・１２・ 激光焊接与切割工艺分析 陈静 （江苏省靖江中等专业学校，江苏泰州２１４５００） 黧蠢 ０前言 激光因具有单色性、相干性、高能量和平行性等特点， 穿，应严格控制激光输入能量，使得在整个焊接过程中，焊 点的温度始终保持在高于材料熔点而低于材料沸点之间。 对大多数金属而言，焊接功率密度范围约在１０ Ｗ／ｒｎｒｎ２～ １０５ Ｗ／ｒａｍ２。 而适用于材料加工，尤其是激光的空间控制性和时间控制 性很好，对加工对象的材质、形状、尺寸和加工环境等的适 用范围很广，并容易实现自动化加工。 近年来，在精密连接与汽车制造业中，用激光焊接、切 （３）激光脉冲焊接时间不宜大于５００ ｇｓ 在激光焊接过程中，激光等离子体是在激光持续作 用一段时间（约５００ ）以后产生的。因此周期性地切断 割技术取代传统工艺，已是大势所趋，并显现出极好的应 用前景。我市部分汽配及热水器生产企业近几年来引进 激光，并使激光辐照时间小于等离子体的形成时间，可以 完全消除等离子体。由此看来，为有效抑制等离子体，应 采取激光脉冲焊接，且激光脉冲焊接的工作频率应在２ ｋＨｚ以上。 了激光焊接、切割设备，但由于对激光焊接与切割工艺不 熟悉，导致设备不能物尽其用，没有充分发挥最大生产力。 下面主要从焊接参数、适用范围部分、注意事项这三部分 简要谈谈在激光焊接与切割生产中如何正确选用、以及合 理使用这些激光加工设备，使企业经济效益最大化。 （４）激光深熔焊时焊接离焦量不宜太大 离焦量的大小和正负不仅影响工件表面激光光斑的 ；ｋ／Ｉ，，而且影响光束的入射方向，因而对焊缝的熔深和焊 缝形状产生影响。当离焦量较大时，工件表面受热面积较 １焊接参数部分 （１）激光深熔焊不宜过分降低焊接速度 大，功率密度较低，此状态属于传热熔化焊，焊缝断面呈上 宽下窄的酒杯状。当离焦量减少到某一值后，方能产生小 孔效应，而焦斑深入工件表面一适当距离（１ ｍｍ一２ ｎｌｍ）， 才能得到两边平行的理想焊缝。 （５）脉冲缝焊时光斑间距不宜过大 激光脉冲焊的熔池在工件内呈锥形，脉冲缝焊则是 这些锥形焊点的集合。当焊缝的焊点不重叠或重叠不完 全时，焊缝不具密封Ｉ生。因此，在气密性缝焊中，应根据锥 深熔焊接时，焊接熔深随焊接速度的下降而增加。 但若焊速太低，使输入焊缝的线能量过大，又会使焊接区 温度升高，等离子体浓度增加，最终导致激光被等离子屏 蔽，小孔消失，焊接过程受到破坏。因此，在一定功率条件 下，存在一维持深熔焊接的最低焊接速度，过分降低焊接 速度，焊接熔深不仅不再增加，反而会使材料过度熔化而 产生烧损或焊穿。 （２）焊点表面温度不宜超过材料沸点 在激光焊接过程中，为防止焊点金属蒸发和焊缝烧 形体的最小直径选择光斑间距，使密封深度与板厚相当， 以达到焊缝气密性要求。 （６）激光增丝焊接忌用太高的送丝速度 ・１３・ 向熔化区添加焊丝，可以改变焊缝体积和性能，并能 在焊前准备不理想的状况下获得健全的焊接接头。但是， 应当适当控制焊丝的送进速度，正确选择焊丝送进方向， 避免堵塞焊接小孔，破坏激光深熔焊模式。 （７）增弧激光焊弧源电流不宜太大 优良的保护效果，光束穿透陛最好，焊接熔深最大；ｃＯｚ、Ｎ 和空气次之；氩气保护效果最差，熔深最小。因此，激光深 熔焊时，应使用Ｈｅ一 混合保护气或使用双层喷嘴和拖 罩，以不同气体分别对加工区、焊缝区进行保护和侧吹等 离子体，以获得最佳的保护效果 。 在电弧电流一定范围内，通过激光引发的等离子流 的传导，可将电弧从很远距离准确地引导到激光与工作表 面的作用点上，以增强激光焊效应、提高焊接速度。但当 电弧电流太大时，等离子区电子密度会急剧提高，从而导 致等离子体对激光的屏蔽作用加强，焊缝成形会变得不理 想。因此，在增弧激光焊时，电弧电流应控制在３００ Ａ以 下。 （４）高效焊接不宜采用激光熔焊方法 激光熔化焊是通过热传导方式将激光能量向工件内 部传输，此时激光能利用率较低，焊接速度较慢、熔深较 浅，不宜焊接厚板工件。激光深熔焊以产生的小孔为特 征，进入小孔的激光束通过等离子体和孔壁的多次反射而 几乎完全被吸收，能量利用率高，焊缝熔深大、焊速快，是 一种高效的焊接方法，适宜厚板焊接和有小孑Ｌ效应的高速 （５）激光切割不宜使用线偏振光 激光切割速度和切口质量在一定条件下取决于光束 （８）细丝焊接激光功率密度不宜太高 为保证细丝（ ．０１－姗一 ．１ ｍｍ）在焊接过程中材 薄板焊接。 料无大量气化和飞溅，焊后不断裂，应用功率密度较低、脉 冲期较长、光斑直径相对较大、能量分布均匀的激光束进 行焊接。同时，还应做好焊前准备，保证装配精度，采取必 要措施，以获得良好的焊接效果。 （９）激光切割速度不应超出一定的范围 的偏报陛。当采用线偏振光切割时，沿着偏振方向切割， 切割速度最陕、切缝最窄、切口平直；垂直于偏振方向进行 切割则反之，切速慢、切缝宽、切口粗糙。因此，为使在各 ４＂－￣－向切割条件不变、都能得到高质量的均一切口，激光 切割应采用圆偏振光。 ａ）激光切割速度与材料厚度、激光功率和切割状况 有关。在一定条件下，有一个最佳的速度范围。切速过 低，会造成材料过烧，切缝底部断面粗糙，切口和热影响区 过宽等；切速过高，也会产生切口粘渣、断面不平整或未割 透缺陷。 （６）厚断面切割不宜使用短焦距透镜 激光切割通常使用的透镜焦距为８０咖一１５０ ｎⅡｎ，因 为透镜焦距愈短，光束聚焦后光斑直径愈小，功率密度愈 高，切缝也愈窄。但因其焦深较短，故只适于薄板高速切 ｂ）对激光加工机而言，因所能承受的惯性负载有一 定，因而也存在一定加速度所允许的最高速度问题。 例如，在切割复杂轮廓工件时，如果圆孑Ｌ半径ｒ较小，线速 度 较高，则向心加速度口： ／ｒ较大，甚至会超过允许的 加速度范围（２ ｍ／ｓ 一２．５ ｍ／ｓ ），从而造成加工机失控。 因此，在切割复杂轮廓时，需要降速至最佳速度下限 。 割。长焦距（厂＞１５０ ｎⅡｎ）透镜的聚焦光斑功率密度虽然较 低，但其焦深大，可用来切割厚断面材料ｕ 。 （７）直接切割熔体流动性较差的材料不易获得无粘 渣切缝 直接切割熔体流动性较差材料（如不锈钢）时，一些 金属氧化物（如ｃｒ２Ｏ３）有氧气进入熔化材料内部趋 势，使熔化层氧化不完全，反应热减少，熔渣粘附力增强， 切割速度变慢，而采用层叠法切割可以提高熔渣流动性， 对一定厚度的材料，可获得高质量的无粘渣切缝 。 ２适用范围部分 （１）激光焊件的拼合间隙不宜过大 为了获得狭￣－ｙ－滑、精细的焊缝，，要求接头装配、拼合 间隙和接缝准直度应相当地精确。对于薄板焊接，拼合间 隙尤为重要。如果接头间隙超过光斑尺寸，焊接将不能进 行，或者会将焊件烧穿。 （２）激光焊接不宜采用斜坡口焊件 ３激光焊接的注意事项 （１）在加工范围内光程长度不宜变化太大 在一定条件下，焦斑直径ｄ与聚焦镜处的光束直径Ｄ 成反比。当光束发散角较大时，光束直径在光程长度方向 激光焊接熔池小，热影响区窄，焊件的收缩和变形量 极小，焊缝的深宽比较大。因此，激光焊接通常以自熔焊 方式进行，焊件不宜开斜坡口，否则焊缝凹陷难以填补心］。 （３）激光深熔焊不宜用纯氩气作同轴保护气体 激光焊接中使用的保护气体具有保护焊缝和抑制等 离子体等多重作用。在各种保护气体中，氦气（Ｈｅ）具有 上是变化的，因而在整个加工范围内，焦斑功率密度必将 随焦斑直径的变化而改变，使加工条件发生变化，其结果 对加工质量产生不可忽视的影响。如果在加工范围内，光 程长度不变，那么光束直径、焦斑直径也相对稳定，加工质 量也就稳定了。 （２）激光焊接区等离子体的浓度和体积不能太大 墨 Ｌ～ ・１４・ 当激光功率密度很大时，高温金属蒸气和气体在高 功率密度激光作用下发生离解，形成等离子体。等离子体 吸收部分激光，使金属表面得到激光能量减少，影响焊缝 熔深并使焊缝表面增宽。当等离子体浓度和体积太大时， 激光束会被等离子体屏蔽，因而产生周期振荡。为此，激 ａ）气化切割非金属不熔化材料（如木材）的激光功率 密度较高，一般大于１０６ Ｗ／ｎ１ＩＹｌ２； ｂ）激光切割金属板材的厚度不宜追求高指标，一般 小于１０ ｍｍ，大厚板切割因割速较低和切口质量欠佳，实 用意义不大； 光焊接过程中，必须采取措施抑制等离子体或将其在 一ｃ）熔化切割的工作气体应以惰性气体为主，通氧切 割会增加切口的粘渣倾向； 定范围内。 （３）焊缝间隙较大时不宜采取自熔焊接 激光焊接虽然特别适宜自熔焊接 但在装配间隙较 大时，自熔焊接焊缝将很不饱满。因此，当装配间隙超过 板厚的３％时，仍需要添加填充焊丝。 （４）板材叠焊不易产生强化接头 强激光束虽能穿透一定厚度的板材将叠接焊件连接 ｄ）ＹＡＧ激光（波长１．０６ ）因有较强的穿透性，故 不能切割有机玻璃等透明材料； ｅ）氧化反应剧烈和可能改变其物理、力学性能的材 料（如钛等）不宜采用吹氧切割； ｆ）切割过程中有开裂倾向的材料（如钠钙玻璃）不适 于激光切割； 起来，但焊缝熔深浪费较大，不易获得高强接头。利用激 光束自然跟踪焊缝间隙产生强化接头的原理，应合理设计 接头形式，将激光束直接射入焊缝熔合区，以提高焊缝强 度。 ｇ）对ＣＯ 激光不能充分吸引的金属（如金、银、铜等） 不宜采用激光切割； （９）激光切割焦点位置不宜远离板平面 为了提高光束能量的吸引并减少切缝宽度，应根据 切割材料的厚度选择适当的焦距，同时兼顾焦深和切割气 （５）薄板焊接不宜采用负离焦 在激光深熔焊时，将光束焦点深入工件（负离焦），可 以获得较大熔深和理想的焊缝成形。若以同样的方式焊 接薄件，因材料内部的温度高于材料表面，会在材料内产 生空洞或将焊件烧穿。通常薄件焊接应采用正离焦量。 （６）脉冲缝焊不宜采用带前置尖峰波形的激光束 流高压区的位置来确定焦点位置。一般隋况下，激光切割 聚焦光斑的位置应靠近工件表面，随着板厚的增加，焦点 位置逐渐向工件内部深入，其最佳位置大约在工件表面下 方１／３板厚处。 激光焊接技术是一种高新技术，由于其独有的特点， 国外许多厂家已利用激光焊接工艺进行生产，而国内采用 激光焊接工艺的厂家不多，主要是一些生产军用产品的厂 家和部分科研机构在采用此种工艺，且采用国外激光焊接 机的较多。本文中笔者主要阐述了激光焊工艺参数的选 定原则及适用范围，为提高国内焊接整体水平以及发展民 族激光产业，我国的生产厂家应尽快采用国产激光焊接机 用带有前置尖峰的激光束进行脉冲点焊，可以迅速 改变金属的表面状态，提高光脉冲能量的利用率。但在高 重复频率脉冲缝焊时，处于熔融状态的金属熔池在尖峰激 光作用下，容易使熔斑产生不规则的孔洞。因此，在激光 脉冲缝焊时，应采用光强基本不变的平顶波或衰减波。在 焊接具有裂纹倾向材料时，还应改善激光波形，使之具有 预热一熔化一保温三阶段功能，提高焊接质量。 来生产加工产品，并大力开展激光焊接设备知识的普及， 以增加产品竞争力，从而进一步开拓国际市场。 参考文献 ［ｔ］陈彦宾．现代激光焊接技术．科学出版社，２ＯＯ６，１１ ［２］陈家壁．激光原理及应用．电子工业出版社，２ＯＯ８，０８ （７）为保持熔池稳定，不宜使用大流量侧吹气体 利用保护气体流动的动量，将金属蒸气和光致等离 子体从激光光路中吹除，是抑制等离子体的有效方法。特 别是侧吹气体以一定角度直接射入深熔焊接的小孔时，保 护气体不仅抑制了工件表面的等离子云，而且对孔内的等 离子体和小孔形成施加影响，可以进一步增大熔深。但 ［３］刘其斌．激光加工技术及应用．冶金工业出版社，２００７，０８ ［４］卢本．金属焊接技术禁忌．机械工业出版社，２ＯＯ８，０３ 是，这种侧吹气体流量要小，否则金属熔池在强气流作用 下失去平衡，焊接过程难以稳定。 （８）激光切割应用的条件 激光切割是一种高质量、高效率的加工方法，但在应 用方面有其局限陛： 作者简介：陈静（１９７４一），女，工程硕士在读，江苏省靖江市人，讲 师。 收稿日期：２０１０—１０—１４
