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1、激光水下焊接主要工艺参数（一）激光深熔水下焊接的主要工艺参数1）激光功率。激光水下焊接中存在一个激光能量 密度阈值，低于此值，熔深很浅，一旦达到或超过此 值，熔深会大幅度提高。只有当工件上的激光功率密 度超过阈值（与材料有关），等离子体才会产生，这标 志着稳定深熔焊的进行。如果激光功率低于此阈值， 工件仅发生表面熔化，也即水下焊接以稳定热传导型 进行。而当激光功率密度处于小孔形成的临界条件附 近时，深熔焊和传导焊交替进行，成为不稳定水下焊 接过程，导致熔深波动很大。激光深熔焊时，激光功 率同时控制熔透深度和水下焊接速度。水下焊接的熔 深直接与光束功率密度有关，且是入射光束功率和光 束焦斑的函数
2、。一般来说，对一定直径的激光束，熔 深随着光束功率提高而增加。2）光束焦斑。光束斑点大小是激光水下焊接的最 重要变量之一，因为它决定功率密度。但对高功率激 光来说，对它的测量是一个难题，尽管已经有很多间 接测量技术。光束焦点衍射极限光斑尺寸可以根据光衍射理论 计算，但由于聚焦透镜像差的存在，实际光斑要比计 算值偏大。最简单的实测方法是等温度轮廓法，即用 厚纸烧焦和穿透聚丙烯板后测量焦斑和穿孔直径。这 种方法要通过测量实践，掌握好激光功率大小和光束 作用的时间。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能，如吸收率、反射率、热导率、熔化温度、蒸发温度等，其中最重要的是吸收率。影响材
3、料对激光光束的吸收率的因素包括两个方 面：首先是材料的电阻系数，经过对材料抛光表面的 吸收率测量发现，材料吸收率与电阻系数的平方根成 正比，而电阻系数又随温度而变化；其次，材料的表 面状态（或者光洁度）对光束吸收率有较重要影响， 从而对水下焊接效果产生明显作用。CO2激光器的输出波长通常为10.6 mm，陶瓷、玻 璃、橡胶、塑料等非金属对它的吸收率在室温就很高， 而金属材料在室温时对它的吸收很差，直到材料一旦 熔化乃至气化，它的吸收才急剧增加。采用表面涂层 或表面生成氧化膜的方法，提高材料对光束的吸收很 有效。4）水下焊接速度。水下焊接速度对熔深影响较大， 提高速度会使熔深变浅，但速度过低又会
4、导致材料过 度熔化、工件焊穿。所以，对一定激光功率和一定厚 度的某特定材料有一个合适的水下焊接速度范围，并 在其中相应速度值时可获得最大熔深。图10-2给出了1018钢水下焊接速度与熔深的关系。5）保护气体。激光水下焊接过程常使用惰性气体 来保护熔池，当某些材料水下焊接可不计较表面氧化 时则也可不考虑保护，但对大多数应用场合则常使用 氦、氩、氮等气体作保护，使工件在水下焊接过程中 免受氧化。氦气不易电离（电离能量较高），可让激光顺利通 过，光束能量不受阻碍地直达工件表面。这是激光水 下焊接时使用最有效的保护气体，但比较贵。氩气比较便宜，密度较大，所以保护效果较好。但它易受高温金属等离子体电离，
5、结果屏蔽了部分光 束射向工件，减少了水下焊接的有效激光功率，也损 害水下焊接速度与熔深。使用氩气保护的焊件表面要 比使用氦气保护时来得光滑。氮气作为保护气体最便宜，但对某些类型不锈钢 水下焊接时并不适用，主要是由于冶金学方面问题， 如吸收，有时会在搭接区产生气孔。使用保护气体的第二个作用是保护聚焦透镜免受 金属蒸气污染和液体熔滴的溅射。特别在高功率激光 水下焊接时，由于其喷出物变得非常有力，此时保护 透镜则更为必要。保护气体的第三个作用是对驱散高功率激光水下 焊接产生的等离子屏蔽很有效。金属蒸气吸收激光束 电离成等离子云，金属蒸气周围的保护气体也会因受 热而电离。如果等离子体存在过多，激光束在
6、某种程 度上被等离子体消耗。等离子体作为第二种能量存在 于表面，使得熔深变浅、水下焊接熔池表面变宽。通 过增加电子与离子和中性原子三体碰撞来增加电子的 复合速率，以降低等离子体中的电子密度。中性原子 越轻，碰撞频率越高，复合速率越高；另一方面，只 有电离能高的保护气体，才不致因气体本身的电离而 增加电子密度。从表可知，等离子体云尺寸与采用的保护气体不 同而变化，氦气最小，氮气次之，使用氩气时最大。 等离子体尺寸越大，熔深则越浅。造成这种差别的原 因首先由于气体分子的电离程度不同，另外也由于保护气体不同密度引起金属蒸气扩散差别。氦气电离最小，密度最小，它能很快地驱除从金 属熔池产生的上升的金属蒸
7、气。所以用氮作保护气体， 可最大程度地抑制等离子体，从而增加熔深，提高水 下焊接速度；由于质轻而能逸出，不易造成气孔。当 然，从我们实际水下焊接的效果看，用氩气保护的效 果还不错。等离子云对熔深的影响在低水下焊接速度区最为 明显。当水下焊接速度提高时，它的影响就会减弱。保护气体是通过喷嘴口以一定的压力射出到达工 件表面的，喷嘴的流体力学形状和出口的直径大小十 分重要。它必须以足够大以驱使喷出的保护气体覆盖 水下焊接表面，但为了有效保护透镜，阻止金属蒸气 污染或金属飞溅损伤透镜，喷口大小也要加以限制。 流量也要加以控制，否则保护气的层流变成紊流，大 气卷入熔池，最终形成气孔。为了提高保护效果，还
8、可用附加的侧向吹气的方 式，即通过一较小直径的喷管将保护气体以一定的角 度直接射入深熔水下焊接的小孔。保护气体不仅抑制 了工件表面的等离子体云，而且对孔内的等离子体及 小孔的形成施加影响，熔深进一步增大，获得深宽比 较为理想的焊缝。但是，此种方法要求精确控制气流 量大小、方向，否则容易产生紊流而破坏熔池，导致 水下焊接过程难以稳定。6) 透镜焦距。水下焊接时通常采用聚焦方式会聚 激光，一般选用63254mm(2.5”10”)焦距的透镜。 聚焦光斑大小与焦距成正比，焦距越短，光斑越小。但焦距长短也影响焦深，即焦深随着焦距同步增加， 所以短焦距可提高功率密度，但因焦深小，必须精确 保持透镜与工件的
9、间距，且熔深也不大。由于受水下 焊接过程中产生的飞溅物和激光模式的影响，实际水 下焊接使用的最短焦深多为焦距126mm(5”)。当接缝 较大或需要通过加大光斑尺寸来增加焊缝时，可选择 254mm(10”)焦距的透镜，在此情况下，为了达到深熔 小孔效应，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10.6um的CO2激光束，由于采用特殊光学材料构成光学系统，为 了避免聚焦透镜遭光学破坏的危险，经常选用反射聚 焦方法，一般采用抛光铜镜作反射镜。由于能有效冷 却，它常被推荐用于高功率激光束聚焦。7）焦点位置。水下焊接时，为了保持足够功率密 度，焦点位置至关重要。焦点与工件表
10、面相对位置的 变化直接影响焊缝宽度与深度。图2-6表示焦点位置 对1018钢熔深及缝宽的影响。在大多数激光水下焊接 应用场合，通常将焦点的位置设置在工件表面之下大约所需熔深的1/4处。8）激光束位置。对不同的材料进行激光水下焊接 时，激光束位置控制着焊缝的最终质量，特别是对接 接头的情况比搭接结头的情况对此更为敏感。例如， 当淬火钢齿轮水下焊接到低碳钢鼓轮，正确控制激光 束位置将有利于产生主要有低碳组分组成的焊缝，这 种焊缝具有较好的抗裂性。有些应用场合，被水下焊 接工件的几何形状需要激光束偏转一个角度，当光束 轴线与接头平面间偏转角度在100度以内时，工件对激光能量的吸收不会受到影响。本文出
11、自：tflaser/31.html9）水下焊接起始、终止点的激光功率渐升、渐降 控制。激光深熔水下焊接时，不管焊缝深浅，小孔现 象始终存在。当水下焊接过程终止、关闭功率开关时， 焊缝尾端将出现凹坑。另外，当激光焊层覆盖原先焊 缝时，会出现对激光束过度吸收，导致焊件过热或产 生气孔。为了防止上述现象发生，可对功率起止点编制程 序，使功率起始和终止时间变成可调，即起始功率用 电子学方法在一个短时间内从零升至设置功率值，并 调节水下焊接时间，最后在水下焊接终止时使功率由 设置功率逐渐降至零值。1.激光深熔焊特征及优、缺点（一）激光深熔焊 的特征1）高的深宽比。因为熔融金属围着圆柱形高温 蒸气腔体形成
12、并延伸向工件，焊缝就变成深而窄。2） 最小热输入。因为小孔内的温度非常高，熔化过程发 生得极快，输入工件热量很低，热变形和热影响区很 小。3）高致密性。因为充满高温蒸气的小孔有利于水 下焊接熔池搅拌和气体逸出，导致生成无气孔的熔透 焊缝。焊后高的冷却速度又易使焊缝组织细微化。4） 强固焊缝。因为炽热热源和对非金属组分的充分吸收， 降低杂质含量、改变夹杂尺寸和其在熔池中的分布。水下焊接过程无需电极或填充焊丝，熔化区受污染少， 使得焊缝强度、韧性至少相当于甚至超过母体金属。5）精确控制。因为聚焦光点很小，焊缝可以高精确定 位。激光输出无“惯性”，可在高速下急停和重新起始， 用数控光束移动技术则可水
13、下焊接复杂工件。6）非接 触大气水下焊接过程。因为能量来自光子束，与工件 无物理接触，所以没有外力施加工件。另外，磁和空 气对激光都无影响。（二）激光深熔焊的优点1）由于聚焦激光比常规方法具有高得多的功率密 度，导致水下焊接速度快，受热影响区和变形都很小， 还可以水下焊接钛等难焊的材料。2）因为光束容易传 输和控制，又不需要经常更换焊枪、喷嘴，又没有电 子束水下焊接所需的抽真空，显著减少停机辅助时间， 所以有荷系数和生产效率都高。3）由于纯化作用和高 的冷却速度，焊缝强度、韧性和综合性能高。4）由于 平均热输入低，加工精度高，可减少再加工费用；另 外，激光水下焊接运转费用也较低，从而可降低工件 加工成本。5）对光束强度和精细定位能有效控制，容 易实现自动化操作。（三）激光深熔焊的缺点1）水下焊接深度有限。2）工件装配要求高。3）激光系统一次性投资较高
