激光深熔焊接的工作原理（激光深熔焊接的机理是什么）

01 激光焊接原理

激光焊接可以使用连续或脉冲激光束来实现。激光焊接的原理可分为热传导焊接和激光深熔焊接。当功率密度小于104~105W/cm2时，为热传导焊接。此时熔深浅，焊接速度慢；当功率密度大于105~107 W/cm2时，金属表面因受热而凹成“孔洞”，形成深熔焊，具有焊接速度快、深宽比大的特点。

热传导激光焊接的原理是：激光辐射对被加工表面进行加热，表面热量通过热传导扩散到内部。通过控制激光脉冲宽度、能量、峰值功率、重复频率等激光参数，将工件熔化形成特定的熔池。

用于齿轮焊接和冶金板材焊接的激光焊接机主要涉及激光深熔焊。下面重点介绍一下激光深熔焊的原理。

激光深熔焊一般采用连续激光束来完成材料的连接。其冶金物理过程与电子束焊接非常相似，即通过“匙孔”结构完成能量转换机制。在足够高功率密度的激光照射下，材料蒸发并形成小孔。这个充满水蒸气的小孔就像一个黑体，吸收了几乎所有入射光束的能量。孔内的平衡温度达到约2500 0C。热量从高温孔的外壁传递，使孔周围的金属熔化。小孔内充满了壁材在光束照射下不断蒸发产生的高温蒸汽。小孔的壁被熔融金属包围，液态金属被固体材料包围（在大多数常规焊接工艺和激光传导焊接中，能量首先沉积在工件表面，然后通过传递方式输送到内部） ）。孔壁外的液体流动和壁层的表面张力与孔腔内不断产生的蒸汽压力同相并保持动态平衡。光束不断进入小孔，小孔外的物质不断流动。随着光束的移动，小孔始终处于稳定的流动状态。也就是说，小孔和孔壁周围的熔融金属随着引导光束的前进速度而向前移动。熔融金属填充小孔去除后留下的间隙并相应凝结，形成焊缝。所有这一切发生得如此之快，焊接速度很容易达到每分钟几米。

02激光深熔焊主要工艺参数

1）激光功率。激光焊接存在激光能量密度阈值。低于这个值，穿透深度很浅。一旦达到或超过这个值，穿透深度就会显着增加。只有当工件上的激光功率密度超过阈值（与材料有关）时，才会产生等离子体，这标志着稳定的深熔焊接的进展。如果激光功率低于该阈值，则仅发生工件的表面熔化，即焊接以稳定的热传导型进行。当激光功率密度接近形成小孔的临界条件时，深熔焊和传导焊交替进行，成为不稳定的焊接过程，导致熔深波动较大。在激光深熔焊接过程中，激光功率同时控制熔深深度和焊接速度。焊接熔深与光束功率密度直接相关，并且是入射光束功率和光束焦斑的函数。一般来说，对于一定直径的激光束，穿透深度随着光束功率的增加而增加。

2) 光束焦点。光束光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。但对于高功率激光器来说，测量它们是一个问题，尽管有许多间接测量技术。

根据光衍射理论可以计算出光束聚焦衍射极限光斑尺寸，但由于聚焦透镜像差的存在，实际光斑尺寸比计算值大。最简单的实际测量方法是等温剖面法，利用厚纸燃烧并穿透聚丙烯板来测量焦斑和孔径。该方法需要通过测量实践很好地掌握激光功率和光束作用时间。

3）材料吸收值。材料对激光的吸收取决于材料的一些重要性质，如吸收率、反射率、导热率、熔化温度、蒸发温度等，其中最重要的是吸收率。

影响材料对激光束吸收率的因素包括两个方面：一是材料的电阻率。测量材料抛光表面的吸光度后发现，材料的吸收率与电阻率的平方根成正比，且电阻率随温度变化。和变化；其次，材料的表面状态（或光滑度）对光束吸收率有重要影响，这对焊接效果有显着影响。

CO2激光器的输出波长通常为10.6m。陶瓷、玻璃、橡胶、塑料等非金属材料在常温下吸收率很高，而金属材料在常温下吸收率很差。一旦材料熔化甚至气化，其吸收率就会急剧增加。采用表面涂层或表面氧化膜来提高材料对光束的吸收能力是非常有效的。

4）焊接速度。焊接速度对熔深影响很大。提高速度会使熔深变浅，但如果速度太低，则会造成材料的过度熔化和工件的焊接。因此，对于一定激光功率和一定厚度的特定材料，存在一个合适的焊接速度范围，在相应的速度值下可以获得最大熔深。图10-2所示为1018钢的焊接速度与熔深的关系。

5）保护气体。在激光焊接过程中，常常使用惰性气体来保护熔池。当某些材料在焊接时不考虑表面氧化时，无需考虑保护。然而，对于大多数应用来说，常常使用氦气、氩气、氮气等气体进行保护，这样可以保护工件在焊接过程中不被氧化。

氦气不易电离（电离能高），使激光能够顺利通过，光束能量可以无障碍地到达工件表面。这是激光焊接中使用的最有效的保护气体，但价格较昂贵。

氩气价格便宜，密度大，因此具有更好的保护效果。但它容易被高温金属等离子体电离，导致部分光束无法到达工件，降低了焊接的有效激光功率，同时也损害了焊接速度和熔深。采用氩气保护的焊件表面比采用氦气保护的焊件表面更光滑。

氮气是最便宜的保护气体，但它不适合焊接某些类型的不锈钢，主要是由于吸收等冶金问题以及有时在搭接区域形成气孔。

使用保护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滴溅射。尤其是在高功率激光焊接时，由于喷射变得非常强大，因此更需要保护镜片。

保护气体的第三个作用是非常有效地驱散高功率激光焊接产生的等离子屏蔽。金属蒸气吸收激光束并将其电离成等离子体云，金属蒸气周围的保护气体也会被热量电离。如果存在过多的等离子体，则激光束在一定程度上会被等离子体消耗。等离子作为第二种能量存在于工作表面，使熔深更浅，熔池表面更宽。通过增加电子与离子和中性原子的三体碰撞来降低等离子体中的电子密度，从而提高电子的复合率。中性原子越轻，碰撞频率越高，复合率越高；另一方面，只有电离能高的保护气体才不会因气体本身的电离而增加电子密度。

等离子体云的大小随所使用的保护气体的不同而变化，氦气最小，氮气次之，使用氩气时等离子体云最大。等离子体尺寸越大，穿透深度越浅。造成这种差异的原因，首先是由于气体分子的电离程度不同，同时也是由于保护气体的密度不同造成金属蒸气扩散的差异。

氦气是电离度最低、密度最小的气体，它可以快速排出金属熔池中上升的金属蒸气。因此，采用氦气作为保护气体，可以最大程度地抑制等离子体，从而增加熔深，提高焊接速度；因为它很轻，可以逸出，所以很难造成毛孔粗大。当然，从我们的实际焊接结果来看，采用氩气保护的效果还不错。

等离子云对熔深的影响在低焊速区最为明显。随着焊接速度的增加，其效果减弱。

保护气体以一定的压力通过喷嘴喷出，到达工件表面。喷嘴的流体动力学形状和出口直径非常重要。它必须足够大，以驱动喷射的保护气体覆盖焊接表面，但为了有效保护镜片并防止金属蒸气污染或金属飞溅损坏镜片，喷嘴的尺寸也必须受到限制。流量也必须控制，否则保护气体的层流变成紊流，气氛被吸入熔池，最终形成气孔。

为了提高保护效果，还可以采用附加侧吹，即通过较小直径的喷嘴将保护气体以一定角度直接注入深熔焊的小孔中。保护气体不仅抑制工件表面的等离子体云，而且影响等离子体和孔内小孔的形成，进一步增加熔深，获得理想深宽比的焊缝。但这种方法需要精确控制气流的大小和方向，否则容易产生紊流，破坏熔池，使焊接过程难以稳定。

6) 镜头焦距。焊接时通常采用调焦方式对激光进行聚焦，一般采用焦距为63~254mm（2.5”~10”）的透镜。焦点尺寸与焦距成正比。焦距越短，光斑越小。但焦距的长短也会影响焦深，即焦深与焦距同时增加，因此焦距短可以提高功率密度。但由于焦距较小，镜头与工件之间的距离必须保持精确，穿透深度不大。由于焊接过程中产生的飞溅和激光模式的影响，实际焊接中采用的最短焦深多为126mm（5"）焦距。当焊缝较大或需要增加焊缝时通过增加光斑尺寸，可以选择焦距为254mm（10”）的透镜。在这种情况下，为了实现深穿透的针孔效果，需要更高的激光输出功率（功率密度）。

当激光功率超过2kW时，特别是对于10.6m CO2激光束，由于采用特殊光学材料构成光学系统，为了避免聚焦透镜光学损坏的风险，常采用反射聚焦方式。用过的。反射镜一般采用抛光铜镜。由于其高效冷却，通常建议用于高功率激光束聚焦。

7) 焦点位置。焊接时，焦点位置对于保持足够的功率密度至关重要。焦点与工件表面相对位置的变化直接影响焊缝的宽度和深度。图2-6所示为焦点位置对1018钢熔深和焊缝宽度的影响。

在大多数激光焊接应用中，通常将焦点位置设置在工件表面下方所需熔深的大约1/4 处。

8) 激光束位置。当激光焊接不同材料时，激光束位置控制着焊接的最终质量，特别是在对接接头的情况下，比搭接接头的情况对此更敏感。例如，当将硬化钢齿轮焊接到低碳钢滚筒上时，正确控制激光束位置将有助于产生主要由低碳成分组成的焊缝，该焊缝具有更好的抗裂性。在某些应用中，待焊接工件的几何形状要求激光束以一定角度偏转。当光束轴与接合面的偏转角度在100度以内时，工件对激光能量的吸收不会受到影响。

9）焊接起点和终点激光功率的逐渐增减控制。激光深熔焊时，无论焊缝深度如何，小孔现象始终存在。当焊接过程终止并关闭电源开关时，焊缝末端会出现凹坑。另外，当激光焊接层覆盖原来的焊缝时，会发生对激光束的过度吸收，导致焊件过热或产生气孔。

为了防止上述现象的发生，可以对开机和结束点进行编程，使开机和结束时间可调，即可以在短时间内以电子方式将开机功率从零提升到设定功率值。时间长，焊接时可调节。时间，最后在焊接结束时将功率从设定功率逐渐减小到零。

03 激光深熔焊的特点、优缺点

激光深熔焊的特点

1）高纵横比。由于熔融金属在高温蒸汽的圆柱形腔室周围形成并向工件延伸，因此焊缝变得又深又窄。

2) 最小热输入。由于小孔内的温度很高，熔化过程发生得极快，工件的热输入很低，热变形和热影响区也很小。

3）高密度。因为充满高温蒸气的小孔有利于焊接熔池的搅拌和气体的逸出，从而形成无气孔的熔透焊缝。焊后的高冷却速度很容易细化焊缝组织。

4) 焊缝牢固。由于热源较热，非金属成分被充分吸收，杂质含量降低，夹杂物尺寸及其在熔池中的分布发生变化。焊接过程不需要焊条或填充焊丝，熔化区污染较少，使得焊缝的强度和韧性至少等于甚至超过母材。

5）精确控制。由于聚焦光斑很小，因此可以高精度地定位焊缝。激光输出没有“惯性”，可以高速停止和重新启动。可以使用数控光束移动技术来焊接复杂的工件。

6）非接触式大气焊接工艺。由于能量来自光子束，并且与工件没有物理接触，因此不会对工件施加外力。另外，磁力和空气对激光没有影响。

激光深熔焊的优点

1）由于聚焦激光的功率密度比传统方法高得多，因此焊接速度快、热影响区小、变形小，还可以焊接钛等难焊材料。

2）由于电子束易于传输和控制，无需频繁更换焊枪和喷嘴，电子束焊接无需真空，显着减少停机时间和辅助时间，因此负载率和产量效率高。

3）由于净化效果和高冷却速度，焊缝具有较高的强度、韧性和综合性能。

4）由于平均热输入低，加工精度高，可降低再加工成本；此外，激光焊接作业成本也较低，可降低工件加工成本。

5）光束强度和精细定位可有效控制，易于实现自动化操作。

激光深熔焊的缺点

1）焊接深度有限。

2）工件装配要求高。

3）激光系统一次性投资较高