技术优化为：双光束激光焊接技术优化

2023-06-26 理论教育版权反馈

【摘要】：在20世纪90年代，双光束激光焊成为了激光焊的一个新的研究方向。在串联式和并列式两种双光束焊接工艺之间的焊接机理和对激光焊结果影响的区别被认为是微小的。以串联式排布的双光束激光焊为例，根据光斑间距的不同，存在三种类型，如图4-1-25所示。

在20世纪90年代，双光束激光焊成为了激光焊的一个新的研究方向。双光束激光焊是在焊接过程中同时使用两束激光，可灵活调节光束的排列方式、光斑间距、两束光所成的角度、聚焦位置以及两束光的能量比等相关参数提高焊接的适用性。双光束激光焊方法的提出，主要是用于解决激光焊对装配精度的适应性和提高焊接过程的稳定性，改善焊缝质量，尤其是为一些采用传统激光焊效果较差的薄板焊接、铝合金焊接以及一些复杂的焊接提供了解决方案。

1.双光束激光焊原理

目前的双光束焊接的研究主要集中在使用两束平行光作为热源，把一束激光通过分光装置分成两束平行光，或用两台激光器分别产生的激光在传输光路中耦合，然后通过聚焦镜聚焦成两个光斑，通过对折射镜或聚焦镜活动部分的调节来调节光斑间距。在已报道的双束激光焊接系统中，大多为两束YAG激光的组合，因为用光纤导光的激光工作头便于操作。也可通过特殊的光学仪器综合其他类型激光。双束激光组合的系统在不断变化的光斑间距和两激光束的功率比率情况下更为灵活。分光形成的双激光束几乎是平行的，并且具有相同的偏振（相干）面。双光束的排列方式有两种方式：一种是沿焊缝方向成串列式排布，一般用于降低冷却速率，减少了焊缝的淬硬性和气孔的产生；另一种是在焊缝两侧并列排布或者交叉排布。在这些情况中可以获得较小的光斑间距，可提高对焊缝间隙的适用性。在串联式和并列式两种双光束焊接工艺之间的焊接机理和对激光焊结果影响的区别被认为是微小的。

2.双光束激光焊焊接参数

双光束激光焊时，除了单光束激光焊时涉及的激光功率、焦斑尺寸、离焦量、焊接速度和保护气体等参数以及上面已提到的光束排列方式之外，还主要涉及光斑间距、两束光之间的夹角以及两束光的功率比等参数。

（1）光斑间距光斑间距会直接影响到焊接熔深的形成机制。以串联式排布的双光束激光焊为例，根据光斑间距的不同，存在三种类型，如图4-1-25所示。第1种类型为大光斑间距的双光束工艺，其中一束光的功率密度较大，聚焦于工作表面，用于在焊接中产生匙孔；另一束光功率密度较小，只作为焊前或者焊后热处理的热源。在此情况下，焊接熔池的冷却速度减小，该特点有利于一些裂纹敏感性大的材料减少裂纹的产生，如中碳钢或合金钢等。另外，焊缝金属和热影响区中的贝氏体组织增加，并有望改善焊缝的韧性。第2种类型为两个激光束在同一焊接熔池中各自生成独立的匙孔，融熔金属的质量流动模式被改变，有助于防止咬边、焊道凸起等缺陷的产生，改善焊缝成形。在第3种类型中，光斑间距小，两个光束产生一个共同的匙孔并与材料相互反应。与单光束激光焊相比，此时的匙孔尺寸变大，不易闭合，焊接过程更加稳定，气体也更容易排除，有利于减少气孔、飞溅，获得连续、均匀、美观的焊缝。在交叉的双束激光焊接中，产生了漏斗型的匙孔，匙孔尺寸稳定并不易坍塌，增加了焊接的稳定性和连贯性，焊接质量也得到了改善。

图4-1-25 串联式双束激光焊不同光斑间距下焊接机理示意图

a）第1种类型 b）第2种类型 c）第3种类型

（2）光束间夹角当两光束之间存在一定夹角时，则共同形成的匙孔可为漏斗形状，匙孔尺寸变大且更稳定，也可提高焊接质量。

（3）两光束的功率比两光束的功率之比对焊接质量也有显著的影响。对于用于预热或后热作用的光束，其功率和功率密度都不需要太大，会显著低于形成熔深的激光束功率值。对于串联排列且均聚焦在材料表面位置的激光束，任一光束都能形成深熔效果，但通常前置光束的功率较大，以形成必要的熔深；后置光束功率不超过前置光束，主要是扩大匙孔开口尺寸或改善熔池金属流动。

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