激光热传导焊技术优化探究

2023-06-26 理论教育版权反馈

【摘要】：以脉冲激光为热源的焊接也称为脉冲激光焊。下面以脉冲激光焊为例介绍热传导焊主要的焊接参数和其影响。激光脉冲宽度是激光热传导焊接区别于材料去除的重要参数，也是决定加工设备造价及体积的关键参数。

1.技术原理和工艺特点

激光热传导焊就是利用上述提到的以热传导方式，将材料表层吸收的激光能传递到材料内部，并形成熔深的原理进行激光焊。由于激光热传导焊是在激光光斑功率密度10⁵W/cm²以下实现的，熔深的增加靠热传导来实现，其熔深必然有限，所以激光热传导焊主要用于薄（厚度<1mm）、小工件的焊接加工，且焊接速度较慢。

2.主要焊接参数及其影响

激光热传导焊采用的激光能量输出形式可以是脉冲的，也可以是连续波。以脉冲激光为热源的焊接也称为脉冲激光焊。相比而言，脉冲激光焊时涉及的工艺参数较多。连续激光焊接时通常涉及激光功率密度（或激光功率）、焊接速度、离焦量、保护气等，而脉冲激光焊接还涉及脉冲能量、脉冲宽度、脉冲波形和脉冲重复频率等脉冲方面的参数。下面以脉冲激光焊为例介绍热传导焊主要的焊接参数和其影响。

（1）功率密度热传导激光焊中，功率密度应为10⁴～10⁵W/cm²。在此功率密度下，材料表面被加热至熔点和沸点之间，既保证材料充分熔化，又不至于发生汽化，因此不会产生小孔。根据热传导方程，可求出一定脉冲宽度条件下，在所确定材料的既定物性范围内达到某一温度所需的功率密度。在恒定激光强度的表面热源作用下，表面达到材料熔点的功率密度q_c1为

表面达到沸点功率密度q_c2为

式中 T_m——熔点温度（K）；

T_v——沸点温度（K）；

K——热导率[W/（m·K）]；

α——热扩散系数（m²/s）；

τ₁——脉宽（s）。

可以看出，激光功率密度随材料熔点温度T_m、沸点温度T_v、热导率K的增加而增加，随热扩散系数α和脉冲宽度τ₁的增加而减小。

（2）脉冲能量与脉冲宽度用脉冲激光焊时，与连续激光焊时的功率密度或功率参数相类似的就是脉冲能量，当然，脉冲能量和脉冲宽度两个参数共同才决定了脉冲期间的功率值。

脉冲能量主要影响金属的熔化量，当脉冲能量增加时，熔化区的深度和直径都增加。

激光脉冲宽度是激光热传导焊接区别于材料去除的重要参数，也是决定加工设备造价及体积的关键参数。脉冲宽度主要影响熔深，多数情况下的脉宽根据熔深要求而确定。当脉冲能量一定时，脉冲宽度存在一个最优值，使熔深最大。脉冲宽度越大，焊接时间越长，热影响区大，如果对热影响区大小有严格要求，应严格控制脉宽。如果热影响区允许，适当增大脉宽有利于提高焊接过程的稳定性。

（3）激光脉冲波形不同的激光脉冲波形，对焊接产生不同的影响。随着电子技术的发展，已经能够比较方便地获得任意波形的激光脉冲。如果要保证材料表面温度维持在熔点和沸点之间，可以通过热传导方程求出焊接材料在不同时间所需的激光功率密度，据此确定所需的激光脉冲波形。

在脉冲作用期间，初始时材料表面温度低，金属材料对激光的反射率高；随着激光能量继续照射作用，材料表面温度升高，激光反射率下降。因此，可以采用有前段尖峰的波形（见图4-1-18），这种波形可使金属表面温度迅速上升到熔点，尽快降低材料对激光的反射率，这种波形适用于高反射率金属，如有色金属。对于较低反射率的金属如某些黑色金属，则采用激光波形比较平坦。对脉冲重复率较高的焊缝，不宜采用前段尖峰脉冲，因为采用前段尖峰脉冲易出现金属高度汽化，产生飞溅和孔洞。

图4-1-18 带前段尖峰的激光波形示意图

（4）离焦量当激光焦点位置位于工件表面上方时，称为正离焦；焦点位置位于工件表面下方时，即位于材料内部时，称为负离焦；刚好位于工件表面时，则称为零离焦。激光焊通常需要一定的离焦量，因为激光焦点处光斑中心的功率密度过高，容易蒸发成孔，离开激光焦点的各平面上，功率密度分布较为均匀。

当正负离焦量相等时，所对应平面上功率密度近似相同，但实质上获得的熔池形状是不同的。当负离焦时，材料内部功率密度比表面还高，易形成更强的熔化、汽化，使光能向材料更深处传递，因此获得更大的熔深。在实际应用中，要求熔深较大时，采用负离焦；焊接薄材料时，宜用正离焦或零离焦。

激光热传导焊技术优化探究

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