃ．Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｐｒｏｐｅｒｔｙ　Ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ　ｏｆ　Ｑｕｅｎｃｈａｂｌｅ　Ｓｔｅｅｌ　ｂｙ　Ｇｒｉｎｄｉｎｇ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｍａｔｅｒｉａｌｓ　Ｓｃｉｅｎｃｅ，２００２，３７（１８）：３９３５—３９４３．　［５］Ｊ．Ｄ．Ｌｉｕ，Ｇ．Ｃ．Ｗａｎｇ；Ｚ．Ｗａｎｇ，ｅｔ　ａ１．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｆ　Ｇｒｉｎｄ—Ｈａｒｄｅｎｉｎｇ　ｏｆ　６５Ｍｎ　Ｓｔｅｅｌ［Ｊ］．Ｍａｔｅｒｉａｌｓ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　Ｆｏｒｕｍ。２００６。５０５—５０７：７８７—７９２．　［６］Ｊ．Ｄ．Ｌｉｕ，Ｇ．Ｃ．Ｗａｎｇ，Ｑ．Ｆ．Ｌｉ。ｅｔ　ａ１．Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｆ　Ｓｕｒｆａｃｅ　Ｈａｒｄｅｎｉｎｇ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　Ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ　Ｆｅｅｄ　Ｃ￣ｒｉｎｄｉｎｇ［Ｊ］．　

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作者简介：陈鸣　，（１９６６年～），女，工程师，学　，主要研究方向：金属加ｌＴ