激光深熔焊：技术原理和工艺特点

2023-06-26 理论教育版权反馈

【摘要】：因为形成的熔深大，激光深熔焊适合于较厚材料的焊接和高速焊接。只有当工件上的激光功率密度超过阈值，等离子体才会产生，这标志着稳定深熔焊的实现。焦点位置激光焊时，为了达到一定的功率密度，焦点位置至关重要。激光终止控制激光深熔焊时，不管焊缝深浅，小孔现象始终存在。

1.技术原理和工艺特点

激光深熔焊的技术原理就是利用本篇1.4.2节所描述的原理形成大深度、大深宽比的熔池。因为形成的熔深大，激光深熔焊适合于较厚材料的焊接和高速焊接。与其他焊接方法相比，激光深熔焊工艺具有以下特点：

（1）大深宽比的熔深熔融金属是围着圆柱形的高温蒸气腔体（匙孔）而形成，并随着匙孔的深入而向工件内部延伸，形成的焊缝因此深而窄。

（2）高致密性焊缝充满高温蒸气的匙孔对焊接熔池有强烈的搅拌作用，有利于熔池中的气体逸出，熔透时匙孔内蒸气能更好地被排出，最终生成无气孔的熔透焊缝。焊后的高冷却速度又易使焊缝组织细微化。

（3）很小的焊接变形由于聚焦激光比常规焊接方法具有高得多的功率密度，导致焊接速度快，焊接热影响区窄，而且焊缝往往为熔透型，故焊接变形很小。

（4）显著的光致等离子态现象由于深熔焊时所用激光功率密度高，匙孔内的金属蒸发强烈，在高功率密度激光的持续作用下金属蒸气大量电离，从而在匙孔开口附近形成等离子体。如果等离子体不加以抑制，则会影响焊接过程，因此需要采用保护气流进行吹除。

2.主要焊接参数及其影响

影响激光深熔焊接过程的焊接参数很多，几个主要的焊接参数影响如下：

（1）激光功率激光焊中存在一个激光功率密度阈值，达到或超过此值，熔深才会大幅度提高。只有当工件上的激光功率密度超过阈值（与材料有关），等离子体才会产生，这标志着稳定深熔焊的实现。一般来说，在焊接速度一定的情况下，焊接熔深随着激光功率的增加而增加。

（2）焦点位置激光焊时，为了达到一定的功率密度，焦点位置至关重要。激光焦点与工件表面相对位置的变化直接影响焊缝宽度与深度。通常在焊接薄板时，采用正离焦或者零离焦。在焊接厚板时，通常采用负离焦以增加熔深。

此外，焦点的位置也会对熔深的横截面形状产生影响。当焦点处于工件表面上方较远的位置时，熔深不仅减小，上部熔宽也明显增加，深熔形状具有“钉头”形特征；当焦点处于工件表面或略微在其下面，熔深横截面两侧比较平行，上部熔宽也不明显；当焦点置于工件表面以下较深的位置时，熔深横截面成V形；如焦点再进一步下移，则熔深下降，甚至深熔焊效果消失。

（3）焊接速度激光功率一定的情况下，焊接速度大小直接决定着焊接热输入的多少。提高速度会使熔深变浅，但速度过低又会导致材料过度熔化。对一定厚度的某特定材料来说，要获得合适的熔透焊缝，激光功率和焊接速度必须匹配良好。

（4）保护气体种类、方式和流量激光深熔焊过程中的保护气体主要用来吹走焊接时产生的等离子体，以免等离子体对于激光能量的过度吸收和散射。同时保护气体可以保护金属熔池免于在焊接过程中被氧化。另外，保护气体可以使激光聚焦透镜免受金属蒸气污染和液体熔滴的溅射。一般采用氦、氩、氮等气体作保护气体。氦气不易电离（电离能量较高），可让激光顺利通过，光束能量不受阻碍地直达工件表面。这是激光焊时最有效的保护气体，但其价格比较贵。氩气密度较大，保护效果较好，且较便宜。氩气易受高温金属等离子体作用而电离，与原有的金属等离子体混合而进一步加强了等离子体现象和等离子体的屏蔽作用，结果减小了到达工件的有效激光功率，降低了焊接速度与熔深，甚至使焊接无法进行。氮气作为保护气体最便宜，但对某些材料焊接时并不适用，主要是由于冶金学方面问题，容易在焊缝中产生气孔。

保护气体可以是同轴保护气体，也可采用侧向喷嘴保护。采用侧吹方式保护时，喷嘴的形状与角度非常重要。从喷嘴喷出的保护气体最好能覆盖全部的熔池，又能恰好吹走熔池上方的等离子体。

保护气体的流量也很重要，流量小起不到保护作用，流量太大将引起熔池的剧烈翻滚，容易在焊缝中形成气孔。

（5）激光终止控制激光深熔焊时，不管焊缝深浅，小孔现象始终存在。当焊接过程终止激光突然关闭时，焊缝尾端将出现大的凹坑。在焊接正式产品时如果留有大的凹坑就造成焊缝明显的缺陷。为了防止上述现象发生，可对焊接终点编制程序，使激光功率在一个短时间内由设置功率逐渐降至零值或较小功率，可以有效减小焊缝尾端的凹坑。

激光深熔焊：技术原理和工艺特点

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