激光功率
激光焊接存在一个激光能量密度阈值,低于这个阈值熔深很浅,一旦达到或超过这个值,熔深就会大大提高。只有当工件上的激光功率密度超过阈值(与材料有关)时,才会产生等离子体,这表明稳定的深熔焊接。如果激光功率低于该阈值,则只有工件的表面熔化,也就是说,焊接以稳定的热传导型进行。但是,当激光功率密度接近针孔形成的临界条件时,深熔焊接和导电焊接交替进行,成为不稳定的焊接过程,导致熔深波动很大。在激光深穿透焊接中,激光功率同时控制穿透深度和焊接速度。焊接的穿透深度与束功率密度直接相关,并且是入射束功率和束焦点的函数。一般来说,对于一定直径的激光束,穿透深度随着光束功率的增加而增加。
光束焦点
光斑尺寸是激光焊接中Z重要的变量之一,因为它决定了功率密度。但是对于高功率激光来说,其测量是一个难题,虽然有很多间接测量技术。
光束焦点的衍射光斑尺寸可根据光衍射理论计算,但由于聚焦透镜的像差,实际光斑尺寸大于计算值。Z简单的测量方法是等温轮廓法,即厚纸烧穿聚丙烯板后测量焦斑和穿孔直径。这种方法需要通过测量实践掌握激光功率和光束作用时间。
材料吸收值
材料对激光的吸收取决于材料的一些重要性质,如吸收率、反射率、热导率、熔化温度、蒸发温度等。,其中吸收率是Z重要的。
影响激光束吸收率的因素有两个:一是材料的电阻率。通过对材料抛光表面吸收率的测量,发现材料的吸收率与电阻率的平方根成正比,电阻率随温度变化;其次,材料的表面状态(或光滑度)对光束吸收率有重要影响,对焊接效果有明显作用。
CO2激光的输出波长通常为10.6μm,陶瓷、玻璃、橡胶、塑料等非金属在室温下吸收率很高,而金属材料在室温下吸收率很差,其吸收急剧增加,直至材料熔化甚至气化。通过在表面使用表面涂层或氧化膜来提高光束的吸收是非常有效的。
焊接速度
焊接速度对熔深有很大影响。提高速度会使穿透深度变浅,但过低的速度会导致材料的过度熔化和工件的穿透。因此,对于一定激光功率和厚度的特定材料,存在一个合适的焊接速度范围,在相应的速度值下可以获得Z大熔深。图10-2显示了1018钢的焊接速度和熔深之间的关系。
保护气体
在激光焊接过程中,惰性气体经常被用来保护熔池。焊接某些材料时,表面氧化可以忽略不计,但对于大多数应用场合,经常使用氦气、氩气、氮气等气体来保护工件在焊接过程中不被氧化。
氦气不易电离(电离能高),使得激光顺利通过,光束能量可以畅通无阻地到达工件表面。这是激光焊接中使用的Z有效的保护气体,但价格较贵。
氩气更便宜,密度更大,所以保护效果更好。但容易被高温金属等离子体电离,导致部分光束被工件屏蔽,降低焊接的有效激光功率,损害焊接速度和熔深。氩气保护的焊件表面比氦气保护的焊件表面光滑。
氮气是Z便宜的保护气体,但它不适合焊接某些类型的不锈钢,主要是由于冶金问题,如吸收,有时会在搭接接头中产生气孔。
使用保护气体的作用是保护聚焦透镜免受金属蒸汽污染和液滴溅射。特别是在大功率激光焊接中,由于射流变得非常强大,更需要保护透镜。
保护气体的第三个作用是消除高功率激光焊接产生的等离子体屏蔽。金属蒸汽吸收激光束电离成等离子云,金属蒸汽周围的保护气体也会被加热电离。如果等离子体太多,激光束会在一定程度上被等离子体消耗掉。等离子体作为二种能量存在于工作表面,使焊接深度变浅,熔池表面变宽。通过增加电子与离子和中性原子的碰撞来增加电子的复合率,从而降低等离子体中的电子密度。中性原子越轻,碰撞频率越高,复合率越高;另一方面,只有电离能高的保护气体才不会因为气体本身的电离而增加电子密度。