激光深熔焊接的熔池行为与焊接缺陷的研究

激光深熔焊接的熔池行为与焊接缺陷的研究

刘生海

南京麦驰钛业有限公司， 江苏南京 210000

【摘要】由于效率高、准确、效果好、便于生产自动化和集成制造系统等优点，激光焊接工艺目前已经被广泛应用在所有领域中，在整个产品生产过程中也扮演着十分关键的作用，包括在军工、医药、航天、3C汽配、机械钣金、新能源、卫浴产品五金配件加工等领域。但是，其他的加工方式如果没有掌握好其基本原理和工艺技术，也可能产生一定的产品质量问题或劣质成品，而激光焊法也不例外。只有很好地了解上述问题，并掌握好如何避免或产生上述问题，才能最有效地实现激光焊接的价值，加工出外形漂亮、质量卓越的产品。

【关键字】激光深熔焊接；熔池行为；焊缝缺陷

激光深熔焊，成为激光焊缝的二个基础工作模式之中(另一为热传递焊缝)，其使用也更加普遍。为达到更高的激光深熔焊效率，本章还汇总了此种焊接方法的影响各种因素，涵盖了激光功率密度系数、焊缝速率、聚焦部位、防护气体、工件连接安装间距、材料性质等各个方面，以助力企业各家用户趋利避害，并最大限度使用好的激光器和激光装置。

一、熔池行为以及有关的知识

熔池，是指在经过焊弧或受热而熔化成池状结构的各种金属性母材部分中。熔焊前，在焊接器件表面上所形成的带有某种不同形式的液态金属部分-也称为熔池。

1.1精炼氧化铝的熔池的保温衬层编辑，在盛装金属和精炼氧化铝的溶池的多层石墨侧板和端板的切缝部分间隙内，新设置的防火性能板件将形成并有效控制着液态氧化铝的陶瓷溶液和当池中被加热至一定高温时，由于二板分开而所形成的热通道的流动。

1.2浸入型热熔池铝液保温炉用于盛装精炼或不精炼液态铝合金材料池的保温隔热衬层，由适当地在其侧面牢固地安装在同一块的多层石墨底板和端板组成；上面所述的顶板均与其底板固定在同一块，且其上端连接在由外部加温的铸铁槽的外侧墙上，在精炼池升温后到一定高温时因槽胀而引起的任何二板都从其上端形成并分开，从而构成了池中的精炼室和板与铸铁槽之间的空隙间的铝的流体管道，其特点为：(a)石墨侧板和端板与顺着以上板件连接处的高度走向的相关组成部分像以上板件中具有切口组成部分的那样牢固地连接在一块，而所述的切割部分则在真实木板的上方，并且垂直地伸展到当升温时所述的木板中间，并没有分开的区域；(b)一种不易受液态铝板的热冲击影响的耐火特性板件，将所述板件穿插在将侧板与端板放置在同一块时形成的相对切缝内，该板件从时间方向上从相对切缝中以超过预计的熔铝的工作高度，慢慢伸长并下垂至与所述板因热而分开的范围内，与所述板件的长宽与厚薄之间直接相关，与所述切缝部分之间的距离也直接相关，当该板因将水池加热至高温度而从其上部分开时，耐火特性板件可以成为高效的挡板阻住了液体铝热透过时由于侧板与端板热的分开而形成的缝隙的热流动。这样，就容许了侧板与端板之间的连接，以及在将池体升温至正常温度时所需要的相对运动过程，并且仍继续有效地限制着了在将液体从铝与板间分离时产生的热流。

1.3引入处理剂料的各种金属喷头装置熔池中，在引入处理剂料时所使用的金属喷头装置特点是，在该装置内还存在着一个耐火材料多孔块，该多孔块可嵌装于玻璃容器的火山作用嵴内，并轴流式移动地容有一个耐火材料园柱身，且该园柱身中还包含着一个轴流式的透气孔，以供引入废气和处理剂时使用，且该园柱身在相对放置情况下迎在玻璃容器内的金属喷头尾部的相反外端，并凸出在多孔块上，且在该端外疫有一个压力挡板，供让该园柱身轴流式移动时使用，其特点是，在该园柱身内部呈节套形，且其中还插入有至少一个金属喷头管，并且在该管的最外端还包括待引进剂料的出口管。

二、焊接方法的影响因素

2.1激光永磁同步电动机实现高熔焊缝的前提条件是聚焦在激光光斑上，使其产生了相当大的输出功率给永磁同步电动机，所以通过激光辐射输出永磁同步电动机能量对焊缝成形有着决定性的影响。而激光输出功率同时也是直接地影响着熔透深度和焊缝速度。对于特定的激光束，当提高了激光输出功率以后，由于熔深的提高，焊缝速度也增加了。对超过规定的熔深时的激光输出功率都存在于统计量之中，当超过了这个统计量之后，则熔池迅速沸腾，而一旦超过规定时则熔深也将大幅度地下降。另外，还由于接受了大量金属蒸气的作用力，在熔池左右都会产生小孔，而小孔也正是深熔焊接实现的关键。而焦斑功率密度不仅与激光输出功率成正比，还与激光束和聚焦光程等参数有关。

2.2焊接速率在全深熔焊进行过程中，焊接速率和熔深成反比关联关系。在保证激光输出功率恒定不变的情况下，如果增加了焊接速率，热输入就会减少，最大熔深也就会减小。所以，通过适当减小焊接速率就可以提高最大熔深，但由于速率太低就会引起金属的过量熔融，进而产生工件焊穿现象。所以针对一定激光输出功率以及一定厚薄、类型的金属板料来说，都有一个可以达到最大熔深的理想焊接速率范围。

2.3焦点位深熔焊接缝时，为保持足够的能量密度，焦点位深也非常重要。由于焦点在工件表面内相对方位的改变影响着焊缝长度和深浅，也只有当焦点位于工件表面内相对正确的地方，所得焊缝方可形成平行截面，从而达到最佳熔深效果。

2.4保护气体防护气体的主要用途有如下两点：1)清除焊接工作区局部范围中的空气品质，以保证工作表层不被氧化物；2)在抑制高输出功率激光焊接时形成的等离子云。

2.5工件接头间隙工件拼合间距，装配间隙直接和焊缝工件的熔深度，焊缝长度直接相关。在深熔焊缝时，若接头间距大于目标的光斑长度，将无焊缝；接口间距过小，有时在工艺上会形成接板重叠，焊缝加工困难等不良效应；接口间距过大，则非常容易焊穿；慢速焊缝能克服部分因间距过大所产生的焊接问题，但由于高速焊接焊缝变窄，对装配的要求就更为严格。

2.6材料本性被焊接工件材料对激光辐射的消化吸收直接决定着激光材料焊接的效果，而影响金属材料对激光辐射的消化吸收的主要因素有以下二个方面:1)金属材料阻力系数，通过对各种金属材料抛光表面后的吸收度测定表明，金属材料对激光辐射的消化吸收与阻力系数值的平方根成正反比，而阻力系数值则随环境温度的变动而改变；2)金属材料的表面状态变化对光吸收度有较很大的作用因此，对焊缝效果形成了明显影响。

三、常见的焊缝问题

3.1激光焊接时所产生的金属飞溅物严重影响着焊接表面质量，并会腐蚀甚至破坏金属镜片。由于飞溅速度和功率密度之间有直接关联，所以适当减小焊接能力也有助于减少金属飞溅速度。若熔深不够，就必须减少焊缝速度了。

3.2咬边若焊缝速度太快，在小孔后方指向焊接中心的液体金属就来不及重新分配，，在焊缝二侧固化后就会产生金属咬边。焊接头安装间距一旦增大，填缝熔化金属材料量减少，就易形成咬边。而激光焊缝完成后，一旦功率下降时间过快，小孔就易坍塌，从而造成局部整体咬边，通过控制功率与转速相匹配能够很好缓解咬边的产生.

3.3下塌当焊接速率缓慢，熔池大且宽，熔融金属数量增多，而表面张力又无法支持较重的液态金属时，焊接中心就会倾斜，产生坍塌和凹坑，此时就必须通过适当减小能量密度来减少熔池的下坍。

结语:准确认识在激光焊接过程中形成的缺陷，并了解造成各种问题形成的因素后，就可以比较针对性地去处理激光焊接工作中的焊缝突出问题。

参考文献

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[3]冯雷,陈树君,殷树言.高速焊接时焊缝咬边的形成机理[J].焊接学报,1999(01):18-23.