激光焊接中各参数对焊接质量影响的研究

激光焊接中各参数对焊接质量影响的研究

        随着激光器制造技术的发展，不断推进高科技的研发和应用，激光焊接将是一门21世纪发展迅速的新制造技术，是对我国传统工业的技术改造新兴工业领域以及制造业的现代化提供先进的技术设备，在现有的激光焊接技术基础上，以及传统工艺上进行改造更新，使激光焊接可以发挥出更好的优势。在激光焊接过程中，掌握好参数的一些变化规律，就可以根据不同要求来调整参数，通过控制激光焊接参数来获得最好的焊接质量，来保证焊接质量的可靠性和稳定性。
        1 激光焊接的原理和特点
        1.1 激光焊接的原理
        激光焊接工作是应用高能脉冲激光来实现，脉冲氙灯作为泵浦源，激光电源把脉冲氙灯点着，通过激光电源对氙灯放电，形成一定频率的光波，光波经过激光聚光腔照射到激光晶体上，使晶体受激辐射，再经过谐振腔之后发出波长的脉冲激光，该脉冲激光经过扩束，反射聚焦于所要焊接的物体，在控制器的控制下，移动工作台面完成焊接。
        1.2 激光焊接的特点
        激光焊接具有高的深宽比，热影响区小，变形小，速度快，焊缝平整，美观，焊后无需微小处理，焊后质量高，可细化组织，焊缝强度韧性高，精细控制，光点小，易实现自动化。
        2 影响焊接质量的参数
        2.1 激光功率
        确保足够的功率，便得到好的焊接效果，激光焊接的首要参数是功率的大小，根据焊接厚度速度，确定输出功率的数值，再加上气体保护，可得好的焊接效果。激光功率小时，产生小孔效应，但效果不好，焊缝内有气孔，焊接功率大时，焊缝内气孔消失，会引起材料成分吸收，使小孔内气体喷溅或者焊缝产生疤痕，甚至使工件焊穿。为使焊缝平整光滑，激光功率在开始和结束时都设计有渐变过程，启动时激光功率由小变大到预定值，结束焊接时激光功率由大到小，焊缝才没有凹坑或斑痕，图1为激光输出功率与熔深的关系。
        2.2 激光脉冲波形
        激光脉冲波形由斩波电路获得，不考虑氙灯放电光波形前后沿的变化于激光波形的区别时，激光脉冲波形基本是一个矩形脉冲，矩形的宽度由斩波电路的开通时间决定，一般脉冲重复频率是的100Hz至于200Hz，图2为斩波电路示意图。
        2.3 激光脉冲宽度
        脉宽根据熔深的要求来确定，最大的熔深是表面的吸收激光功率密度的函数，也与材料热力学特性有关，即
        q0zmax=1.2K（Tv-Tm）
        设脉冲终止时刻材料表面达到沸点，根据公式得，其功率密度qc2为
        qc2=（aT1）1/2
        式中，T1为激光脉冲宽度，T1取不同的值，求得不同的qc2之值，则可获得最大熔深和T1的关系为
        zkmax/zjmax=（rk/rj）1/2
        可见，若获得较大的熔深，脉冲宽度应该加长，且熔深的增加随脉宽的二分之一次方增加。
        2.4 离焦量
        激光器发出高斯光束，在光学系统中按照高斯光束传播变换的规律行进，激光束通过聚焦镜后，会出现束腰。其焊接工艺是使焦平面离工件表面一小段距离，即为离焦量，焦平面深入工件的称为负离焦，在工件之外的称为正离焦，所需熔深较大时，应用负离焦，对熔深要求不高时，用正离焦来获得牢固美观的焊缝，在激光器的各参数设置完后，通过微调离焦量来达到完美的焊接效果。
        离焦量的选择和聚焦镜的焦距数字大小有关，焦平面处的光斑尺寸D与聚焦镜的焦距F，以及激光束的发散角ɑ有关，即
        D=Fɑ
        当激光器工作条件确定后，发散角是一个确定值，最小光斑的尺寸，正比与焦距F焊接0.5至少1mm厚板时，焦距通常是的100至200mm，离焦量也有较大的选择范围。
        2.5 焊接速度
        熔深与焊接速度成反比，功率可以焊接一定厚度范围的材料，其焊接速度范围，随板厚增加而减小，焊接速度由脉冲频率上限及满足要求的熔斑重叠率共同决定，即焊接速度必须保证后续脉冲熔斑有一定程度的重和。图3是焊接速度与熔深的关系。
        2.6 电流和频率
        电流大小决定激光功率的大小，电流越大，功率越大，每个脉冲形成一个熔斑，改变激光频率，改变熔斑数，焊件与激光束移动速度决定熔斑的重叠率，激光密封焊接是单点重叠方式进行的，为了实现密封焊接，对光斑的重复频率有一定的要求，一般重叠率在70%以上。
        3 各参数对焊接质量的影响
        3.1 焊接质量重要参数控制树
        在激光焊接过程中，对所需的参数进行设置，来达到焊接所要的完美焊缝。各参数形成了焊接重要度控制树，如图4。
        3.2 各参数对焊接质量的影响
        在生产中，压力膜片是一个厚度仅为0.06mm的不锈钢膜片，孔径在50mm左右，将膜片固定在一个不锈钢架子上，采用激光焊接，不仅焊缝美观，而且密封效果好。用激光焊接薄金属片，首选参数适宜，激光平均功率不能过大，否则金属蒸发，金属薄片被打穿。将薄片与被焊框架压紧，使其紧密接触，在热传导方式的焊接中，上层吸收激光能的薄片，才能通过紧密接触传导到下层被焊零件上，在激光束的作用下，上层薄片和下层被焊接金属框架同时熔化，冷却凝固后，熔接到一起，不仅焊接牢固，而且密封不漏气，完全能够满足压力传感器的技术要求。
        压力薄片激光焊接装置通过大的压力，迫使薄片与框架紧密接触，以保证焊接过程达到充分热传导效果。通过压力使两者紧密接触成一体，使热量充分传导扩散，就不会产生打孔、烧穿等缺陷。凡是薄片的焊接，都可以根据热传导原理设计工装，使焊接零件紧密接触，保证良好的热传导过程，完成高质量的激光焊接。在激光焊接中各参数焊接对应表如表1。
        一般选用瞬时功率在105-107W/cm2，平均功率在50-80W之间，重复频率10-35Hz，脉冲宽度在3-7ms之间，焊接速度在5mm/s焊缝质量较好，焊接时不需要添加如何焊剂和焊料，焊接完成后，零件变形小，热影响区小，一般熔深在0.3-0.5mm左右，焊缝的金相组织为马氏体，测试硬度，抗拉强度均达到标准要求。
        4 结论
        激光功率、激光脉冲波形、激光脉冲宽度、离焦量、工作电流、频率和焊接速度等参数是决定焊接能力的重要因素，直接影响着激光焊接的焊接质量。在连续激光焊接过程中，控制好焊接的技术参数以及一些变化规律，就可以对技术参数进行设置，通过微调离焦量来获得牢固美观的焊接效果，保证焊接质量的可靠性和稳定性。激光焊接在汽车制造业中，焊接技术在微小压力薄片上的应用，是一种低成本、高效率的加工技术，针对不同的加工材料分别设定不同的激光焊接参数，选择适当的焊接参数，发展激光焊接过程实时监测与控制，以优化参数，到达工件的激光功率和离焦量的变化，实现闭环控制，提高激光焊接质量的可靠性和稳定性。