激光焊接两种异常现象的分析

1、激光焊接两种异常现象的分析提要：研究了在激光焊接中出现的两种异常现象，即焊缝的缩颈和表面凸起现象。结果表明：焊缝截面的 缩颈是因激光束的偏振、小孔壁聚焦、小孔内高压金属蒸气的动态行为引起的；表面凸起是因组织的变化、熔池熔体的流动、热膨胀及热应力引起的。关键词：激光焊接异常现象焊缝成型1引言激光焊接采用高能束的激光作为热源，与传统焊接方法相比具有速度快、组织细腻、热影响区小、成型好 等特点。但在激光焊接中，经常会出现两种异常现象，即焊缝截面的缩颈和表面凸起，如图1所示。焊缝 截面的缩颈是指在激光焊缝截面上，在熔深的中段焊缝呈现收缩特征，出现焊缝的上下两端宽、中间窄的 现象。在激光焊接中一般并不添

2、加焊丝等填充材料，但在焊接后焊缝表面常出现凸起，这往往影响了激光 焊接的表面光洁度。对此现象很多激光焊接工作者都没有给予应有的重视。在实际某些应用中，如汽车蒙 皮、汽车底盘钢板对焊后表面质量要求很高，不允许有任何不平。在一些精密零件的激光焊接也对此有着 严格要求，任何表面的不平整都可能造成功能失效或者对使用有严重影响。因此探索这两种现象的形成机理，对于控 制焊缝的成型、提高焊缝质量是很重要的。本文通过多角度、多侧面的分析，对其进行了具体的解释。2理论分析2. 1焊缝截面的缩颈现象激光焊缝截面的缩颈现象，与激光焊接的特性是分不开的。经大量的研究和试验，分析认为缩颈现象这个 特征的形成是由于下列因

3、素所造成的。激光束的偏振激光是一种电磁波，具有偏振性。高功率CO2激光器输出的是偏振面不固定的线偏振光。工件金属表面对入射光中S成分的反射率Rs与P成分的反射率Rp不同。由于高功率激光焊接时，产生 深的小孔，并且激光沿焊缝移动，造成小孔前侧壁的倾斜，其斜面的法向与激光束的中心线成e角，e 一 般在7585之间。在这种入射角很大的情况下，偏振面与入射面平行的P光和垂直的S光反射系数相差 很大。S光几乎全部被反射，Rs接近于1.0，而P光则大部分被吸收，反射率只有0.30.4,如图2所示。 这样就造成了焊缝两侧的截面形状不对称分布。小孔壁聚焦由于激光束在经过小孔孔壁的多次反射之后，又会聚于孔底，这

4、就是小孔的壁聚焦效应，如图3所示。在 孔底聚焦的激光束又相当于一个点热源，使得在孔底附近焊缝又出现明显加宽。这样在工件表面热源和孔 底点热源的作用下，焊缝形成上下两端宽、中间窄的缩颈现象。小孔内高压金属蒸气的形成在小孔内，金属迅速熔化汽化，形成金属蒸气，受热膨胀产生的压力使熔融金属沿着孔壁向上移动，小孔 周围液体的流动和表面张力倾向于消除小孔，而孔壁材料连续产生的蒸气则极力保持住小孔，二者之间是一个动态的平衡，如图4所示。在孔底附近产生的金属蒸气压力很高，可将上部熔化的部分液体金属托住。当孔内气体的压力及激光束的辐射压力等导致孔底贯穿时，孔内高压蒸气就部分排除，每排除一次，孔内金属蒸气压力会

5、降低，被托住的连续形成的熔池部分液体金属便开始下坠，又将小孔底部封住。随后孔内蒸气压力又会升 高，到一定值时小孔贯穿而压力又会降低，此后不断地重复此过程。孔内金属蒸气和金属液体是连续形成 的，因此小孔的贯穿与被堵、金属蒸气从孔底的排除、液态金属的被托与下坠、孔内蒸气压力的升高与下 降都是一个动态的过程。激光束是连续移动的，在激光束后部的熔池温度迅速下降而冷凝，形成所谓的缩 颈”现象。从大量试验发现，产生“缩颈”现象都是属于贯穿焊情况，与深熔焊的孔底聚焦及小孔的贯穿有关， 而研究结果表明在激光微焊即熔深较浅时不会出现缩颈现象。2.2激光焊缝表面凸起现象高功率激光焊接时，在没有添加任何材料的情况，

6、在焊缝表面常常出现凸起，如图1(b)所示。对这一现象， 经研究认为主要是由下列几个因素所造成的。材料热膨胀及热应力的影响在激光束的快速加热情况下，工件迅速受热升温，体积发生膨胀。由于激光束加热集中，在激光作用的周 围区域温度升高不是很大，激光作用区材料受热膨胀受到周围较冷部分基体的阻碍，在该区域形成压应力， 同时被焊板材发生轻微的向下弯曲变形，如图5所示。尽管此应力与其他焊接方法相比是微不足道的，但 它是表面凸起的主要影响因素之一。当激光束继续作用，工件上表面温度继续升高，压应力增大。与此同 时，材料的屈服极限随温度升高而下降。到一定阶段，材料屈服极限小于周围的压应力数值，熔池上表面 附近材料

7、发生屈服变形，并产生堆积。在激光束移动到下一区域后，先前发生堆积部分温度迅速下降而冷 凝，凝固后的表面保持了凝固前弯曲的堆积形貌，从而形成了焊缝表面的凸起。在焊缝及附近区域发生的 变形也保留了下来，附近各点已不能完全恢复到激光作用前的位置，从而要在工件上部形成新的残余拉应 力。熔池表面熔体的流动激光焊接过程中，熔池受到各种复杂外在因素的影响，造成表面熔体的流动，这客观上对于表面凸起有着 很重要的影响。对于熔池表面熔体的运动，至今已有多种假说。Anthony T.R和Cline H.E在1977年提出， 熔池中心与四周的很大温差形成的表面张力差提供了熔池内熔体对流的驱动力，此对流造成表面粗糙不平

8、。 1978年S.M.Copley等在透明三环茨烯（Camphene口 Tricycline上用电阻丝加热观察到了熔池的对流和表 面波纹状凸起的过程，他们考虑了在热源移动时，前沿和后沿形成一定的熔池液体位能差，当前沿达到一 定压力差后向后沿流动，在已开始凝固而略为下倾的后沿界面前产生液体凸起，在冷凝后保留下来。这个 过程中考虑了有回流和无回流两种情况（与界面能有关Moore和Weinman在1978年提出了蒸汽压力说， 认为在热源功率密度很高时，作用于金属表面及其上空的金属蒸汽和空气形成等离子体，受热膨胀，对熔 池表面形成蒸汽压力。在压力作用下熔池前沿的液体流向后方，造成两侧下凹、中间隆起的形

9、状。同时， 由于激光功率的变动或激光与熔池耦合也造成熔体流动。1983年I.C.Hawkes等认为熔池在压力作用下产 生弓形波，使接受激光的液面斜率有变化，使吸收功率密度下降，反射率提高，引起熔池对激光吸收率的 波动，能够产生间断性熔化和表面波纹状凸起。这几种说法都有一定道理，在实际激光焊接过程中，因熔 池熔体流动造成表面凸起是上述因素综合影响的结果。一般研究认为，熔池表面熔体的流动主要受表面张 力梯度、小孔效应、金属材料蒸发及气体电离产生的等离子体热喷发、保护气流及辅助气流的冲击等的影 响。组织的变化激光焊接时，材料受热形成液态熔池，然后冷凝形成焊缝，组织有很大的差异。由于不同组织的密度不一

10、 样，焊缝体积会发生变化，这往往会对焊缝表面凸起造成影响。由于激光束高能量密度及集中加热，使得 材料的升温和冷却速度极快，一般激光焊接后会形成条状的马氏体组织和贝氏体组织。经试验研究发现， 材料相变体积的变化量与材料的含碳量有很大关系，对一般中低碳钢，相变体积变化占总凸起量的1/81 /4左右，对于高碳钢则会更高，在焊接时往往不能忽略这个因素。在实际的焊接过程中，若表面凸起较为严重，将在焊缝表面形成纵向呈鱼鳞状的凸起带，称为“鱼鳞纹。它 对于激光焊接表面的质量是不利的，针对其产生根源，对板材局部施压，调节激光能量及施加方式，可以 对凸起加以改善。而在板材对接焊中，却可以利用表面凸起现象，在板材之间预留一道宽度适中的狭缝， 在焊后可以得到表面齐平的焊道。激光焊接过程中出现的两种异常现象，即焊缝的缩颈和表面凸