激光焊接主要过程参数

1）激光功率。激光焊接中有激光能密度阈值，在该激光焊接中，熔体的深度浅，一旦达到或超过该值，熔体的深度就会大大增加。只有当工件上的激光功率密度超过阈值（材料依赖性）时，就会产生血浆，这标志着深融合焊接的稳定。如果激光功率低于此阈值，则工件仅进行表面熔化，即焊接以稳定的传热类型进行。当激光功率密度接近小孔形成的临界条件时，深融合焊接和传导焊接替代物并成为不稳定的焊接过程，从而导致熔体深度的大幅波动。在激光深融合焊接中，激光功率控制着穿透深度和焊接速度的深度，如图1所示。熔体的焊接深度与光束功率密度直接相关，并且是入射束功率和光束焦点的函数。通常，对于激光束的一定直径，熔体的深度随着束功率的增加而增加。

2）梁焦点。梁斑尺寸是激光焊接中最重要的变量之一，因为它决定了功率密度。但是，尽管许多间接测量技术已经可用，但它的测量是高功率激光器的挑战。

梁焦距限制点大小可以根据光衍射理论计算出来，但是由于存在聚焦透镜像差，实际斑点大于计算值的值。最简单的实际测量方法是等温轮廓方法，它是在用厚纸燃烧和穿透聚丙烯板后测量焦点和穿孔直径。该方法应通过练习来衡量，掌握激光功率的大小和光束动作的时间。

3）材料吸收值。材料对激光的吸收取决于材料的某些重要特性，例如吸收率，反射率，导热率，熔化温度，蒸发温度等。最重要的是吸收率。

影响材料对激光束吸收率的因素包括两个方面：首先，材料的电阻率。在测量材料抛光表面的吸收率后，发现材料吸收率与电阻率系数的平方根成正比，这又随温度而变化。其次，材料的表面状态（或表面处理）对梁的吸收率具有更重要的影响，因此对焊接效果产生了显着影响。

二氧化碳激光输出波长通常为10.6μm，陶瓷，玻璃，橡胶，塑料和其他非金属在室温下的吸收率非常高，而在室温下，其吸收的金属材料非常差，直到材料融化甚至蒸发后，其吸收急剧增加。使用氧化物膜方法的表面涂层或表面产生来改善材料对梁的吸收非常有效。

4）焊接速度。焊接速度对熔体深度有很大的影响，提高速度将使熔体的深度浅，但是速度太低，会导致材料过度熔化，工件焊接。因此，特定材料的一定激光功率和一定厚度具有合适的焊接速度范围，并且当熔体的最大深度最大深度时，可以获得相应的速度值。图2给出了焊接速度和1018钢的熔体深度之间的关系。

5）保护气。激光焊接过程通常使用惰性气体保护熔体池，当某些材料焊接时，无论表面氧化如何，也不考虑保护，但是对于大多数应用，通常使用氦，氩气，氮和其他保护气体，以便在焊接过程中使用工件在氧化过程中氧化。

氦气不易电离（电离能量很高），从而使激光通过，梁的能量不受阻碍地到达工件的表面。它是激光焊接中使用的最有效的屏蔽气体，但更昂贵。

氩气更便宜，更稠密，因此可以更好地保护。但是，它容易受到高温金属等离子体电离的影响，这导致梁的一部分屏蔽到工件上，从而降低了焊接的有效激光功率，并损害了熔体的焊接速度和深度。焊接部分的表面具有氩气保护性的比氦气保护更光滑。

氮是最便宜的屏蔽气体，但不适用于某些类型的不锈钢焊接，这主要是由于冶金问题（例如吸收），有时会在单圈区产生孔隙率。

使用屏蔽气体的第二个作用是保护聚焦透镜免受金属蒸气污染和液体熔融液滴的溅射。这在高功率激光焊接中尤其是必要的，在该焊接中，喷射非常强大。

屏蔽气体的第三个功能是，它有效地分散了由高功率激光焊接产生的等离子体屏蔽。金属蒸气吸收激光束并电离为等离子体云，并且金属蒸气周围的屏蔽气体也通过热量电离。如果存在过多的血浆，则在某种程度上，血浆消耗了激光束。等离子体作为工作表面上的第二能的存在使熔体较浅的深度和焊接池表面较宽。通过增加电子离子和中性原子三体碰撞的数量来降低等离子体中的电子密度来提高电子络合率。中性原子越轻，碰撞频率越高，复合速率越高；另一方面，只有屏蔽气体的高电离能，以免由于气体本身的电离而增加电子密度。

从桌子可以看出，血浆云大小随所使用的保护气体而变化，氦气最小，其次是氮，而使用氩时最大。血浆大小越大，熔化深度越浅。这种差异的原因首先是由于气体分子的电离程度不​​同，也是由于保护气体的不同密度引起的金属蒸气扩散的差异。

氦气是最低的电离和最小密度的，它迅速从熔融金属池中驱散了上升的金属蒸气。因此，将氦气用作屏蔽气体可以最大程度地抑制血浆，从而增加熔体的深度并提高焊接速度。由于重量轻和逃脱的能力，引起孔隙率并不容易。当然，从我们的实际焊接结果来看，用氩气保护的影响还不错。

低焊接速度区域中熔体深度的血浆云最为明显。当焊接速度提高时，其影响将减弱。

屏蔽气体通过喷嘴开口在某个压力到达工件表面的压力下弹出。喷嘴的流体动力形状和出口直径的大小非常重要。它必须足够大以驱动喷涂的屏蔽气体以覆盖焊接表面，但是为了有效保护镜头并防止金属蒸气污染或金属飞溅物对透镜的损害，还应限制喷嘴尺寸。还应控制流速，否则，屏蔽气体的层流流湍流，大气涉及熔融池，最终形成孔隙率。

为了提高保护效果，也可以提供额外的侧向吹动方式，即通过较小的直径喷嘴将是将保护气体直接进入深层熔融焊缝的一定角度。屏蔽气体不仅抑制了工件表面上的等离子体云，而且还会影响孔中的血浆和小孔的形成，进一步增加了融合的深度，并获得了比可观的更深，更宽的焊缝。但是，此方法需要精确控制气体流量和方向，否则很容易产生湍流并损坏熔体池，从而导致焊接过程很难稳定。

6）晶状体焦距。焊接通常用于聚焦激光收敛的方式，即镜头的焦距63〜254mm（2.5 “ 〜10 ”）的一般选择。聚焦点尺寸与焦距成正比，焦距较短，斑点越小。但是焦距还会影响焦点深度，即焦点深度与焦距同时增加，因此短焦距可以提高功率密度，但是由于焦点深度较小，因此必须准确地保持镜头和工件之间的距离，并且熔化深度不大。 Due to the influence of the spatter generated during the welding process and the laser mode, the actual welding using the shortest depth of focus more focal length 126mm (5'). When the seam is large or the weld seam needs to be increased by increasing the spot size, a lens with a focal length of 254mm (10') can be selected, in which case a higher laser output power (power density) is required to achieve a deep melt小孔效应。

当激光功率超过2kW时，尤其是对于10.6μm二氧化碳激光束时，由于使用特殊的光学材料来形成光学系统，以避免对聚焦镜头造成光学损害的风险，通常会选择反射聚焦方法，通常会使用抛光的铜镜进行反射。由于有效冷却，通常建议将高功率激光束聚焦进行。

7）焦点位置。焊接，为了保持足够的功率密度，焦点位置至关重要。焦点相对于工件表面的位置变化直接影响焊缝宽度和深度。图3显示了焦点位置对1018钢的熔体深度和接缝宽度深度的影响。在大多数激光焊接应用中，焦点通常位于工件表面以下所需熔体深度的约1/4位。

8）激光束位置。当激光焊接不同的材料时，激光束位置会控制焊接的最终质量，尤其是在对接接头比膝关节更敏感的情况下。例如，当将硬化的钢齿轮焊接到低碳钢鼓时，对激光束位置的适当控制将有助于以低碳成分的主要低碳组件的形式产生焊缝，从而具有更好的裂纹电阻。在某些应用中，要焊接工件的几何形状需要激光束以一个角度偏转。当梁轴和关节平面之间的挠度在100度以内时，工件对激光能量的吸收不会受到影响。

9）激光功率逐渐上升，逐渐下降控制的焊接起点和终点。激光深融合焊接，无论焊缝的深度如何，小孔的现象总是存在。当焊接过程终止并关闭电源开关时，焊缝末端将出现火山口。另外，当激光焊接层覆盖原始焊缝时，激光束会过多吸收，从而导致焊缝的过热或孔隙率。

为了防止上述现象，可以对功率启动和停止点进行编程，从而使功率启动和停止时间变得可调，即在短时间内从零增加到启动功率从零增加到设定的功率值，并调整了焊接时间，最终将功率逐渐从设定的功率降低到焊接终止时的零值。