激光焊(han)接是利用能量密(mi)度高(gao)(gao)的(de)激光作(zuo)為(wei)焊(han)接熱源實現板(ban)材(cai)焊(han)接的(de)一(yi)種特殊的(de)生產技(ji)術，因其有能量密(mi)度高(gao)(gao)、焊(han)接速度快、環保、板(ban)材(cai)變形量小等優點，在鈑(ban)金(jin)制造(zao)行業得(de)到(dao)了良(liang)好(hao)的(de)應用。

激光焊接與傳統電弧焊的比較

電弧焊介紹

      傳統電(dian)弧(hu)(hu)焊(han)(han)(han)大致可分為焊(han)(han)(han)條(tiao)電(dian)弧(hu)(hu)焊(han)(han)(han)、鎢極(ji)氬弧(hu)(hu)焊(han)(han)(han)、熔化(hua)極(ji)氣體保(bao)護(hu)電(dian)弧(hu)(hu)焊(han)(han)(han)、埋弧(hu)(hu)焊(han)(han)(han)等。焊(han)(han)(han)條(tiao)電(dian)弧(hu)(hu)焊(han)(han)(han)是在焊(han)(han)(han)件與(yu)焊(han)(han)(han)條(tiao)之間引出(chu)電(dian)弧(hu)(hu)，電(dian)弧(hu)(hu)產生(sheng)的(de)熱量熔化(hua)焊(han)(han)(han)件與(yu)焊(han)(han)(han)條(tiao)的(de)接觸(chu)部分形成(cheng)金屬熔池，隨著焊(han)(han)(han)條(tiao)前進的(de)方向，新的(de)熔池不(bu)(bu)斷產生(sheng)，老的(de)熔池不(bu)(bu)斷冷卻與(yu)凝固，最(zui)終形成(cheng)焊(han)(han)(han)縫。焊(han)(han)(han)接過程(cheng)示意圖(tu)如圖(tu)1所(suo)示。

圖1 焊條電弧焊示意圖

      鎢(wu)極氬弧焊采用(yong)鎢(wu)極作為(wei)放電電極，但該電極不會(hui)被消耗，采用(yong)惰性氣(qi)體(ti)作為(wei)保(bao)護氣(qi)體(ti)，依靠電弧產生(sheng)的熱量來熔(rong)化母材(cai)與(yu)焊材(cai)，焊接區域被保(bao)護氣(qi)覆(fu)蓋(gai)，基本不會(hui)發生(sheng)飛(fei)濺。

      熔化極氣(qi)體保護(hu)電(dian)弧(hu)焊(han)是通過給焊(han)絲(si)通電(dian)，在焊(han)絲(si)與(yu)母材(cai)之間產(chan)生(sheng)電(dian)弧(hu)，熔化母材(cai)與(yu)焊(han)絲(si)。

      電弧(hu)(hu)(hu)焊(han)(han)目(mu)前在焊(han)(han)接(jie)領域仍然(ran)占(zhan)主體(ti)地(di)位，但隨著(zhu)市場(chang)對(dui)于焊(han)(han)接(jie)質(zhi)量、效率的(de)(de)要求越(yue)來(lai)越(yue)高，傳統電弧(hu)(hu)(hu)焊(han)(han)在一(yi)些高端鈑金(jin)的(de)(de)制造(zao)領域遇(yu)到了瓶頸(jing)，電弧(hu)(hu)(hu)焊(han)(han)的(de)(de)缺點也(ye)越(yue)來(lai)越(yue)明顯。傳統的(de)(de)電弧(hu)(hu)(hu)焊(han)(han)要求使(shi)用(yong)氬氣作為保護(hu)氣體(ti)，而(er)高純度的(de)(de)氬氣成(cheng)本較(jiao)高；電弧(hu)(hu)(hu)焊(han)(han)操(cao)作需(xu)要有特種作業操(cao)作證(zheng)的(de)(de)專業人員來(lai)進(jin)行，準入門檻較(jiao)高；氬弧(hu)(hu)(hu)焊(han)(han)會產(chan)生(sheng)高密度的(de)(de)電流，產(chan)生(sheng)熱量較(jiao)高，不利(li)于熔點較(jiao)低的(de)(de)金(jin)屬板材焊(han)(han)接(jie)；焊(han)(han)接(jie)效率低，速度較(jiao)慢；焊(han)(han)接(jie)表面(mian)較(jiao)為粗糙，若表面(mian)形貌要求較(jiao)高，則需(xu)要增加打磨工序；電弧(hu)(hu)(hu)焊(han)(han)強度有限。

激光焊接的優勢

      主流的(de)(de)激光(guang)焊(han)接可分為自熔焊(han)、擺動焊(han)、填絲焊(han)、振鏡(jing)焊(han)及多(duo)種焊(han)接方(fang)式相結合的(de)(de)復合焊(han)等(deng)。相比于傳統的(de)(de)電弧焊(han)，激光(guang)焊(han)接技術(shu)的(de)(de)優(you)點見表1。對于產品附(fu)加值較高、產品一致性好、焊(han)縫間隙小、追求效率的(de)(de)高端鈑金制造行(xing)業(ye)，激光(guang)焊(han)接可作(zuo)為首選(xuan)。

表1 激(ji)光焊接與(yu)電弧焊接特點比較(jiao)

激光焊接工藝參數

激光焊接焊縫指標

      由于客(ke)戶需求不(bu)同，對鈑(ban)金(jin)件的(de)焊接效果要求也不(bu)同。對于焊縫的(de)要求主要體(ti)現在以下幾(ji)個指標：表面(mian)形(xing)貌，熔池(chi)寬深比，是否(fou)有氣孔(kong)、裂紋、雜質、咬(yao)邊等缺陷。

      表面(mian)形(xing)貌(mao)是(shi)焊(han)(han)材(cai)與母(mu)(mu)材(cai)結合或者(zhe)(zhe)母(mu)(mu)材(cai)與母(mu)(mu)材(cai)結合之后焊(han)(han)縫表面(mian)的(de)形(xing)狀樣貌(mao)，或者(zhe)(zhe)凹(ao)陷、或者(zhe)(zhe)平(ping)整、或者(zhe)(zhe)上凸(tu)，可(ke)通過調節焊(han)(han)接功率(lv)、離焦量、拼接方式(shi)等來實(shi)現不同的(de)焊(han)(han)接形(xing)貌(mao)。

      熔池(chi)(chi)寬深(shen)比(bi)(bi)(bi)，是指焊(han)縫熔池(chi)(chi)深(shen)度(du)(du)與(yu)寬度(du)(du)的(de)比(bi)(bi)(bi)值。若客戶(hu)對于焊(han)接(jie)產(chan)品有(you)強度(du)(du)要求，需(xu)要將焊(han)接(jie)產(chan)品通(tong)過線切(qie)割→鑲(xiang)嵌(qian)→磨拋→腐蝕→顯微鏡(jing)金相分析這一系列步驟(zou)，根(gen)據焊(han)縫的(de)深(shen)寬比(bi)(bi)(bi)值反(fan)映焊(han)接(jie)強度(du)(du)，更多(duo)的(de)是硬度(du)(du)方面的(de)體(ti)現，也可通(tong)過拉(la)伸(shen)強度(du)(du)測試反(fan)饋焊(han)接(jie)的(de)拉(la)伸(shen)強度(du)(du)指標(biao)。熔深(shen)比(bi)(bi)(bi)金相分析如圖2所示。

圖2 熔深比金相分析

      在(zai)特(te)定的(de)工作環境中，焊接(jie)件存在(zai)氣(qi)孔、裂紋、雜質、咬邊(bian)等(deng)缺陷，很可能(neng)會引發(fa)嚴重的(de)安全事故，如(ru)有的(de)產品對氣(qi)密(mi)性(xing)、是(shi)否漏水等(deng)有嚴格要(yao)求。正(zheng)常焊縫、存在(zai)缺陷焊縫示意圖如(ru)圖3所(suo)示。

圖3 焊縫示意圖

激光焊接影響因素

      直(zhi)接影響激光(guang)焊(han)接的因(yin)素有(you)焊(han)接溫度(du)、焊(han)接材料的熔點(dian)、焊(han)接材料對(dui)激光(guang)的吸收率(lv)、熱影響等(deng)。對(dui)應到焊(han)接工藝，可(ke)從材料性能、激光(guang)功率(lv)、焊(han)接速度(du)、焦點(dian)位置、保護氣(qi)體、焊(han)縫間隙等(deng)方面來考慮。

 ;     焊接材料對(dui)激光的(de)(de)吸(xi)(xi)收(shou)率影響焊接效(xiao)果，就(jiu)一般材料而(er)言，鋁和銅對(dui)于焊接激光的(de)(de)吸(xi)(xi)收(shou)率較高，而(er)碳鋼(gang)和不銹鋼(gang)較低。對(dui)于吸(xi)(xi)收(shou)率高的(de)(de)焊接材料往(wang)往(wang)需(xu)要花費更多的(de)(de)能量(liang)來使之熔化并形(xing)成(cheng)穩定的(de)(de)熔池與焊縫。

      激光(guang)功率(lv)是激光(guang)焊(han)(han)接的能量(liang)來源，對(dui)焊(han)(han)接效果有決定性的影(ying)響(xiang)，激光(guang)功率(lv)的大小也影(ying)響(xiang)著焊(han)(han)接的速度(du)。激光(guang)功率(lv)不(bu)是越大越好，在(zai)達到(dao)一定的激光(guang)功率(lv)后，對(dui)應的焊(han)(han)接熔(rong)(rong)深也會達到(dao)一個閾值，超過(guo)這個閾值，熔(rong)(rong)池(chi)會更不(bu)穩定，反而使得(de)熔(rong)(rong)池(chi)深度(du)降低。所以選擇合適的激光(guang)功率(lv)值變得(de)尤為關(guan)鍵。

      焊(han)接(jie)速度(du)與(yu)熔(rong)深呈(cheng)負相關(guan)，速度(du)越快(kuai)(kuai)，焊(han)接(jie)材料上(shang)輸入的(de)(de)能量(liang)就會(hui)越低(di)，反之(zhi)則會(hui)越高。過快(kuai)(kuai)的(de)(de)速度(du)不能使焊(han)接(jie)材料獲得足夠的(de)(de)能量(liang)而形成理想的(de)(de)焊(han)縫，過低(di)的(de)(de)速度(du)會(hui)導(dao)致過熔(rong)現象，尤其是(shi)對熱量(liang)敏感的(de)(de)鋁(lv)。

      焦(jiao)(jiao)點位置直接(jie)影響焊縫的熔深與熔寬(kuan)，激光(guang)焦(jiao)(jiao)點正好位于焊接(jie)材料表面稱為零焦(jiao)(jiao),位于焊接(jie)材料之上或者之下均為偏焦(jiao)(jiao)。零焦(jiao)(jiao)光(guang)斑最小，同時光(guang)斑能量密(mi)度(du)最高；偏焦(jiao)(jiao)焊接(jie)功率密(mi)度(du)降低但光(guang)斑變大，適合焊接(jie)范圍大的工件。

      保護氣(qi)(qi)(qi)體對(dui)焊(han)接(jie)的(de)(de)影(ying)響不(bu)(bu)僅體現(xian)在吹氣(qi)(qi)(qi)種類上(shang)，也(ye)體現(xian)在不(bu)(bu)同(tong)的(de)(de)吹氣(qi)(qi)(qi)方式上(shang)。吹氣(qi)(qi)(qi)的(de)(de)作用不(bu)(bu)僅是防(fang)止(zhi)焊(han)接(jie)過程(cheng)中工件表(biao)面(mian)不(bu)(bu)被氧(yang)化，還是抑制激光(guang)焊(han)接(jie)過程(cheng)中產(chan)生的(de)(de)等離子云。保護氣(qi)(qi)(qi)會(hui)直接(jie)影(ying)響表(biao)面(mian)的(de)(de)形貌與色澤，對(dui)這兩點有要(yao)求的(de)(de)焊(han)接(jie)產(chan)品一(yi)定要(yao)注意保護氣(qi)(qi)(qi)體的(de)(de)重要(yao)性。

      待焊工(gong)(gong)件(jian)焊縫的(de)間隙與焊接(jie)的(de)熔(rong)深、熔(rong)寬(kuan)、焊縫形貌有直接(jie)的(de)關系。若(ruo)焊縫間隙過(guo)大(da)、光(guang)斑(ban)較小(xiao)則無法(fa)將(jiang)焊縫熔(rong)化結合，熔(rong)合困難；同時(shi)激光(guang)外露，很可能損壞工(gong)(gong)裝或(huo)工(gong)(gong)件(jian)。若(ruo)間隙過(guo)大(da)且(qie)在一(yi)定(ding)范圍內，可通過(guo)增大(da)光(guang)斑(ban)、增加擺(bai)動等方式來改(gai)善，但改(gai)善效(xiao)果有限。

焊接試驗分析

     1mm的(de)(de)薄板可(ke)從1kW的(de)(de)功率、30mm/s的(de)(de)焊接(jie)(jie)速度(du)開始試焊接(jie)(jie)，參考功率可(ke)為P=A·X，其中A是(shi)(shi)常數系數（A≥0），X是(shi)(shi)板厚。在焊接(jie)(jie)速度(du)、材質(zhi)、氣體等其他焊接(jie)(jie)條件(jian)不變的(de)(de)情況下，系數A的(de)(de)大小(xiao)隨著板厚的(de)(de)增加而逐漸減小(xiao)，同時(shi)系數A也受焊接(jie)(jie)方式(shi)的(de)(de)影響。

碳鋼板焊接工藝分析

      厚(hou)度為1.5mm的(de)Q235碳鋼板(ban)的(de)擺動焊接工藝參數見表2。

     表2 Q235碳鋼(gang)板擺動焊接工藝參(can)數(shu)

      從上(shang)述試驗數據可(ke)以看出，在(zai)擺動(dong)焊接碳鋼(gang)板(ban)的過(guo)程中，隨著(zhu)焊接速(su)度(du)的增加、激光功率也要適當增加，在(zai)保證(zheng)擺動(dong)范圍不(bu)變的情(qing)況下，需要增加擺動(dong)速(su)度(du)，來保證(zheng)焊接效(xiao)果。若是(shi)擺動(dong)速(su)度(du)過(guo)小會出現焊縫不(bu)均(jun)勻的情(qing)況。

      一般(ban)來說，碳(tan)鋼自熔(rong)(rong)焊(han)(han)所(suo)需(xu)能(neng)量(liang)小(xiao)于(yu)碳(tan)鋼自熔(rong)(rong)擺動(dong)焊(han)(han)所(suo)需(xu)能(neng)量(liang)，碳(tan)鋼自熔(rong)(rong)擺動(dong)焊(han)(han)所(suo)需(xu)能(neng)量(liang)小(xiao)于(yu)碳(tan)鋼擺動(dong)填絲(si)焊(han)(han)所(suo)需(xu)能(neng)量(liang)，在其他因素不變(bian)的(de)(de)情況下，能(neng)量(liang)主(zhu)要(yao)(yao)(yao)由功率(lv)和速度(du)來控(kong)制。相同的(de)(de)焊(han)(han)接效果，功率(lv)高(gao)了(le)，速度(du)要(yao)(yao)(yao)快；功率(lv)低了(le)，速度(du)要(yao)(yao)(yao)慢。理想狀態下，為了(le)兼顧焊(han)(han)接質量(liang)與(yu)效率(lv)，要(yao)(yao)(yao)盡可能(neng)提高(gao)焊(han)(han)接速度(du)，但速度(du)太快焊(han)(han)接頭會(hui)抖(dou)動(dong)，還會(hui)受(shou)激光(guang)功率(lv)與(yu)材料性能(neng)的(de)(de)限制。因此，一般(ban)會(hui)在功率(lv)與(yu)速度(du)之間尋(xun)求(qiu)平衡。

鋁板焊接工藝分析

      試驗(yan)選用的光纖芯(xin)徑為100μm，如(ru)果要(yao)焊接(jie)鋁、銅等高(gao)反、吸(xi)熱性強的材(cai)料，需(xu)要(yao)更高(gao)的功率密(mi)度(du)來使鋁熔(rong)化。此(ci)時，需(xu)選擇零(ling)焦焊接(jie)金(jin)(jin)屬，在(zai)焊縫較(jiao)小的情況下，它(ta)可以使激光在(zai)功率最小的情況下形成最大的功率密(mi)度(du)，熔(rong)化金(jin)(jin)屬，形成熔(rong)池(chi)，這(zhe)就是需(xu)要(yao)找(zhao)零(ling)焦的原因之一。不同材(cai)質焊接(jie)工(gong)藝參(can)數見(jian)表3。

     表3 不同(tong)材質(zhi)焊接工藝(yi)參數(shu)對比

      從(cong)上述(shu)試驗數(shu)(shu)據可以(yi)看出，相同厚度的(de)板材(cai)，在其(qi)他參數(shu)(shu)幾乎不變的(de)情況下，3系鋁合金(jin)要比Q235碳鋼需要更(geng)慢的(de)焊(han)接速度來達到理想的(de)焊(han)接效果，本(ben)質上需要更(geng)多的(de)熱(re)量。

不銹鋼吹白工藝分析

      厚度為1.5mm的不銹鋼焊(han)(han)接(jie)焊(han)(han)縫吹白工藝參數對比見表(biao)4，焊(han)(han)接(jie)效果如圖4所示，3條焊(han)(han)縫（從(cong)左到右(you)）焊(han)(han)接(jie)參數分別對應表(biao)4中的序號1、2、3。

      要想不銹鋼吹白(bai)(bai)，是(shi)需(xu)要激光熔化(hua)金屬(shu)之后能(neng)夠在(zai)保護氣(qi)(qi)體(ti)的(de)氛圍下快(kuai)速(su)(su)冷卻(que)結(jie)晶。如(ru)果功率(lv)(lv)過(guo)高，在(zai)金屬(shu)板材(cai)上就會積累很多熱量，冷卻(que)速(su)(su)度(du)就會較慢(man)，容(rong)易(yi)氧化(hua)變色(se)；功率(lv)(lv)過(guo)低，無法(fa)熔透；如(ru)果速(su)(su)度(du)過(guo)快(kuai)，加上吹氣(qi)(qi)工裝可能(neng)不夠大(da)，吹氣(qi)(qi)效果就會不好(hao)；如(ru)果速(su)(su)度(du)過(guo)慢(man)，熱積累過(guo)多。總的(de)來(lai)說，要吹白(bai)(bai)，就要平衡好(hao)功率(lv)(lv)、速(su)(su)度(du)和吹氣(qi)(qi)這(zhe)幾個(ge)方面，如(ru)果實在(zai)無法(fa)一(yi)次性吹白(bai)(bai)，可以先在(zai)功率(lv)(lv)略高的(de)條件下焊一(yi)道，然后降(jiang)低功率(lv)(lv)再焊一(yi)道。

結束語

      激(ji)光焊(han)(han)(han)接(jie)過程中，為保證焊(han)(han)(han)接(jie)質量，可(ke)從材料性能、激(ji)光功率、焊(han)(han)(han)接(jie)速度、焦點位置、保護氣體、焊(han)(han)(han)縫間隙(xi)等(deng)方面綜合考(kao)慮。對于主(zhu)流的(de)碳(tan)鋼、不銹鋼、鋁板可(ke)以選(xuan)擇(ze)上述提到(dao)的(de)起(qi)始(shi)試(shi)驗參(can)數，然(ran)后根據(ju)材料特性、客戶要(yao)求等(deng)調(diao)節(jie)各方面參(can)數，從而使焊(han)(han)(han)縫達到(dao)理想的(de)效果。

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