激光焊接中各參數(shù)對(duì)焊接質(zhì)量影響的研究

激光焊接中各參數(shù)對(duì)焊接質(zhì)量影響的研究

        隨著激光器制造技術(shù)的發(fā)展，不斷推進(jìn)高科技的研發(fā)和應(yīng)用，激光焊接將是一門(mén)21世紀(jì)發(fā)展迅速的新制造技術(shù)，是對(duì)我國(guó)傳統(tǒng)工業(yè)的技術(shù)改造新興工業(yè)領(lǐng)域以及制造業(yè)的現(xiàn)代化提供先進(jìn)的技術(shù)設(shè)備，在現(xiàn)有的激光焊接技術(shù)基礎(chǔ)上，以及傳統(tǒng)工藝上進(jìn)行改造更新，使激光焊接可以發(fā)揮出更好的優(yōu)勢(shì)。在激光焊接過(guò)程中，掌握好參數(shù)的一些變化規(guī)律，就可以根據(jù)不同要求來(lái)調(diào)整參數(shù)，通過(guò)控制激光焊接參數(shù)來(lái)獲得最好的焊接質(zhì)量，來(lái)保證焊接質(zhì)量的可靠性和穩(wěn)定性。
        1 激光焊接的原理和特點(diǎn)
        1.1 激光焊接的原理
        激光焊接工作是應(yīng)用高能脈沖激光來(lái)實(shí)現(xiàn)，脈沖氙燈作為泵浦源，激光電源把脈沖氙燈點(diǎn)著，通過(guò)激光電源對(duì)氙燈放電，形成一定頻率的光波，光波經(jīng)過(guò)激光聚光腔照射到激光晶體上，使晶體受激輻射，再經(jīng)過(guò)諧振腔之后發(fā)出波長(zhǎng)的脈沖激光，該脈沖激光經(jīng)過(guò)擴(kuò)束，反射聚焦于所要焊接的物體，在控制器的控制下，移動(dòng)工作臺(tái)面完成焊接。
        1.2 激光焊接的特點(diǎn)
        激光焊接具有高的深寬比，熱影響區(qū)小，變形小，速度快，焊縫平整，美觀，焊后無(wú)需微小處理，焊后質(zhì)量高，可細(xì)化組織，焊縫強(qiáng)度韌性高，精細(xì)控制，光點(diǎn)小，易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。
        2 影響焊接質(zhì)量的參數(shù)
        2.1 激光功率
        確保足夠的功率，便得到好的焊接效果，激光焊接的首要參數(shù)是功率的大小，根據(jù)焊接厚度速度，確定輸出功率的數(shù)值，再加上氣體保護(hù)，可得好的焊接效果。激光功率小時(shí)，產(chǎn)生小孔效應(yīng)，但效果不好，焊縫內(nèi)有氣孔，焊接功率大時(shí)，焊縫內(nèi)氣孔消失，會(huì)引起材料成分吸收，使小孔內(nèi)氣體噴濺或者焊縫產(chǎn)生疤痕，甚至使工件焊穿。為使焊縫平整光滑，激光功率在開(kāi)始和結(jié)束時(shí)都設(shè)計(jì)有漸變過(guò)程，啟動(dòng)時(shí)激光功率由小變大到預(yù)定值，結(jié)束焊接時(shí)激光功率由大到小，焊縫才沒(méi)有凹坑或斑痕，圖1為激光輸出功率與熔深的關(guān)系。
        2.2 激光脈沖波形
        激光脈沖波形由斬波電路獲得，不考慮氙燈放電光波形前后沿的變化于激光波形的區(qū)別時(shí)，激光脈沖波形基本是一個(gè)矩形脈沖，矩形的寬度由斬波電路的開(kāi)通時(shí)間決定，一般脈沖重復(fù)頻率是的100Hz至于200Hz，圖2為斬波電路示意圖。
        2.3 激光脈沖寬度
        脈寬根據(jù)熔深的要求來(lái)確定，最大的熔深是表面的吸收激光功率密度的函數(shù)，也與材料熱力學(xué)特性有關(guān)，即
        q0zmax=1.2K（Tv-Tm）
        設(shè)脈沖終止時(shí)刻材料表面達(dá)到沸點(diǎn)，根據(jù)公式得，其功率密度qc2為
        qc2=（aT1）1/2
        式中，T1為激光脈沖寬度，T1取不同的值，求得不同的qc2之值，則可獲得最大熔深和T1的關(guān)系為
        zkmax/zjmax=（rk/rj）1/2
        可見(jiàn)，若獲得較大的熔深，脈沖寬度應(yīng)該加長(zhǎng)，且熔深的增加隨脈寬的二分之一次方增加。
        2.4 離焦量
        激光器發(fā)出高斯光束，在光學(xué)系統(tǒng)中按照高斯光束傳播變換的規(guī)律行進(jìn)，激光束通過(guò)聚焦鏡后，會(huì)出現(xiàn)束腰。其焊接工藝是使焦平面離工件表面一小段距離，即為離焦量，焦平面深入工件的稱(chēng)為負(fù)離焦，在工件之外的稱(chēng)為正離焦，所需熔深較大時(shí)，應(yīng)用負(fù)離焦，對(duì)熔深要求不高時(shí)，用正離焦來(lái)獲得牢固美觀的焊縫，在激光器的各參數(shù)設(shè)置完后，通過(guò)微調(diào)離焦量來(lái)達(dá)到完美的焊接效果。
        離焦量的選擇和聚焦鏡的焦距數(shù)字大小有關(guān)，焦平面處的光斑尺寸D與聚焦鏡的焦距F，以及激光束的發(fā)散角ɑ有關(guān)，即
        D=Fɑ
        當(dāng)激光器工作條件確定后，發(fā)散角是一個(gè)確定值，最小光斑的尺寸，正比與焦距F焊接0.5至少1mm厚板時(shí)，焦距通常是的100至200mm，離焦量也有較大的選擇范圍。
        2.5 焊接速度
        熔深與焊接速度成反比，功率可以焊接一定厚度范圍的材料，其焊接速度范圍，隨板厚增加而減小，焊接速度由脈沖頻率上限及滿足要求的熔斑重疊率共同決定，即焊接速度必須保證后續(xù)脈沖熔斑有一定程度的重和。圖3是焊接速度與熔深的關(guān)系。
        2.6 電流和頻率
        電流大小決定激光功率的大小，電流越大，功率越大，每個(gè)脈沖形成一個(gè)熔斑，改變激光頻率，改變?nèi)郯邤?shù)，焊件與激光束移動(dòng)速度決定熔斑的重疊率，激光密封焊接是單點(diǎn)重疊方式進(jìn)行的，為了實(shí)現(xiàn)密封焊接，對(duì)光斑的重復(fù)頻率有一定的要求，一般重疊率在70%以上。
        3 各參數(shù)對(duì)焊接質(zhì)量的影響
        3.1 焊接質(zhì)量重要參數(shù)控制樹(shù)
        在激光焊接過(guò)程中，對(duì)所需的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，來(lái)達(dá)到焊接所要的完美焊縫。各參數(shù)形成了焊接重要度控制樹(shù)，如圖4。
        3.2 各參數(shù)對(duì)焊接質(zhì)量的影響
        在生產(chǎn)中，壓力膜片是一個(gè)厚度僅為0.06mm的不銹鋼膜片，孔徑在50mm左右，將膜片固定在一個(gè)不銹鋼架子上，采用激光焊接，不僅焊縫美觀，而且密封效果好。用激光焊接薄金屬片，首選參數(shù)適宜，激光平均功率不能過(guò)大，否則金屬蒸發(fā)，金屬薄片被打穿。將薄片與被焊框架壓緊，使其緊密接觸，在熱傳導(dǎo)方式的焊接中，上層吸收激光能的薄片，才能通過(guò)緊密接觸傳導(dǎo)到下層被焊零件上，在激光束的作用下，上層薄片和下層被焊接金屬框架同時(shí)熔化，冷卻凝固后，熔接到一起，不僅焊接牢固，而且密封不漏氣，完全能夠滿足壓力傳感器的技術(shù)要求。
        壓力薄片激光焊接裝置通過(guò)大的壓力，迫使薄片與框架緊密接觸，以保證焊接過(guò)程達(dá)到充分熱傳導(dǎo)效果。通過(guò)壓力使兩者緊密接觸成一體，使熱量充分傳導(dǎo)擴(kuò)散，就不會(huì)產(chǎn)生打孔、燒穿等缺陷。凡是薄片的焊接，都可以根據(jù)熱傳導(dǎo)原理設(shè)計(jì)工裝，使焊接零件緊密接觸，保證良好的熱傳導(dǎo)過(guò)程，完成高質(zhì)量的激光焊接。在激光焊接中各參數(shù)焊接對(duì)應(yīng)表如表1。
        一般選用瞬時(shí)功率在105-107W/cm2，平均功率在50-80W之間，重復(fù)頻率10-35Hz，脈沖寬度在3-7ms之間，焊接速度在5mm/s焊縫質(zhì)量較好，焊接時(shí)不需要添加如何焊劑和焊料，焊接完成后，零件變形小，熱影響區(qū)小，一般熔深在0.3-0.5mm左右，焊縫的金相組織為馬氏體，測(cè)試硬度，抗拉強(qiáng)度均達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。
        4 結(jié)論
        激光功率、激光脈沖波形、激光脈沖寬度、離焦量、工作電流、頻率和焊接速度等參數(shù)是決定焊接能力的重要因素，直接影響著激光焊接的焊接質(zhì)量。在連續(xù)激光焊接過(guò)程中，控制好焊接的技術(shù)參數(shù)以及一些變化規(guī)律，就可以對(duì)技術(shù)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，通過(guò)微調(diào)離焦量來(lái)獲得牢固美觀的焊接效果，保證焊接質(zhì)量的可靠性和穩(wěn)定性。激光焊接在汽車(chē)制造業(yè)中，焊接技術(shù)在微小壓力薄片上的應(yīng)用，是一種低成本、高效率的加工技術(shù)，針對(duì)不同的加工材料分別設(shè)定不同的激光焊接參數(shù)，選擇適當(dāng)?shù)暮附訁?shù)，發(fā)展激光焊接過(guò)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與控制，以優(yōu)化參數(shù)，到達(dá)工件的激光功率和離焦量的變化，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，提高激光焊接質(zhì)量的可靠性和穩(wěn)定性。