激光焊接特性

1、先进焊接与连接技术国家重点实验室,激光焊接特性,哈尔滨工业大学,陶 汪,你应该知道：,激光焊接基本原理？ 激光焊接的主要参数？ 常用材料的激光焊接性？ 激光焊接易出现的问题？,一、激光焊接原理,热导焊接 深熔焊接 热导焊传热特性 深熔焊传热特性,一、激光焊接原理,low,high,low,high,defocus,focus,一、激光焊接原理,激光焊接的主要特点,二、激光焊接的主要影响因素,光束特性 能量，脉冲或连续 光斑尺寸和模式 偏振 波长 焊接特性 焊接速度 聚焦位置 接头几何尺寸 间隙 保护气 成份 保护方式 压力、流速 材料特性 成份 表面状态,二、激光焊接的主要影响因素,1、激光能

2、量,304不锈钢,6kW,4kW,2kW,1kW,10,5,0,0,50,100,焊接速度, V/(mm/s),熔深，h/mm,激光功率直接影响焊接深度。 一定板厚焊接，需要匹配合适的焊接速度与激光功率。,P:激光功率(W) R:反射率 v: 焊接深度(m/s) W: 焊缝宽度(mm),二、激光焊接的主要影响因素,2、脉冲能量,调Q脉冲：初期抑制激光振荡，积累工作物质上能量粒子数；打开Q 开关，高能粒子雪崩式跃迁，极短时间内释放能量。 脉冲固体激光器：低平均功率，高峰值脉冲能量，短脉宽(200ms) 优势：适用焊接高反射率材料，更大熔深、低变形。 脉冲参数：脉冲频率、脉冲能量、脉冲宽度、峰值功

3、率,二、激光焊接的主要影响因素,脉冲频率 f (Hz),脉冲频率、光斑直径、焊接速度的匹配，决定焊缝重叠率。,单位脉冲能量 E (J) 脉冲峰值功率 P(W) 脉冲宽度 t(s),脉冲平均功率 Pe (W),脉冲焊关键：一定脉冲能量或平均功率基础上，可以调节峰值功率和激光作用时间。,铝合金：500Hz频率、P=1000W、Pe=2000W 脉冲焊接速度可以提高3倍，熔深提高60%。,二、激光焊接的主要影响因素,3、光斑直径,光斑直径决定激光能量密度，从而影响焊缝熔深、焊接速度和激光功率的匹配。 光斑直径取决于：光束质量、焦距、焦点位置 光斑直径的选择：深宽比、材料反射率、连接间隙,4、波长,波

4、长影响材料和等离子体对激光的吸收率。,二、激光焊接的主要影响因素,5、焊接速度,焊接速度影响熔池流动方式和尺寸。 低焊接速度：熔池大而宽，容易下塌 高焊接速度：熔池凝固速度大于回填速度，容易形成咬边、隆起,二、激光焊接的主要影响因素,6、焦点位置,焦点位置直接影响光束能量在材料表面及内部的分布状态，由接头类型、间隙、错位和所需焊缝熔深、熔宽决定。 对接接头：熔深最大； 搭接接头：熔宽最大,二、激光焊接的主要影响因素,激光焊接的接头设计,高能量密度、高速焊接 冷却速度快 材料蒸发、匙孔 激光辐射加热,三、常用材料的激光焊接性,激光焊接主要问题,裂纹、气孔,气孔,材料反射损失能量,热裂纹敏感材料：

5、高碳、硫、磷材料,三、常用材料的激光焊接性,三、常用材料的激光焊接性,碳 钢,采用激光焊接时，材料的含碳量(碳当量)不应高于0.2%。碳当量超过0.3%焊接难度增加，冷裂纹倾向加大，增加材料在疲劳和低温条件下的脆断倾向。,激光焊接性能较好，因为材料在浇注前加入了铝、硅等脱氧剂，使得钢中含氧量降到很低程度。 如果钢没有脱氧(如沸腾钢)，不能用激光进行焊接，否则气体逸出过程中形成的气泡很容易导致气孔的产生。,镇静钢和半镇静钢,含硫量高于0.04%或含磷量高于0.04%的钢激光焊接时易产生裂纹。,硫、磷含量,三、常用材料的激光焊接性,激光焊接性能一般都较好，奥氏体不锈钢由于加入硫和硒等元素以提高机械

6、性能，凝固裂纹的倾向有所增加。 奥氏体不锈钢的导热系数只有碳钢的1/3，吸收率比碳钢略高，焊接熔深约比普通碳钢深510%左右 激光焊接奥氏体不锈钢的热变形和残余应力相对较小，采用其它常规焊接方法时，奥氏体不锈钢会产生比碳钢大50%的热膨胀量。,奥氏体不锈钢,不锈钢,三、常用材料的激光焊接性,高反射率金属铝,铝合金的激光焊接需要相对较高的能量密度：铝合金反射率较高；铝合金的导热系数很高。 液态铝的粘度较低，表面张力也很低。 许多铝合金中含有易挥发的元素，如硅、镁等。 激光焊接铝的问题：气孔、热裂纹和焊缝不规则性。,三、常用材料的激光焊接性,铝合金双光束激光焊接,总功率相同时，双光束焊接焊缝表面成

7、形优于单光束， 焊接熔深没有明显增大。,三、常用材料的激光焊接性,铝合金双光束填丝焊,P=1300W VL=1.3m/min,P=1400W VL=1.9m/min,P=1600W VL=3.0m/min,三、常用材料的激光焊接性,钛及钛合金,激光焊可获高质量、塑性好的焊接接头。 钛对由氧气、氢气、氮气和碳原子所引起的间隙脆化很敏感，特别注意接头的清洁和气体保护问题。 钛从250开始吸收氢，从400开始吸收氧，从600开始吸收氮。 对热裂纹不敏感，焊接时会在接头的热影响区出现延迟裂纹，氢是主要原因。 气孔是钛及钛合金焊接时一个主要的问题。 消除气孔的主要途径：a) 用高纯度的氩气进行焊接，纯度

8、高于99.9%；b) 焊前清洗；c) 合适焊接规范。,三、常用材料的激光焊接性,钛合金表面氧化,V=0.8m/min, P=1000W,V=1.2m/min, P=1000W,V=1.6m/min, P=1000W,V=2.0 m/min, P=1000W,V=2.4m/min, P=1000W,V=2.8m/min, P=1000W,四、激光焊接的优缺点,能量密度大 精度高 焊接速度快 变形小 柔性大,成本 装配精度 反射率 气孔、裂纹,五、问题解决途径,焊接过程质量监测,开发新型激光器,功率提高、光束质量改善、成本降低,工艺优化,保护气体、能量输出形式控制，改变材料表面状态,开发高效高适应激光焊接技术,复合热源焊接、激光填丝填粉焊、双光束焊接等,五、问题解决途径,五、问题解决途径,不同保护气下等离子体形态,氩气,1400w,1600w,1900w,氦气,1800w,1400w,2200w,五、