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激光焊接設(shè)備的焊接質(zhì)量影響因素分析
發(fā)布時(shí)間:2022-04-21
作者:編輯
來源:網(wǎng)絡(luò)
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激光加工行業(yè)的快速發(fā)展使得激光焊接技術(shù)也在不斷的完善,帶動(dòng)了激光焊接技術(shù)的廣泛應(yīng)用,特別是在制造業(yè)、粉末冶金、汽車工業(yè)、電子工業(yè)、生物醫(yī)學(xué)等許多行業(yè)。對于激光焊接機(jī)的焊接質(zhì)量,會(huì)有哪些影響因素呢?



一、激光焊接設(shè)備的組成部件及影響因素 

激光焊接設(shè)備通常由激光器、導(dǎo)光和聚焦系統(tǒng)、焊接工裝夾具、控制系統(tǒng)及焊接主機(jī)組成。

1、激光器:用于焊接的激光器主要有脈沖激光器和連續(xù)激光器.最重要的性能是輸出功率和光束質(zhì)量。焊接對激光器的質(zhì)量要求最主要的是光束模式和輸出功率的穩(wěn)定性。

1.1 光束模式:光束模式階數(shù)越低,光束的聚焦性能越好(即光束質(zhì)量越好),光斑越小,相同激光功率下激光功率密度越高,焊接深寬比越大。

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1.2 輸出功率穩(wěn)定性:激光器的輸出功率穩(wěn)定性越好,焊接一致性就越好。

2、導(dǎo)光和聚焦系統(tǒng):導(dǎo)光和聚焦系統(tǒng)主要由光纖、準(zhǔn)直(擴(kuò)束)鏡、反射鏡和聚焦鏡組成,實(shí)現(xiàn)傳輸光束和聚焦的功能。這些光學(xué)零件,在大功率激光作用下,性能可能會(huì)劣化使透過率下降,產(chǎn)生熱透鏡效應(yīng)(透鏡受熱膨脹焦距發(fā)生變化)。如有表面污染,則會(huì)增加傳輸損耗甚至可能導(dǎo)致光學(xué)零件的損壞。所以光學(xué)零件的質(zhì)量,維護(hù)和工作狀態(tài)監(jiān)測對保證焊接質(zhì)量至關(guān)重要。

3、工件狀態(tài)

3.1 焊接工件的加工精度、裝配精度以及清潔程度:

因?yàn)榧す夤獍咝?,焊縫窄,一般不加填充金屬,如裝配不嚴(yán)間隙過大,光束會(huì)穿過間隙不能熔化母材,或者引起明顯的咬邊、凹陷。所以一般板材對接裝配間隙和光斑對縫偏差均不應(yīng)大于0.1mm,錯(cuò)邊不應(yīng)大于0.2mm。當(dāng)然對焊接質(zhì)量要求更高的工件,其焊接工件的加工精度及裝配精度也更高,尤其是焊接前的人工裝配,要保證焊接位置的高低差、裝配間隙和加工件的清潔程度。

3.2 焊接工件的材料均勻性:

材料的均勻性是指物質(zhì)的一種或幾種特性具有同組分或相同結(jié)構(gòu)的狀態(tài)。材料的均勻性直接影響到材料的有效使用。影響材料均勻性的因素有合金成分的分布、材料厚度等。合金元素的種類和含量本身就對焊接質(zhì)量存在影響,其分布的均勻性直接影響到焊縫的一致性.例如鋁合金材料焊接時(shí),合金元素的分布不均勻,或者內(nèi)部存在雜質(zhì)的含量不同,容易出現(xiàn)焊接缺陷:炸孔、咬邊及凹陷。

4. 焊接工裝夾具:在激光焊接過程中,焊接工裝夾具主要是將焊接工件準(zhǔn)確定位和可靠夾緊,便于焊接工件進(jìn)行裝配和焊接,保證焊接結(jié)構(gòu)精度,有效的防止和減輕焊接熱變形。

5. 焊接工藝參數(shù):影響焊接質(zhì)量的焊接工藝參數(shù)主要有激光輸出功率、焊接速度、激光波形、脈沖寬度、離焦量和保護(hù)氣體。

5.1 激光輸出功率、焊接速度對熔深的影響:

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3中,1、2、3分別為1mm、3mm、10mm/s的焊接速度時(shí)熔化深度曲線,可以看出在一定的激光功率下,提高焊接速度,則熱輸入下降,焊接熔深減小。對于不同的激光功率密度,要達(dá)到要求的熔化深度需選擇不同的焊接速度。圖3中, 激光焊接不銹鋼時(shí)功率與焊接速度、熔化深度的關(guān)系。

 5.2 激光波形:激光波形主要有脈沖波形(脈沖激光器)和連續(xù)焊接時(shí)的縫焊波形。

1)脈沖波形對焊接質(zhì)量的影響(針對脈沖激光器)

2)對于焊接銅、鋁、金、銀高反射材料時(shí),為了突破高反射率的屏障,可以利用帶有前置尖峰的激光波形,如圖4。 

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但這種波形在高重復(fù)率縫焊時(shí)不宜采用,容易產(chǎn)生飛濺,形成不規(guī)則的孔洞.宜采用梯形波,如上圖5。

3)對于鐵、鎳等黑色金屬,表面反射率低,宜采用矩形波或緩衰減波形,如下圖6所示:

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5.3連續(xù)焊接時(shí)的縫焊波形:縫焊波形就是激光功率隨焊接時(shí)間變化的曲線.在材料要求焊接密封時(shí)此波形尤為重要。在焊接開始時(shí)激光功率緩慢上升,結(jié)束時(shí)緩慢下降,如上圖7所示;在連續(xù)激光器焊接時(shí),結(jié)尾處出現(xiàn)的凹坑,宜采用此波形,減小凹坑程度,以達(dá)到焊接效果,如所示圖8所示。

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5.4 脈沖寬度(針對脈沖激光器):激光的脈沖寬度針對YAG固體激光器來說是焊接的重要參數(shù)之一,它決定材料是否熔化,為了保證激光焊接中材料表面不出現(xiàn)強(qiáng)烈氣化,一般假定在脈沖終止時(shí)材料表面溫度達(dá)到沸點(diǎn).脈寬越長,焊點(diǎn)直徑越大,相同的工作距離時(shí),熔深越深。

5.5離焦量:激光焊接時(shí)通常需要一定的離焦量,因?yàn)榧す饨裹c(diǎn)處光斑中心的功率密度過高,容易蒸發(fā)成孔.離開激光焦點(diǎn)的各平面上,功率密度分布相對均勻。

離焦方式有兩種:正離焦和負(fù)離焦.焦平面位于工件上方為正離焦,反之為負(fù)離焦。焊接薄材料時(shí)宜采用正離焦,需要較大熔深時(shí)宜采用正離焦。

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圖9 離焦方式

在一定的激光功率和焊接速度下,當(dāng)焦點(diǎn)處于最佳焊接位置范圍內(nèi)時(shí),可以獲得最大熔深和好的焊縫形狀。

5.6 保護(hù)氣體:保護(hù)氣體的種類、氣體流量及吹氣方式也是影響焊接質(zhì)量的重要焊接工藝參數(shù)之一。

1) 常用的保護(hù)氣體有氮?dú)釴2、氬氣Ar、氦氣He以及氬氣和氦氣的混合氣體。通常情況下,焊接碳鋼時(shí)宜采用Ar,不銹鋼宜采用N2,鈦合金宜采用He,鋁合金宜采用Ar和He的混合氣體。

2)氣體流量的大小需根據(jù)實(shí)際焊接情況而定.在采用大功率連續(xù)激光器焊接時(shí),通常采用的氣流量較脈沖激光器焊接時(shí)的氣流量大。

3)吹氣方式分為側(cè)吹和同軸吹兩種。小功率焊接時(shí)可采用同軸吹氣,大功率連續(xù)焊接時(shí)建議采用側(cè)吹方式。

4)保護(hù)氣體的作用:

?在激光焊接過程中,容易產(chǎn)生等離子體.等離子體對激光有吸收、折射和反射的作用。通??刹捎帽Wo(hù)氣體驅(qū)除或削弱;

?提高焊縫的冷卻速度;

?降低焊縫表面氧化程度;

?改善焊縫表面形貌。





二、結(jié)論 

綜合以上的分析,要在高速連續(xù)的激光焊接過程中,并在合適的范圍內(nèi),保證焊接質(zhì)量,如焊縫成形的可靠性和穩(wěn)定性,確保焊接質(zhì)量,一方面需采用光束質(zhì)量和激光輸出功率穩(wěn)定性好的激光器和采用高質(zhì)量、高穩(wěn)定性的光學(xué)元件組成其導(dǎo)光聚焦系統(tǒng),并經(jīng)常維護(hù),防止污染,保持清潔,并適當(dāng)對工件進(jìn)行預(yù)處理;另一方面要確保工件的加工精度和裝配精度,并且針對不同的加工材料分別設(shè)定不同的激光加工參數(shù),選擇合適的激光功率、焊接速度、激光波形、離焦量和保護(hù)氣體,根據(jù)不同焊接效果優(yōu)化加工參數(shù),提高激光焊接質(zhì)量的可靠性和穩(wěn)定性。



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