本文主要想簡(jiǎn)單對(duì)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(duì)比;應(yīng)用舉例分析進(jìn)行簡(jiǎn)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(shí),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(duì)激光的吸收,一般來(lái)說(shuō),溫度越高,材料對(duì)激光的吸收率越高。隨功率密度與作用時(shí)間的增加,金屬材料將會(huì)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(gè):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(guò)水冷夾具、保護(hù)氣流量去微調(diào)。在焊接過(guò)程,主要對(duì)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??紤]到本文主要針對(duì)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(jiǎn)單計(jì)算公式: 圖2 功率密度計(jì)算公式 激光焊接按焊接過(guò)程的吸收率來(lái)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(zhǎng)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(huì)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(guò)程、焊縫形成機(jī)制、工藝特點(diǎn)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(shí),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(wú)法直接觸及。激光照射經(jīng)過(guò)一定時(shí)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(diǎn),溫度再高材料將汽化形成凹坑,穩(wěn)定的熱導(dǎo)焊過(guò)程將受到破壞,熔池會(huì)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(duì)運(yùn)動(dòng),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(shí),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(shí)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(duì)于激光焊接過(guò)程中材料對(duì)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(guò)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(guò)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?yàn)槌霈F(xiàn)匙孔提高了吸收率;這種簡(jiǎn)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(duì)比: 了解基本的功率密度、熱導(dǎo)焊、深熔焊概念之后,接下來(lái)對(duì)不同芯徑的功率密度和金相金相對(duì)比分析。 本次針對(duì)市面常見(jiàn)的激光芯徑進(jìn)行焊接實(shí)驗(yàn)對(duì)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(shí)這里計(jì)算的功率密度只是簡(jiǎn)單的平均密度,實(shí)際的能量分布是近似高斯分布,中心能量會(huì)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(guò)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(gè)點(diǎn),越鋒利,穿透能力越強(qiáng)。 圖7 不同芯徑激光器焊接效果對(duì)比 不同芯徑激光器對(duì)比: (1)實(shí)驗(yàn)采用速度為150mm/s,焦點(diǎn)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(shí)單位功率密度越小,當(dāng)芯徑超過(guò)200um時(shí),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(shí)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(shí)焊縫表面粗糙,在低速焊接時(shí)匙孔坍塌概率高,焊接周期匙孔閉合周期長(zhǎng),容易產(chǎn)生缺陷,氣孔等缺陷,適合高速加工或者帶擺動(dòng)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(jiǎn)單的應(yīng)用分析: 小芯徑激光器優(yōu)勢(shì)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(duì)激光吸收率,實(shí)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(duì)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(lái)自IPG) 大芯徑激光器優(yōu)勢(shì)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(shí)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(kāi)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(méi)有缺陷)。 在焊接上,大光斑主要用來(lái)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(duì)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(gè)過(guò)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(shí)相較于單激光的方案實(shí)現(xiàn)更低的飛濺。
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