本文主要想簡單對比一下不同芯徑激光器的焊接效果，分別從激光焊接原理；不同芯徑激光器焊接金相對比；應(yīng)用舉例分析進(jìn)行簡單的應(yīng)用分析。
一、激光焊接原理：材料間相互作用
金屬材料的激光加工主要是基于光熱效應(yīng)的熱加工，激光輻照材料表面時，在不同的功率密度下，材料表面區(qū)域?qū)l(fā)生各種不同的變化。這些變化包括表面溫度升高、熔化、汽化、形成匙孔以及產(chǎn)生光致等離子體等。而且，材料表面區(qū)域物理狀態(tài)的變化極大地影響材料對激光的吸收，一般來說，溫度越高，材料對激光的吸收率越高。隨功率密度與作用時間的增加，金屬材料將會發(fā)生以下幾種物態(tài)變化，如圖1所示[1]。
圖1 材料在不同激光能量作用下的反應(yīng)
激光焊接的核心就兩個：傳熱與導(dǎo)熱，傳熱與熱源、功率密度、線能量有關(guān)；導(dǎo)熱主要與材料的散熱、傳熱速度有關(guān)，屬于材料的固有屬性，一般可通過水冷夾具、保護(hù)氣流量去微調(diào)。在焊接過程，主要對熱源、功率密度、線能量進(jìn)行調(diào)整，涉及工藝參數(shù)有：激光器芯徑、功率、速度、離焦量等的選擇。考慮到本文主要針對不同芯徑的激光器，主要涉及不同的功率密度，圖2為功率密度的簡單計算公式： 圖2 功率密度計算公式 激光焊接按焊接過程的吸收率來分主要有兩種，一種是熱導(dǎo)焊（深寬比＜1，激光吸收率紅光在20%以內(nèi)，不同波長有差異）、一種是深熔焊（深寬比＞1，吸收率大于材料熔池吸收率，60%以上，主要是有匙孔內(nèi)的激光多次反射吸收）。 激光熱導(dǎo)焊： 不同的激光輻射照度會引起材料產(chǎn)生不同的物態(tài)變化，反映在焊接工藝上就表現(xiàn)為兩種典型的焊接模式:激光熱導(dǎo)焊和激光深熔焊。兩者的傳熱過程、焊縫形成機(jī)制、工藝特點和應(yīng)用范圍有很大區(qū)別。 激光熱導(dǎo)焊模式： 熱導(dǎo)焊時，照射在工件表面的激光輻射照度在10E4~10E6W/cm范圍，激光能量為表層 10 ~100m 的薄層所吸收，表層的激光能量靠熱傳導(dǎo)向材料內(nèi)部傳導(dǎo)，激光無法直接觸及。激光照射經(jīng)過一定時間后，表面達(dá)到熔化，這一熔化等溫線向材料深處傳播，表面溫度繼續(xù)升高。但最高只能達(dá)到材料沸點，溫度再高材料將汽化形成凹坑，穩(wěn)定的熱導(dǎo)焊過程將受到破壞，熔池會振蕩，出現(xiàn)材料燒損，一般熱導(dǎo)焊用在薄板居多，這種情況需要杜絕。隨著激光束與工件的相對運(yùn)動，便形成了一道淺而寬的焊縫，如圖3所示。焊縫的深寬比小，一般焊縫寬度為熔深的2 倍以上，下圖為典型的激光熱導(dǎo)焊焊縫斷面形貌，焊縫形狀近似半球形。 圖3 激光熱導(dǎo)焊 激光深熔焊： 當(dāng)輻射照度大于 10E7W/cm時，材料表面在激光作用下熔化、汽化，所產(chǎn)生的蒸氣反沖壓力向下沖擊熔池，形成匙孔；光束直接作用在匙孔底部，使金屬進(jìn)一步熔化和汽化，高壓氣不斷從匙孔內(nèi)部產(chǎn)生并不斷向外噴發(fā)，從而使小孔進(jìn)一步加深，光束也一步步深入，激光熱源也作用到材料內(nèi)部，從匙孔內(nèi)部向材料傳遞熱量，形成更深的熱影響區(qū)；同時在匙孔內(nèi)充滿因高溫蒸氣部分電離而成的等離子體，小孔出口上方也形成定范圍的等離子體云，如圖4所示： 圖4 激光深熔焊 匙孔效應(yīng)對于激光焊接過程中材料對激光的吸收具有極其重要的作用，進(jìn)入匙孔的激光束通過孔壁的多次反射而幾乎被完全吸收。如圖所示，若假設(shè)匙孔為圓錐面（角度為?），沿圓錐軸線入射的光束經(jīng)錐面反射直向匙孔底部并反射，總共反射180°/?次。每反射一次，鋼的吸收約為 13%。設(shè)P=10°則在 18 次反射過程中總吸收率達(dá)92%，相比熱導(dǎo)13% 的吸收率有極大的提升。熱導(dǎo)與深熔的區(qū)分一般按金相熔深：熔寬大于1，可以算深熔，因為出現(xiàn)匙孔提高了吸收率；這種簡易方法適用于單激光焊接，復(fù)合不適用此判斷，復(fù)合一般皆為深熔焊，中心光束都有匙孔效應(yīng)存在。 二、不同芯徑激光器焊接金相對比： 了解基本的功率密度、熱導(dǎo)焊、深熔焊概念之后，接下來對不同芯徑的功率密度和金相金相對比分析。 本次針對市面常見的激光芯徑進(jìn)行焊接實驗對比： 圖5 不同芯徑激光器焦斑位置功率密度 從功率密度上看，在同樣的功率下，越細(xì)的芯徑，激光亮度越高，能量越集中，如果把激光比作一把尖刀，越細(xì)小芯徑的激光，越鋒利。14um芯徑功率密度是100um芯徑激光器的50倍以上，加工能力更強(qiáng)。同時這里計算的功率密度只是簡單的平均密度，實際的能量分布是近似高斯分布，中心能量會是平均功率密度的好幾倍。 圖6 不同芯徑激光能量分布示意圖 能量分布圖顏色即為能量分布，顏色越紅，能量越高，能量紅的地方為能量集中的地方，通過不同芯徑激光束的激光能量分布，可以看出激光束鋒不鋒利，激光束越小，能量越集中于一個點，越鋒利，穿透能力越強(qiáng)。 圖7 不同芯徑激光器焊接效果對比 不同芯徑激光器對比： （1）實驗采用速度為150mm/s，焦點位焊接，材料為1系鋁，2mm厚； （2）芯徑越大，熔寬越大，熱影響區(qū)越大，同時單位功率密度越小，當(dāng)芯徑超過200um時，在鋁銅等高反合金上不容易打出熔深，需要更高功率方可實現(xiàn)深熔焊； （3）小芯徑激光器功率密度高，能夠以高能快速在材料表面打出匙孔，且熱影響區(qū)小，但是同時焊縫表面粗糙，在低速焊接時匙孔坍塌概率高，焊接周期匙孔閉合周期長，容易產(chǎn)生缺陷，氣孔等缺陷，適合高速加工或者帶擺動軌跡加工； （4）大芯徑激光器由于光斑大，能量更為分散，更適合激光表面重熔、熔覆、退火等工藝。 三、應(yīng)用舉例分析進(jìn)行簡單的應(yīng)用分析： 小芯徑激光器優(yōu)勢及應(yīng)用（＜100um） 圖8 高反材料（鋁、銅）工件 高反材料：鋁、銅、不銹鋼、鎳、鉬等； （1）高反材料需要選擇小芯徑激光器，利用高功率密度激光束使材料快速被加熱至液化或汽化狀態(tài)，提高材料對激光吸收率，實現(xiàn)高效快速加工，選擇芯徑大的激光器這容易導(dǎo)致高反，導(dǎo)致虛焊，甚至燒損激光器； 裂紋敏感性材料：鎳、鍍鎳銅、鋁、不銹鋼、鈦合金等 （2）這種材料一般需要嚴(yán)格控制熱影響區(qū)，需要小熔池，選擇小芯徑激光器更合適； 高速激光加工： （3）深熔焊需要高速激光加工，需要選擇高能量密度的激光器，才能在高速下保證線能量足夠熔化材料，尤其是疊焊，穿透焊，等對熔深要求較高的選擇小芯徑激光器更合適。 圖9 大芯徑激光器應(yīng)用（來自IPG） 大芯徑激光器優(yōu)勢及應(yīng)用（＞100um）： 大芯徑大光斑，熱量覆蓋面積大、作用面廣，且只是實現(xiàn)材料表面微熔，非常適合在激光熔覆、激光重熔、激光退火、激光硬化等方面展開應(yīng)用。在這些領(lǐng)域，大光斑意味著更高的生產(chǎn)效率、更低的缺陷（熱導(dǎo)焊幾乎沒有缺陷）。 在焊接上，大光斑主要用來做復(fù)合焊，用于與小芯徑激光復(fù)合：大光斑使得材料表面微熔，由固體轉(zhuǎn)化為液體，使得材料對激光的吸收率大幅提升，再用小芯徑打出匙孔，打出熔深，在這個過程中由于大光斑的預(yù)熱，后處理，以及給到熔池較大的溫度梯度，使得材料不易出現(xiàn)由于快熱快冷所導(dǎo)致的裂紋缺陷，還能使得焊縫外觀更為平滑，同時相較于單激光的方案實現(xiàn)更低的飛濺。
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